10 otroliga konsekvenser av kvantteknik

Samförståndet inom det vetenskapliga samfundet är att den första helt funktionella kvantdatorn kommer att vara klar i ungefär tio år - en händelse som är så stor att många experter ringer till nedräkning till Y2Q: "år till kvant".

De flesta som åtminstone något förtrogen med de grundläggande idéerna för kvantmekanik identifierar fältet med en allmän "konstighet" som även de mest erfarna kvantfysikerna finner förvirrande. Sinnet boggles med visioner av människor som går genom väggar, tidsresor och allmänt osäkerhet som hotar att riva upp våra mest ingreppade uppfattningar om sanning och verklighet. Standardmätningar blir meningslösa.

Med tanke på den enorma potentiella kraften i kvanttekniken borde det helt klart säga att de som har denna teknik i framtiden kommer att ha en stor fördel gentemot dem som inte befinner sig i politik, finans, säkerhet och mer. Företag som Amazon, Microsoft och Intel är angelägna om att genomföra "kvantsäker kryptering", eftersom dessa företag (förutom nationella regeringar) är oroliga för att hackare som utnyttjar kvantkraft kan stava företagets undergång.

Och eftersom vi med stor säkerhet kan säga att kvantkalkylering snart kommer att stanna, är det värt att förstå vad det här innebär för framtiden, och vilka otroliga nya (och ibland skrämmande) möjligheter som kvantteknik kommer att ge.

Här är tio otroliga konsekvenser av kvantteknik.

10 En exponentiell ökning i beräkningshastigheten

Först en (mycket) kort introduktion: Datorn där du läser detta fungerar på samma grundläggande teknik som praktiskt taget alla datorer i världen använder för närvarande. Det är en ändlig, binär värld, där data kodas till bitar, vanligen refererade till som 0s eller 1s-som endast kan existera i en av två ändliga tillstånd (på eller av). Kvantberäkning använder å andra sidan "qubits", som kan existera i ett praktiskt taget gränslöst antal tillstånd samtidigt. (Generellt, n qubits kan existera i 2 ^n olika tillstånd samtidigt.)

Om en "vanlig" dator matas i en sekvens av trettio och 1 s finns det ungefär en miljard möjliga värden för den sekvensen och en dator med regelbundna bitar måste gå igenom varje kombination individuellt, vilket kräver mycket tid och minne . En kvantdator skulle däremot kunna "se" alla en miljard sekvenser samtidigt - drastiskt reducera beräkningstid och -ansträngning.

Faktum är att kvantdatorer kan slutföra på några sekunder beräkningar som skulle ta dagens bästa superdatorer tusentals år.

9Discovering av nya och mer effektiva droger

DNA-sekvensering kom tack delvis till kraftiga ökningar i beräkningskraft, vilket förutses av Moores lag. Nu ska vi gå in i en helt ny era av vård tack vare kvantberäkning.

Även om det finns ett förvånansvärt stort antal imponerande läkemedel på marknaden, är den hastighet som de kan produceras, liksom deras effektivitet vid behandling av specifika sjukdomar, förvånansvärt begränsad. Även med senaste ökningar i hastighet och noggrannhet är dessa vinster rent inkrementella på grund av begränsningarna hos vanliga datorer.

Med en organism som är komplex som människokroppen finns det otaliga sätt på vilka ett läkemedel kan reagera på sin miljö. Lägg till det gränsvärdet av den genetiska mångfalden på molekylär nivå, och potentiella resultat för icke-specifika läkemedelsbehandlingar höjs i miljarderna.

Endast kvantdatorer kommer att ha möjlighet att undersöka alla möjliga scenarier när det gäller läkemedelsinteraktion och presentera inte bara den bästa möjliga handlingsplanen utan också en individs chans att lyckas med ett visst läkemedel genom en kombination av mer exakt och fördjupad DNA-sekvensering och en mer noggrann förståelse av proteinvikning.

Dessa samma innovationer - särskilt när det gäller proteinveckning - kommer också oundvikligen att leda till en bättre förståelse av hur livet fungerar i allmänhet, vilket senare leder till långt mer exakta behandlingar, bättre droger och bättre resultat.

8Limitless Security

Förutom att underlätta stora språng framåt i medicin ger kvantteknik också möjligheten till praktiskt taget oföränderliga säkerhetsbarriärer för internet och super säker fjärrkommunikation.

Inom quantumknivhetens värld finns ett fenomen som kallas "quantum entanglement", där två eller flera partiklar är mystiskt anslutna, oberoende av det medium som finns mellan dem och utan någon identifierbar signalering. Det här är vad Einstein berömt kallat "spooky action på avstånd". Och eftersom det inte finns något konkret medium genom vilket dessa två partiklar kommunicerar, skulle signaler kodade med förtrasslade partiklar vara omöjliga att avlyssna. Vetenskapen som behövs för denna teknik är fortfarande underutvecklad; Sådan kommunikation skulle emellertid få en enorm inverkan på privat och nationell säkerhet.

En drastiskt ökad beräkningshastighet skulle också ge en hand till ökad cybersäkerhet, eftersom den exponentiellt större bearbetningskraften hos kvantdatorer kommer att tillåta dem att klara sig även de mest sofistikerade hackingsmetoderna genom kvantkryptering. "Quantum computing kommer definitivt att tillämpas överallt där vi använder maskininlärning, cloud computing, data analys", säger Kevin Curran, en cybersecurityforskare vid Ulster University."I säkerhet som [innebär] intrångsdetektering, letar efter mönster i data och mer sofistikerade former av parallell databehandling." Kvantumdatorer skulle i huvudsak kunna förutse "hackdatorens" rörelser med miljontals möjliga miljarder steg ett huvud.

7Limitless Hacking

Självklart kommer med stor makt stort ansvar och samma kvantmakt som tillåter kryptering till nya höjder kan potentiellt tillåta hackare att enkelt eliminera de mest utarbetade säkerhetsåtgärder som införts av relativt primitiva maskiner.

Dagens mest utarbetade kryptografiska tekniker tenderar att vara baserade på utomordentligt svåra matematiska problem. Och medan dessa problem är tillräckliga för att avskräcka de flesta binära superdatorer, skulle de lätt kunna knäckas av en kvantdator. En kvantdatorns förmåga att hitta mönster i enorma dataset med otrolig hastighet kommer att göra det möjligt för dem att faktumera stora antal (en prestation som kanske är den största barriären för hackare), som dagens datorer bara kan göra genom att försöka alternativ efter alternativ tills en "passar. "Med qubits och quantum superposition skulle alla möjliga alternativ kunna testas samtidigt.

Det tog faktiskt ungefär två år och hundratals datorer arbetar samtidigt för att låsa upp en enda instans av RSA-768-algoritmen (som har två huvudfaktorer och kräver en nyckel som är sjuhundra och åtta åtta bitar långa). En kvantdator skulle kunna fullborda samma uppgift i en bråkdel av en sekund.

6Finjusterade atomklockor och objektdetektering

Atomklockor används inte bara för att hjälpa till med daglig tidsåtgång. De är viktiga komponenter i mycket av dagens teknik, inklusive GPS-system och kommunikationsteknik.

Man tänker vanligtvis inte på atomklockor som behöver mer finjustering. De mest exakta atomklockorna fungerar genom att använda oscillationerna av mikrovågor som emitteras av elektroner när de ändrar energinivåerna. Och de atomer som används i klockorna kyles nästan hela vägen till absolut noll, vilket möjliggör längre mikrovågssond-tider och därmed mer noggrannhet.

Nyare atomklockor som utnyttjar modern kvantteknologi kommer emellertid att vara så exakta att de kommer att kunna användas som ultrakompakta objektdetektorer som känner av små förändringar i gravitation, magnetfält, elektriska fält, kraft, rörelse, temperatur och andra fenomen som naturligt fluktuerar i närvaro av materia. Dessa förändringar skulle då återspeglas av tidsförändringar. (Minns att utrymme, materia och tid är oupplösligt anslutna.)

Denna finjusterade detektion hjälper till att identifiera och avlägsna underjordiska objekt, spåra ubåtar långt under havets yta, och skulle till och med göra navigering och automatisk körning mycket mer exakt eftersom programvara skulle kunna skilja bättre mellan bilar och andra objekt.

Som David Delpy säger ledaren för försvarsvetenskapliga rådgivande rådet i Storbritanniens försvarsdepartement: "Du kan inte skydda gravitationen."

5Finansiella marknader

I den sammanlänkade finansvärlden är hastighet av yttersta vikt. Och ett överraskande stort antal problem som den finansiella industrin står inför (många av dem som beror på brist på beräkningshastighet) förblir olösliga. Även den mest kraftfulla "vanliga" datorn med 0s och 1s kan inte ens förutse framtida ekonomiska och ekonomiska händelser och kan inte lösa mycket komplexa problem som har att göra med optionsprissättning på en snabbt växande och utvecklande marknad.

Till exempel kräver många aktieoptioner komplexa derivat som är beroende av banan, vilket betyder att optionsutbetalningen i slutändan bestäms av vägen för den underliggande tillgångens pris. Att försöka kartlägga och förutse varje möjlig "väg" för ett alternativ är alldeles för överväldigande av en uppgift för dagens maskiner. Med tanke på deras snabbhet och smidighet skulle kvantdatorer dock teoretiskt kunna identifiera ett inkorrekt aktieoption och utnyttja det för ägarens vinst innan marknaden förändras på något meningsfullt sätt.

Denna typ av makt kan naturligtvis utgöra förödelse på marknaden och starkt skryta fördel mot minoriteten av företag som äger och driver superdatorer på bekostnad av enskilda näringsidkare och företag som inte kan köpa sådan teknik.

4Mapping the Human Mind

För alla de fantastiska framsteg som har ägt rum inom neurovetenskap och kognition under de senaste decennierna, vet forskarna fortfarande mycket lite om hur sinnet fungerar. En sak vi vet är emellertid att människans hjärna är en av de mest komplexa enheterna i det kända universum, och att för att verkligen förstå allt det kan erbjuda, kommer det att krävas en ny typ av beräkningskraft.

Den mänskliga hjärnan består av cirka 86 miljarder neuroner-celler som kommunicerar små bitar av information genom att avfyra snabba elektriska laddningar. Och medan den elektriska grunden av den mänskliga hjärnan är ganska väl förstådd, är sinnet ett mysterium. "Utmaningen," säger neurobiologen Prof Rafael Yuste från Columbia University, "är precis hur man ska gå från ett fysiskt substrat av celler som är kopplade inuti detta organ, till vår mentala värld, våra tankar, våra minnen, våra känslor".

Och i deras försök att förstå sinnet har neurovetenskaparna starkt åberopat en analogs analogi, eftersom hjärnan förvandlar sensoriska data och ingångar till relativt förutsägbara utgångar. Och vilket bättre sätt att förstå hur en dator fungerar än med en dator?

För doktor Ken Hayworth, en neuroscientist som kartlägger muskelhjärnans slår "för att bilda en hel flyghjärna kommer det att ta oss ungefär ett till två år.Tanken att kartlägga en hel mänsklig hjärna med den befintliga teknologin som vi har idag är helt enkelt omöjlig "utan kvantumberäknings kraft.

3Discovering Distant Planets

Det borde inte vara någon överraskning att kvanträkning kommer att vara väldigt användbar när det gäller rymdutforskning, vilket ofta kräver analys av enorma dataset. Med hjälp av kvantprocessorer som kyls till 20 millikelvin (nära absolut noll) planerar NASA-ingenjörer att använda kvantdator för att lösa mycket komplexa optimeringsproblem som involverar miljarder data bitar.

Till exempel kommer NASA-forskare att kunna dra nytta av små fluktuationer i kvantvågor för att upptäcka minuta avlägsna värmeskillnader som emitteras av annars osynliga startar, och kanske även svarta hål.

NASA använder redan de allmänna principerna för kvantdator för att utveckla säkrare och effektivare metoder för rymdresor, särskilt när det gäller att skicka robotar till rymden. NASA tenderar att planera sina robotuppdrag i rymden ungefär tio år i förväg, och deras mål är att använda kvantoptimering för att skapa en super exakt prognos om vad som kommer att hända under uppdraget för att förutse alla möjliga resultat och sedan skapa beredskapsplaner för var och en (igen, med hjälp av optimeringsstrategier).

Mer noggrann och exakt planering av robotuppdrag kommer också att leda till effektivare batterianvändning, vilket är en av de största begränsningsfaktorerna när det gäller robotutrymmen.

2Genetics

Slutförandet av Human Genome Project 2003 gav fram en ny era i medicin. Tack vare en grundlig förståelse av det mänskliga genomet kan vi skräddarsy komplexa behandlingar specifikt för en persons specifika behov.

Trots hur mycket vi vet om intricaciesna av mänskligt DNA, vet vi fortfarande överraskande lite om proteinkodema för.

Ange kvantberäkning, som i teorin tillåter oss att "kartlägga proteiner" på samma sätt som vi kartlägger gener. Faktum är att kvantkalkylering också tillåter oss att modellera komplexa molekylära interaktioner på atomnivå, vilket kommer att vara ovärderligt när det gäller banbrytande ny medicinsk forskning och läkemedel. Vi kommer att kunna modellera över 20 000 proteiner och simulera deras interaktioner med en mängd olika läkemedel (till och med läkemedel som inte har uppfunnits än) med noggrannhet. Analys av dessa interaktioner (igen med hjälp av kvanträkning och avancerade optimeringsalgoritmer) kommer sannolikt att leda oss till nya botemedel för nuvarande obotliga sjukdomar.

Snabbdomshastigheten kommer också att hjälpa till vid användning och analys av "quantum dots" -tiny halvledar nanokristaller endast några få nanometer i längd som för närvarande används vid framkanten av upptäckt och behandling av cancer.

Kvantumdatorer kan dessutom bestämma om mutationer i DNA som för närvarande antas vara helt slumpmässiga faktiskt händer på grund av kvantfluktuationer.

1 Materialvetenskap och teknik

Det borde vara självklart att kvantkalkylering har enorma konsekvenser för materialvetenskap och teknik eftersom kvantkalkylens kraft är bäst lämpad för nya upptäckter på atomnivå.

Kvantumberäkningen kommer att möjliggöra utnyttjandet av alltmer sofistikerade modeller som kartlägger hur molekyler samlas och kristalliserar för att bilda nya material. Sådana upptäckter som leder till skapandet av nya material leder senare till skapandet av nya strukturer, med konsekvenser i energisektorn, föroreningsbekämpning och läkemedel.

"När en ingenjör bygger en damm eller ett flygplan, är strukturen först konstruerad med hjälp av datorer. Det här är extremt svårt på molekyler eller atomer, som ofta monteras på icke-intuitiva sätt ", förklarar Graeme Day, en professor i kemisk modellering vid University of Southampton. "Det är svårt att designa på atomskala från början och felet i ny material upptäckt är hög. Som kemister och fysiker försöker upptäcka nya material känner vi oss ofta som upptäckare utan tillförlitliga kartor. "

Kvantberäkning kommer att ge en mycket mer "tillförlitlig karta" genom att låta forskare simulera och analysera atomväxlingar med otrolig precision, vilket i sin tur skulle leda till att helt nya och effektivare material skapas - utan det försök och fel som oundvikligen kommer med försöker bygga nya material i större skala. Det betyder att vi kommer att kunna hitta och skapa bättre superledare, kraftfullare magneter, bättre energikällor och mycket mer.