Det talas mycket om kvantdatorer, ofta framhålls de som ett spännande område som kan revolutionera hur vi hanterar komplexa problem i diverse branscher. Båda dessa påståenden är sanna, då kvantberäkning representerar en helt ny metod för informationsbearbetning.
Organisationer över hela världen investerar betydande resurser i att utveckla kvantberäkningstekniker, med anledning av deras potential att analysera många olika möjligheter och erbjuda lösningar på komplexa problem som tidigare ansetts olösliga.
Vad är kvantberäkning?
Kvantberäkning är ett datavetenskapligt fält som grundar sig på kvantfysikens principer – läran om hur atomära partiklar existerar och interagerar. Denna vetenskap förklarar beteendet hos materia och energi på atom- och subatomnivå.
Kvantdatorer använder kvantbitar, eller qubits, som kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt. Denna unika egenskap möjliggör för kvantdatorer att hantera problem som skulle kräva en orimligt lång tid eller enorma beräkningsresurser från konventionella datorer.
Hur fungerar kvantberäkning?
Kvantberäkningar nyttjar qubits för att bygga kvantdatorer som består av kvantsystem, såsom fotoner och elektroner. Dessa system används för att utföra beräkningar som normalt skulle vara otänkbara för klassiska datorer. Kvantberäkningar använder sig av kvantlogiska grindar för att manipulera qubits och genomföra beräkningar.
Kvantgrindar kan liknas vid de logiska grindar som används i klassiska datorer, men de opererar på qubits. Forskare använder dessa grindar för att skapa och manipulera superpositioner och sammanflätning av qubits.
Målet är att öka beräkningskapaciteten och hantera komplexa problem som dagens klassiska datorer inte klarar av, på grund av deras binära tillvägagångssätt och begränsade existens i två tillstånd – 0 och 1. Kvantberäkning har däremot förmågan att anta båda tillstånden samtidigt.
Skillnaden mellan kvantberäkning och klassisk beräkning
De huvudsakliga skillnaderna mellan kvantberäkningar och klassisk beräkning ligger i deras beräkningsförmåga och grundläggande funktionssätt. Kvantberäkningen är baserad på kvantteori, medan klassisk beräkning grundar sig på binära siffror, eller bitar, som kan ha värdet 0 eller 1. Kvantdatorer använder sig av qubits som dataenhet. Kvantberäkningen kan anta båda värdena (0 och 1) samtidigt, en egenskap känd som superposition. Detta möjliggör för kvantdatorer att befinna sig i flera tillstånd samtidigt.
När det gäller processorkraft, har klassisk beräkning mindre förmåga än kvantberäkning, då dess kapacitet ökar linjärt med antalet tillgängliga transistorer. För kvantberäkning ökar processorkraften markant med antalet qubits.
Till skillnad från klassisk datoranvändning, som kan implementeras med kod skriven i programmeringsspråk som Java, SQL, PHP, C#, C++ och Python, kombinerar kvantberäkning kod, matematik, fysik och algoritmer för sitt specifika syfte.
På grund av sin komplexa arkitektur, sårbarhet och höga utvecklings- och implementeringskostnader skapas inte kvantdatorer för allmänt bruk. Istället designas de för specifika ändamål och användningsområden. Klassiska datorer är däremot allmänt förekommande och lättillgängliga.
Kvantdatorer har högre felmarginal än klassiska datorer och kräver extra försiktighet, såsom att de hålls i ett extremt kallt utrymme för att reglera värmen. Klassiska datorer fungerar däremot normalt i rumstemperatur.
Kvantberäkning lämpar sig för komplexa uppgifter som simulering, optimering, maskininlärning och andra resurskrävande operationer. Klassisk datoranvändning är bättre lämpad för uppgifter som ordbehandling, kalkylbladsberäkningar och andra mindre resurskrävande uppgifter.
Fördelar med kvantberäkning
Fördelarna med kvantberäkning är betydande när de tillämpas korrekt. Nedan följer några av de mest framträdande fördelarna:
- Hastighet: De kan bearbeta data tusentals gånger snabbare än konventionella datorer.
- Säkerhet: Algoritmerna kan användas för att stärka digital kryptering och skydda en organisations IT-infrastruktur.
- Förmåga att lösa komplexa problem: År 2019 påstod Google att deras Sycamore-processor, med 54 qubits, utförde en beräkning som skulle ta världens snabbaste superdator 10 000 år att slutföra på 200 sekunder.
- Förbättra bedrägeriupptäckt: Finansiella institutioner kan använda kvantdatorer för att skapa mer avancerade handelssimulatorer, utforma effektiva investeringsportföljer och förbättra bedrägeriupptäcken.
- Forskning: De hjälper forskare att utveckla bättre modeller och metoder för att hantera problem inom olika branscher, till exempel läkemedelsforskning inom hälso- och sjukvården och kemiska upptäckter inom tillverkningsindustrin.
Funktioner i kvantberäkning
Här följer några av de centrala funktionerna inom kvantberäkning.
Superposition
Förmågan för kvantsystem att befinna sig i flera tillstånd samtidigt kallas superposition. Klassiska datorer kan endast befinna sig i ett tillstånd i taget (0 eller 1), vilket innebär att de saknar förmågan till superposition.
Sammanflätning
Sammanflätning uppstår när två qubits är länkade till varandra, så att tillståndet hos den ena partikeln påverkar den andra, även om de befinner sig på stort avstånd från varandra. Detta används ofta för att skapa ett kvantnätverk, som gör att kvantdatorer kan dela information.
Interferens är en följd av superposition i kvantsystem. Det är ett vågfenomen som uppstår när subatomära partiklar interagerar och påverkar varandra.
Interferens kan vara antingen konstruktiv (när vågorna förstärker varandra, eller förstärker rätt svar) eller destruktiv (när de utjämnar varandra).
Dekoherens
Kvantsystem är känsliga för sin omgivning, och störningar kan leda till att qubits förlorar sina kvantförmågor. Till exempel kan brus leda till att qubits lämnar superpositionstillståndet. Även temperaturförändringar kan påverka prestandan. Det är därför det är nödvändigt att hålla dem i en mycket reglerad och kontrollerad miljö.
Begränsningar och utmaningar för kvantberäkning
Även om kvantberäkning erbjuder många fördelar, finns det även nackdelar att beakta:
- Dekoherens: Till skillnad från klassiska datorer är kvantdatorer känsliga för brus. Störningar kan leda till att de förlorar sin superposition innan de kan slutföra uppgifterna.
- Kräver specialister: På grund av komplexiteten krävs en mångsidig grupp av kvantspecialister.
- Kvantfelkorrigering: Fel kan uppstå under beräkningsoperationer, vilket leder till osäkra resultat. Ett feltolerant kvantsystem är nödvändigt för att motstå störningar från omgivningen.
Verkliga tillämpningar och användningar av kvantdatorer
#1. Finansiell modellering
Finansmarknaden är volatil och svårförutsägbar. Med hjälp av kvantberäkning kan finansinstitut simulera finansiella system och använda tekniken för att modellera investeringar baserat på förväntad avkastning.
Kvantdatorer kan också användas för portföljoptimering, riskminimering och hantering samt prissättning av optioner. Aktörer som utför transaktioner i stora volymer kan använda kvantberäkningar för att förutse marknader och analysera den globala finansvärlden.
#2. Logistikoptimering
Kvantdatorer är utmärkta för att samla in realtidsdata för att optimera logistik, lager och transporter i leveranskedjan. Organisationer behöver kontinuerligt beräkna och omräkna optimala rutter för trafikledning, flygflottor, flygledning, frakt och distribution – vilket är möjligt med klassisk datoranvändning.
Men för stora organisationer med komplexa behov i leveranskedjan kan denna process bli mycket resurskrävande, och det är här kvantdatorer kan hjälpa till.
#3. Bättre batterier
I takt med att elbilar blir allt vanligare i samhället, använder tillverkare kvantberäkningskapacitet för att simulera hur molekyler och material beter sig, samt förstå litiumföreningar och batterikemi, för att optimera batteriernas livslängd.
Utöver elbilar har kvantdatorer också tillämpningar inom förnybar energilagring och mobila enheter.
#4. Tillverkning
Kvantberäkning används för att förbättra många aspekter av tillverkningen. En expertanalys från IBM Institute for Business Value delade in användningsområden för kvantdatorer i fyra kategorier:
Upptäckt
- Kemi
- Materialvetenskap
- Fysik för kondenserad materia
Design
- Analys av finita differenser
- Strukturanalys Hydro/aerodynamik
Kontrollera
- Optimering
- Maskininlärning
- Klassificering
Tillförsel
- Leveranskedja
- Optimering
- Riskmodellering
Företag som använder kvantberäkning inom dessa områden kommer att uppnå en betydande fördel, eftersom det kommer att bidra till att minska tillverkningskostnaderna och öka produktionstakten.
#5. Utveckling av klimatmodeller
Kvantberäkning kan bidra till att lösa hållbarhetsrelaterade problem, såsom klimatförändringar. Enligt rapporten från Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) måste utsläppen av växthusgaser minska kraftigt före 2025 för att undvika stora klimatkatastrofer. Kvantberäkning kan användas för att minska klimatpåverkan.
Ammoniakproduktion bidrar med 1–2 % av de globala koldioxidutsläppen. Kvantberäkningar kan hjälpa till att utveckla renare energi, till exempel bättre batterier för elbilar och förbättrad solenergi, för att påskynda övergången till en koldioxidfri värld. De kan också bidra till att förbättra klimat- och väderprognoser, samt nätförvaltningen.
#6. Bilindustrin
Bilindustrin anammar snabbt kvantdatorteknik, vilket framgår av samarbeten mellan kvantdatorföretag och biltillverkare, till exempel D-Wave Systems och Volkswagen, Zapata Computing och Bosch samt IBM Quantum och Mercedes-Benz.
Biltillverkare vill dra nytta av kvantberäkningar för ruttoptimering och förbättra materialens hållbarhet.
#7. Flygplansutveckling
Flygbolag kan använda kvantberäkningar för en mängd olika processer, från optimering av ruttplaner till flygplansmodellering och digitalisering. Airbus, ett flygbolag som designar, tillverkar och säljer kommersiella flygplan, har investerat i IonQ, Q-CTRL och QC Ware för att använda kvantteknik för att utveckla mer avancerade flygplansmodeller.
#8. Läkemedelsutveckling
Klassiska datorer används i dagsläget för att köra hundratals miljoner molekylära simuleringar, men det finns en gräns för hur stora molekyler de kan beräkna. Kvantberäkning möjliggör forskning och utveckling som kan simulera stora och komplexa molekyler, vilket i sin tur kan förbättra datorstödd läkemedelsupptäckt (CADD).
McKinsey & Company rapporterade 2021 att läkemedelsbolag spenderar cirka 15 % av sin försäljning på forskning och utveckling, vilket står för över 20 % av de totala utgifterna på forskning och utveckling inom alla industrier världen över.
Dessa investeringar hjälper läkemedelsindustrin att hitta effektiva sätt att utveckla mikro- och makromolekyler för att bota sjukdomar. Med kvantberäkning kan forskare påskynda utvecklingen av läkemedel med större sannolikhet att lyckas.
#9. Maskininlärning
Kvantdatorernas förmåga att bearbeta stora och komplexa datamängder gör dem lämpliga för maskininlärning. Kvantmaskininlärning är ett studieområde som integrerar kvantalgoritmer med maskininlärningsprogram.
Kvantalgoritmer kan ha en polynom eller superpolynom (exponentiell) hastighet, vilket ökar beräkningshastigheten. Med kvantmaskininlärning kan datautövare utveckla snabbare och mer avancerade algoritmer, hantera komplexa datamönster och påskynda utvecklingen av datorseendeapplikationer och förstärkningsinlärning.
Lärresurser: Kvantberäkning
För ytterligare studier rekommenderar vi följande resurser.
#1. Dansa med Qubits
Den här boken är skriven av Robert S. Sutor och förklarar hur kvantberäkning fungerar och hur den tillämpas inom vetenskaplig beräkning och AI. ”Dancing with Qubits” tar upp skillnaderna mellan klassisk och kvantberäkning och beskriver dess användningsområden i olika branscher.
Läsarna får även lära sig om begrepp som superposition, sammanflätning och interferens, samt kretsar och algoritmer. Denna bok ger en grundläggande introduktion till kvantberäkning.
#2. Quantum Computing: En tillämpad metod
Denna bok är skriven av VD:n för SandboxAQ, Jack D. Hidary, ett företag inom kvantteknik. Materialet kombinerar teorin och det praktiska med kvantberäkning, inklusive praktisk kod.
Boken är uppdelad i tre delar. Den första delen täcker grunderna i kvantberäkning och kvantkretsar. Den andra delen förklarar kvantberäkningsalgoritmer och innehåller kod om aktuella kvantberäkningsmetoder. Den tredje delen tar upp de matematiska aspekterna av kvantberäkning.
#3. Quantum Computing för alla
Nybörjare som söker ett allomfattande material kommer att finna den här resursen användbar. Den täcker grunderna i kvantberäkning och beskriver viktiga komponenter som qubits, sammanflätning och kvantteleportering.
Bokens författare, Chris Bernhardt, förenklar matematiken bakom kvantdatorer och förklarar hur kvantdatorer är uppbyggda, vilket gör det lättare för nybörjare att förstå utvecklingen av systemen.
Slutsats
Företag som Google, IBM och Microsoft leder innovationen av kvantberäkningslösningar, och universiteten ligger inte långt efter. Bristen på kvantdatorspecialister bidrar till de långsamma framstegen. Dessutom är kostnaden för att bygga en kvantdator hög, och få organisationer har de resurser som krävs för att göra detta.
Även om kvantberäkning är lovande, är den ännu inte färdigutvecklad. Det kommer att ta några år innan den når sin fulla potential och blir lika vardaglig som klassiska datorer.
Du kan också läsa om Fog Computing.