10 неймовірних наслідків розвитку квантових технологій

У науковому співтоваристві утворився консенсус, що перший повністю функціональний квантовий комп’ютер буде готовий приблизно через десять років – і ця подія такого масштабу, що багато експертів закликають вважати роки, що залишилися до «Квантум».

Більшість людей, хоча б трохи знайомих з основними ідеями квантової механіки, вважають цю область кілька «дивною», оскільки вона іноді спантеличує навіть досвідчених квантових фізиків. В голові з’являються картинки людей, що ходять по стінах, які подорожують у часі і загальної невизначеності, яка загрожує викорінити наші самі звичні уявлення про істину і реальності. Стандартні виміру стають безглуздими.

З огляду на неймовірний потенціал квантових технологій, буде незайвим заявити, що ті, хто опанує цієї технологій в майбутньому, будуть мати суттєву перевагу перед тими, хто не опанує – і стосується це політики, фінансів, безпеки і багатьох інших сфер. Компанії на зразок Amazon, Microsoft і Intel з нетерпінням чекають впровадження квантової криптографії, оскільки побоюються, що хакери постараються дістатися до квантових можливостей і обрушити системи безпеки цих компаній.

І якщо вже ми можемо сказати, що квантові обчислення незабаром точно з’являться, потрібно зрозуміти, що це означає для майбутнього і які неймовірні нові (і іноді просто вражають) можливості принесуть квантові технології.

Перед вами десять неймовірних наслідків впровадження квантових технологій.

Експоненціальне збільшення обчислювальної швидкості

Для початку невелике коротке вступ: комп’ютер, на якому ви читаєте це, працює на тих же базових технологіях, які використовуються практично в кожному комп’ютері світу. Це кінцевий двійковий світ, в якому інформація закодована в бітах – одиницях і нулях – які можуть існувати тільки в двох станах (вкл і викл). Квантові обчислення, навпаки, використовують «кубіти», які можуть існувати в практично незліченних станах одночасно. (Грубо кажучи, n кубітів може існувати в 2 n різних станах одночасно).

Якщо згодувати звичайного комп’ютера послідовність з тридцяти 0 і 1, буде приблизно мільярд можливих значень цієї послідовності, і комп’ютер, що використовує звичайні біти, повинен проходити кожну комбінацію окремо, вимагаючи багато часу і пам’яті. З іншого боку, квантовий комп’ютер міг би «бачити» все мільярди послідовностей одночасно, що істотно скорочувало б тимчасові і обчислювальні витрати.

По суті, квантові комп’ютери будуть здатні проводити розрахунки за секунди, на які у звичайних комп’ютерів йшли б тисячі років.

Пошук нових ефективних препаратів

Завдяки неминучого зростання обчислювальної потужності, передбаченої законом Мура, з’явилося доступне секвенування ДНК. Але тепер ми ось-ось вступимо в епоху медицини, побудованої на квантових обчисленнях.

У той час як на ринку вже і без того багато хороших ліків, швидкість з якою вони виробляються, а також їх ефективність, на диво обмежені. Навіть з новітнім приростом швидкості і точності, вони досить незначні через обмеження стандартних комп’ютерів.

З організмом, настільки складним, як людське тіло, існує безліч способів, якими ліки можуть реагувати на навколишнє середовище. Додайте до цього безмежність генетичної різноманітності на молекулярному рівні, і потенційні наслідки для неспецифічних лікарських препаратів різко починають досягати мільярдних чисел.

І тільки у квантових комп’ютерів буде можливість вивчити кожен можливий сценарій взаємодії з препаратом і уявити не тільки найкращий можливий план дій, але також шанси людини на успішний прийом конкретного препарату – за рахунок комбінації більш точного і прискореного секвенування ДНК і більш точного розуміння фолдинга білка.

Ці ж самі нововведення, особливо щодо фолдинга білків, також неминуче приведуть до кращого розуміння того, як функціонує життя в цілому, що згодом призведе до набагато більш точному трактуванні, поліпшенню препаратів і поліпшенню результатів.

безмежна безпеку

Крім квантових стрибків в медицині, квантові технології також дають можливість створити практично невзламиваемие методи кібербезпеки і сверхбезопасний обмін даними на довгих відстанях.

У світі квантових дивацтв існує явище під назвою «квантова заплутаність», в якій дві або більше частинок з’єднуються загадковим чином, незалежно від середовища, яка існує між ними, і без будь-якої упізнаваний сигналізації. Це те, що Ейнштейн називав «моторошним дією на відстані». І оскільки немає певного середовища, в якій зв’язуються ці дві частинки, сигнали, закодовані з використанням заплутаних часток, неможливо буде перехопити. Наука, необхідна для цієї технології, поки розвинена недостатньо. Однак просування в цьому напрямку матиме неабиякий вплив на приватну і національну безпеку.

Різко збільшилася обчислювальна швидкість також буде сприяти розвитку кібербезпеки, оскільки експоненціально велика обчислювальна потужність квантових комп’ютерів дозволить їм протистояти навіть самим витончених методів злому, і це за допомогою квантового шифрування.

«Квантові обчислення безумовно будуть застосовуватися всюди, де ми використовуємо машинне навчання, хмарні обчислення, аналіз даних», говорить Кевін Карран, дослідник кібербезпеки в Університеті Ольстера. «В області безпеки це означає виявлення проникнення, пошук патернів в даних і більш складні форми паралельного обчислення».

Квантові комп’ютери зможуть передбачати «кроки» хакерів в мільйонах або мільярдах можливих ітераціях.

безмежний злом

Звичайно, з великою силою з’являється і велика відповідальність, і так само квантова міць, яка дозволить здійснювати квантове шифрування, також дозволить хакерами безпроблемно зламувати найскладніші методи безпеки, які забезпечуються щодо примітивними машинами.

Сьогодні найскладніші криптографічні методи, як правило, засновані на надзвичайно складних математичних завданнях. І хоча цих перешкод досить, щоб стримати більшість бінарних суперкомп’ютерів, квантовий комп’ютер зможе легко їх обійти. Здатність квантового комп’ютера знаходити закономірності в гігантських наборах даних з величезною швидкістю дозволить йому розраховувати величезні числа, в той час як звичайні комп’ютери будуть перебирати їх по одному за раз. З кубитами і квантової суперпозицією всі можливі варіанти будуть перевірятися одночасно.

Знадобилося майже два роки, щоб сотні комп’ютерів, що працюють одночасно, змогли розблокувати один приклад алгоритму RSA-768 (який мав два основні чинники і вимагав ключ довжиною сімсот шістдесят вісім бітів. Квантовий комп’ютер справиться з цим завданням за секунду.

Точні атомний годинник і виявлення об’єктів

Атомний годинник використовуються не тільки для щоденного відліку часу. Вони є важливим компонентом більшості сучасних технологій, включаючи GPS-системи та комунікаційні технології.

Зазвичай атомний годинник не вимагають тонкої настройки. Найточніші атомний годинник працюють, використовуючи коливання мікрохвиль, що випускаються електронами при зміні рівнів енергії. А атоми, які використовуються в годинах, майже охолоджуються для абсолютного нуля, що забезпечує тривалий час мікрохвильового зондування і більшу точність.

Новітні атомний годинник будуть використовувати сучасні квантові технології і незабаром стануть настільки точними, що їх будуть використовувати як надточні детектори об’єктів – вони зможуть відчувати найдрібніші зміни в гравітації, магнітних полях, електричних полях, русі, силі, температурі і інших явищах, які в природі коливаються в присутності речовини. Ці зміни будуть відображатися в змінах часу. (Не забувайте, що час, простір, речовина пов’язані між собою).

Це точно налаштоване виявлення допоможе в ідентифікації і видаленні підземних об’єктів, відстеження підводних човнів набагато нижче поверхні океану і навіть зробить навігацію і автоматичне водіння набагато точнішими, оскільки програмне забезпечення зможе краще розрізняти автомобілі та інші об’єкти.

фінансові ринки

У переплетеному світі фінансів, швидкість має першорядне значення. І дивно велика кількість проблем, з якими стикається фінансова галузь (багато з яких пов’язані з нестачею обчислювальної швидкості), залишаються невирішеними. Навіть найпотужніші звичайні комп’ютери, що використовують 0 і 1, не можуть хоча б приблизно спрогнозувати майбутні фінансові та економічні події, не кажучи вже про те, щоб вирішити найскладніші проблеми, пов’язані з ціноутворенням опціонів на швидко мінливому ринку.

Наприклад, багато опціони вимагають складних похідних, що залежать від різних факторів, що означає, що виплата опціону в кінцевому рахунку визначається шляхом зміни ціни базового активу. Спроба відобразити і передбачити всі можливі “шляхи” опціону занадто складна для сучасних машин. Однак, з огляду на свою швидкість і маневреність, квантові комп’ютери теоретично могли б ідентифікувати невірний цінової варіант опціону на акції і використовувати його для вигоди свого власника до того, як ринок зробить будь-які значимі дії.

Такого роду міць могла б, звичайно, завдати шкоди ринку і сильно підняти становище невеликих фірм, які володіють та управляють суперкомп’ютером – за рахунок окремих трейдерів і фірм, які можуть придбати такі технології.

Картування людського розуму

При всіх дивовижних досягнення, які мали місце в області нейронауки і свідомості за останні кілька десятиліть, учені до цих пір знають дивно мало про те, як працює свідомість. Але ми, втім, знаємо, що мозок людини – одна з найскладніших речей у відомій всесвіту, і щоб зрозуміти його повністю, необхідна обчислювальна сила нового типу.

Людський мозок складається з 86 мільярдів нейронів – клітин, які передають невеликі біти інформації за рахунок активації швидких електричних зарядів. І хоча електрична частина роботи мозку зрозуміла досить добре, сама свідомість залишається загадкою. «Завдання в тому», говорить нейробіолог Рафаель Юсте з Колумбійського університету, «щоб визначити, як фізична підкладка клітин, пов’язаних всередині цього органу, відноситься до нашого розумовому світу, нашим думкам, пам’яті, відчуттям».

І в спробі зрозуміти свідомість нейрофізіологи в значній мірі покладалися на аналогію з комп’ютером, оскільки мозок перетворює сенсорні дані і вводи у відносно передбачувані результати. І що може бути краще для розуміння роботи комп’ютера, ніж сам комп’ютер?

Доктор Кен Хейворт, невролог, який Картира мишачий мозок, вважає, що складання візуалізації повного мозку мухи займе приблизно один-два роки. Але та ж ідея зіставлення всього людського мозку буде просто нездійсненна без квантових обчислень.

Пошук далеких планет

Нікого не здивує, що квантове обчислення буде широко використовуватися в освоєнні космосу, що часто вимагає аналізу величезних наборів даних. Використовуючи квантові процесори, охолоджені до 20 міллікельвінов (близько до абсолютного нуля), інженери NASA планують використовувати квантові комп’ютери для вирішення найскладніших завдань оптимізації, пов’язаних з мільярдами даних.

Наприклад, вчені NASA зможуть використовувати крихітні коливання в квантових хвилях, щоб виявити дрібні, ледь помітні перепади тепла в невидимих ​​для нас зірках і, можливо, навіть чорних дір.

NASA вже використовує загальні принципи квантових обчислень для розробки безпечних і ефективних методів космічних подорожей – особливо коли справа доходить до відправки роботів в космос. NASA планує посилати роботизовані місії в космос приблизно за десять років, і серед його завдань стоїть використання квантової оптимізації для створення надточних інструментів прогнозування того, що може трапитися за час місії – щоб попередити будь-який можливий результат і створити план дій на кожен випадок.

Ретельніше і точне планування роботизованих місій також призведе до більш ефективного використання батарей, які виступають одним з основних обмежуючих факторів, коли справа доходить до роботизованих космічних місій.

генетика

Завершення проекту генома людини в 2003 році призвело до появи нової епохи в медицині. Завдяки глибокому розумінню генома людини, ми можемо адаптувати складні процедури спеціально під конкретні потреби людини.

Незважаючи на те, скільки ми вже знаємо про тонкощі людської ДНК, ми до сих пір разюче мало знаємо про білках, які кодує ДНК.

Додамо квантові розрахунки, які в теорії дозволять нам складати «карту білків» так само, як ми збираємо карту генів. По суті, квантові розрахунки також дозволять нам моделювати складні молекулярні взаємодії на атомному рівні, що стане безцінним, якщо говорити про розробку нових методів медичних досліджень і фармацевтики. Ми могли б змоделювати 20 000 білків і їх взаємодія з міріадами нових різних препаратів (навіть тих, що ще не винайдено) з бездоганною точністю. Аналіз цих взаємодій, знову ж за допомогою квантових обчислень і просунутих алгоритмів оптимізації, приведе нас до створення нових методів лікування поки невиліковних захворювань.

Швидкість квантового обчислень також дозволить нам аналізувати «квантові точки» – крихітні напівпровідникові нанокристали розміром в декілька нанометрів, які зараз використовуються на передовій для лікування і виявлення раку. Також квантові комп’ютери могли б виявляти мутації в ДНК, які поки здаються абсолютно випадковими, і їх зв’язок з квантовими флуктуаціями.

Матеріалознавство та інженерія

Чи варто говорити, що квантові обчислення вже привели до масивних наслідків для матеріалознавства та інженерії, з огляду на те, що квантові розрахунки найкраще підходять для відкриттів на атомному рівні.

Сила квантових обчислень дозволить використовувати всі більш складні моделі, які будуть відображати, як молекули збираються і кристалізуються з утворенням нових матеріалів. Такі відкриття, що ведуть до створення нових матеріалів, згодом приведуть до створення нових структур, що мають наслідки в сферах енергетики, боротьби з забрудненням та фармацевтичних препаратів.

«Коли інженер будує дамбу або аероплан, ця структура спершу проектується за допомогою комп’ютерів. Це надзвичайно складно виконати на молекулярному або атомарному масштабі », пояснює Грем Дей, професор хімічного моделювання в Університеті Саутгемптона. «Дуже складно проектувати на атомних масштабах з нуля і рівень невдачі в процесі виявлення нових матеріалів дуже високий. У міру того, як фізики і хіміки намагаються відкрити нові матеріали, вони часто відчувають себе в ролі мандрівників без надійної карти ».

Квантові обчислення зможуть забезпечити вельми «надійну карту», ​​дозволивши вченим імітувати і аналізувати атомні взаємодії з неймовірною точністю, що в свою чергу призведе до створення абсолютно нових і більш ефективних матеріалів – без проб і помилок, неминуче виникають при спробі побудувати нові матеріали в більш широкому масштабі. Це означає, що ми зможемо знайти і створити кращі надпровідники, більш потужні магніти, кращі джерела енергії та багато іншого.

Джерело

Не пропустіть:

2 thoughts on “10 неймовірних наслідків розвитку квантових технологій

  • 21.04.2017 at 8:51 pm
    Permalink

    Доброго часу доби.
    Стаття досить цікава, але на жаль її читанню заважає неякісний переклад.

    Reply
    • 21.04.2017 at 9:52 pm
      Permalink

      Доброго дня. Приносимо вибачення, будемо виправлятися.

      Reply

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Loading...
Код зоны: