Grundläggande och aktuell status för kvantdatorer.
Kvantberäkningar har gjort enorma framsteg under de senaste åren och ligger i teknikens framkant. I den här artikeln beskrivs de senaste genombrotten inom kvantdatorer och deras inverkan.
Vad är en kvantdator?
Kvantdatorer bygger på en fundamentalt annorlunda beräkningsprincip än konventionella datorer. Kvantdatorer är en toppmodern teknik som förväntas visa stor potential inom artificiell intelligens (AI), storskalig dataanalys och vid lösning av optimeringsproblem. Medan konventionella datorer bearbetar information med hjälp av bitar med ett värde på antingen 0 eller 1, använder kvantdatorer kvantmekaniska enheter som kallas qubits, som kan anta både 0- och 1-tillstånd samtidigt. Denna superposition av tillstånd gör att n qubits kan bearbeta n tillstånd till den n:te potensen av 2 samtidigt, vilket innebär att beräkningar som skulle ta tusentals år med en konventionell dator teoretiskt sett skulle kunna lösas på några sekunder. Ett system med 100 qubits skulle till exempel ha beräkningskraft nog att samtidigt bearbeta 100 tillstånd i potensen 2, vilket är mer än antalet atomer på jorden.
Förutom superposition använder kvantdatorer sig av ett annat viktigt kvantmekaniskt fenomen som kallas sammanflätning. Sammanflätning är ett fenomen där flera qubits är starkt korrelerade med varandra och påverkar varandra även om de befinner sig långt ifrån varandra. Genom att kombinera superposition och sammanflätning har kvantdatorer potential att på ett effektivt sätt lösa komplexa problem som är omöjliga med konventionella datorer.
Aktuella tekniska framsteg.
Under de senaste åren har anmärkningsvärda framsteg gjorts inom forskning och utveckling av kvantdatorer, och framför allt har ett antal storskaliga projekt för praktisk tillämpning av kvantteknik genomförts i samarbete mellan forskningsinstitutioner, framför allt universitet, och industrin. Kvantdatorernas prestanda har också förbättrats dramatiskt genom utvecklingen av tekniker som supraledande kvantbitar, kvantbitar med jonfångare och kvantbitar med neutrala atomer. Var och en av dessa teknologier använder sig av olika tillvägagångssätt och har sina egna styrkor och svagheter.
Innovationer inom supraledande qubits.
Supraledande qubits är en teknik som använder supraledande kretsar för att realisera qubits; den metod som används av IBM och Google möjliggör relativt långa koherenstider (den tid under vilken ett kvanttillstånd upprätthålls) på tiotals mikrosekunder, vilket gör det möjligt att utföra komplexa kvantalgoritmer. Å andra sidan utmanas supraledande qubits av behovet av att arbeta i kryogena miljöer nära den absoluta nollpunkten (cirka -273°C).
Exakt kontroll av jonfällsystemet.
Ion-trapped qubits är en teknik som använder joner fångade av laserljus för att realisera qubits. Jonfångade qubits har fördelen av längre koherenstider och mer exakt kontroll än supraledande qubits. Å andra sidan är joninfångade qubits mer komplexa att tillverka än supraledande qubits och har problem med skalbarheten (att öka antalet qubits).
Fördelar med neutrala atomära qubits.
Neutral-atom qubits är en teknik som använder neutrala atomer som fångas av laserljus för att realisera qubits. Jämfört med andra qubit-tekniker har neutrala atomqubits fördelen att de är mindre känsliga för brus och har högre skalbarhet. Å andra sidan är neutrala atomqubits svåra att kontrollera och har relativt korta koherenstider.
Huvudaktörer.
Tävlingen om att utveckla kvantdatorer pågår mellan företag och forskningsinstitut runt om i världen, där ledande företag som IBM, Google, Microsoft, Amazon och Intel alla utvecklar sina egna kvantdatortekniker och erbjuder dem som molntjänster. Dessa företag investerar kraftigt i forskning och utveckling av kvantdatorer för att påskynda innovationen.
IBM har t.ex. utvecklat kvantdatorn IBMQuantum med hjälp av supraledande qubit-teknik och erbjuder den som en molntjänst; Google har utvecklat kvantdatorn Sycamore med hjälp av supraledande qubit-teknik och har aviserat en demonstration av "kvanttranscendens" under 2019 Microsoft utvecklar en ny typ av kvantdator som kallas topologisk kvantberäkning; Amazon erbjuder en kvantberäkningstjänst som kallas AmazonBraket; Intel forskar och utvecklar kiselqubitteknik. Företaget bedriver forskning och utveckling inom kiselqubitteknik.
Kvantfelskorrigering och genombrott
Betydelsen av kvantfelkorrigering
Felkorrigering är en viktig teknik för att förbättra noggrannheten i kvantberäkningar. Kvantbitar är extremt ömtåliga och känsliga för externt brus och värme, vilket gör dem benägna att begå fel under beräkningen. Kvantfel försämrar avsevärt noggrannheten i beräkningsresultaten, så teknik för att effektivt korrigera dessa fel är avgörande för att förverkliga praktiska kvantdatorer.
Senaste genombrotten.
Under de senaste åren har anmärkningsvärda framsteg gjorts inom forskning och utveckling av kvantfelkorrigeringstekniker, och flera viktiga genombrott har uppnåtts. Till exempel har en ny felkorrigeringsteknik som kallas topologisk kvantberäkning utvecklats, vilket förväntas leda till kvantdatorer med högre feltolerans än konventionella tekniker. Topologisk kvantberäkning är en teknik som gör kvantbitar mindre känsliga för fel genom att konstruera dem av material med topologiska egenskaper.
Att öka antalet qubits är också viktigt för att förbättra prestandan hos kvantdatorer, men ett ökat antal qubits ökar också sannolikheten för fel. För att lösa detta problem har nya kvantfelkorrigerande koder utvecklats för att effektivt hantera ett större antal qubits. Dessa felkorrigerande koder kombinerar flera fysiska qubits till en enda logisk qubit, vilket minskar sannolikheten för fel.
Framtida förväntningar.
Med utvecklingen av tekniken för kvantfelkorrigering förväntas stabila kvantdatorer för användare i framtiden. Kvantdatorer förväntas leda till innovationer inom en rad olika områden, bland annat medicin, finans, materialvetenskap, energi och läkemedelsupptäckt, genom att möjliggöra beräkningar som är omöjliga med konventionella datorer.
Kvantdatorer har t.ex. potential att få en betydande inverkan på samhället genom att möjliggöra beräkningar som är omöjliga med konventionella datorer, t.ex. utveckling av nya läkemedel, design av nya material, förutsägelser av finansmarknader, dechiffrering av koder, lösning av komplexa optimeringsproblem och kvantsimuleringar.
Potentialen hos optiska kvantdatorer.
Fördelar med ljuskvantteknik
Optiska kvantdatorer är en ny typ av kvantdatorer som använder ljusets kvantnatur för att utföra beräkningar. Fotoner är den minsta enheten av elektromagnetisk strålning och har ingen massa, vilket gör att de genererar fler fel än konventionella qubits Fotoner är också lämpliga för distribuerade kvantdatorer, eftersom de kan färdas långa sträckor i optiska kommunikationsnätverk som fiberoptik.
Relevant forskning och utveckling
Forskningen kring optiska kvantdatorer bedrivs med stor omsorg och utvecklas över hela världen. Framför allt är utvecklingen av tekniker för generering, styrning och detektering av ljus en nyckelfråga. Fotongenerering och teknik baserad på ljuseffekten och fotongenerering med hjälp av kvantprickar håller på att utvecklas. Dessutom har fotonkontrollteknik utvecklats, t.ex. fotonkontrollteknik som använder interferens och inversion av ljusvågor och fotonkontrollteknik som använder optiska fibrer. Inom ljusdetekteringstekniken har teknik som supraledande detektorer och enfotondetektorer utvecklats.
Vägen till kommersialisering
Förhoppningen är att optiska kvantdatorer i framtiden ska finnas tillgängliga till ett pris som är överkomligt för den genomsnittlige konsumenten. Optiska kvantdatorer har potential att revolutionera allt från medicin och finans till materialvetenskap och energi genom att möjliggöra beräkningar som är omöjliga med konventionella datorer. Optiska kvantdatorer har till exempel potential att ha en betydande inverkan på samhället genom att möjliggöra beräkningar som är omöjliga med konventionella datorer, till exempel att utveckla nya läkemedel, designa nya material, förutsäga finansmarknader, dechiffrera koder och lösa komplexa optimeringsproblem.
Forskning om och tillämpningar av kvantmaterial.
Egenskaper hos kvantmaterial
Kvantmaterial är material som på grund av kvantmekaniska effekter uppvisar andra egenskaper än konventionella material. Till exempel är supraledande material material med noll elektriskt motstånd, en teknik som man arbetar med för att utveckla kvantdatorer. Ett annat material, en s.k. topologisk isolator, har den unika egenskapen att ström flyter på ytan men inte inuti, och förväntas användas vid utvecklingen av kvantdatorer och nästa generations elektroniska apparater. Topologiska isolatorer hjälper till att skydda kvantbitar.
Tillämpning på innovativ teknik
Kvantmaterial har potentiella tillämpningar inom en rad olika områden, bland annat medicin, säkerhet och energi. Kvantmaterial skulle t.ex. kunna användas för att utveckla nya läkemedel, designa nya material, utveckla högeffektiva solceller och utveckla nästa generations säkerhetssystem. Kvantmaterial har potential att ha en betydande inverkan på samhället genom att möjliggöra funktioner som inte kan uppnås med konventionella material.
Betydelsen av globalt samarbete.
Forskningen om kvantmaterial bedrivs genom internationellt samarbete och delning av resultat. Forskning om kvantmaterial bedrivs av forskare från ett brett spektrum av discipliner, från grundvetenskap till tillämpad vetenskap. Det är viktigt att forskningen effektiviseras genom att samarbete etableras och forskningsresultat delas. Eftersom forskning om kvantmaterial har potential att ha en betydande inverkan på samhället är det dessutom nödvändigt att främja diskussionen om frågor som etik.
Framtiden för kvantdatorer
Framtidsutsikter för nästa generations teknik
Kvantdatorer erbjuder ytterligare möjligheter till integration med andra tekniker i nästa generation.
Kvantdatorer som integrerar den senaste AI-tekniken förväntas t.ex. göra det möjligt att upptäcka nya insikter och lösa komplexa problem i stora datamängder. De förväntas också möjliggöra mer avancerade tekniska innovationer genom att kopplas samman med teknik som artificiell intelligens, analys av stora datamängder, sakernas internet och blockkedjor.
Kvantdatorer har potential att dramatiskt utveckla dessa tekniker och förväntas ha en betydande inverkan på samhället.
Påverkan på samhället
Många utmaningar återstår innan samhället som helhet kan dra nytta av kvantdatorernas fördelar. Kvantdatorer fungerar enligt en annan mekanism än konventionella datorer, vilket kräver utveckling av nya programmeringsspråk och mjukvara för att hantera kvantdatorer. Dessutom är utvecklingen av kvantdatorer dyr, så det krävs kostnadsbesparingar innan de kan göras tillgängliga för alla. Kvantdatorer kan också skapa nya säkerhets- och integritetsutmaningar.
Framtida förväntningar och utmaningar
Genom framtida forskning och utveckling förväntas användningen av kvantdatorer öka. Kvantdatorer har potential att leda till innovationer inom olika områden, t.ex. medicin, finans, materialvetenskap, energi och läkemedelsupptäckt, genom att möjliggöra beräkningar som är omöjliga med konventionella datorer. Det återstår dock många utmaningar när det gäller den praktiska tillämpningen av kvantdatorer. Olika utmaningar måste övervinnas, bland annat utvecklingen av teknik för kvantfelkorrigering, förbättring av kvantdatorernas prestanda och utveckling av sätt att använda kvantdatorer. Kvantdatorer är en teknik som har potential att väsentligt förändra mänsklighetens framtid, och det finns stora förväntningar på framtida forskning och utveckling.
Kommentar.