10 Ongelooflijke implicaties van kwantumtechnologie

De consensus binnen de wetenschappelijke gemeenschap is dat de eerste volledig functionele kwantumcomputer in ongeveer tien jaar klaar zal zijn - een gebeurtenis die zo belangrijk is dat veel experts opteren voor een aftelling naar Y2Q: "years to quantum."

De meeste mensen die op zijn minst enigszins vertrouwd zijn met de basisideeën van de kwantummechanica, identificeren het veld met een algemene "vreemdheid" die zelfs de meest ervaren kwantumfysici verbijsteren. De geest maakt zich niet bewust van visioenen van mensen die door muren lopen, van tijdreizen en van algemene onzekerheid die onze meest ingesleten percepties van waarheid en werkelijkheid dreigt te ontwortelen. Standaardmetingen worden zinloos.

Gezien de enorme potentiële kracht van kwantumtechnologie, zou het vanzelfsprekend moeten zijn dat diegenen die deze technologie in de toekomst bezitten een groot voordeel hebben ten opzichte van degenen die dat niet doen - op het gebied van politiek, financiën, veiligheid en meer. Bedrijven zoals Amazon, Microsoft en Intel kijken met spanning uit naar de implementatie van 'quantum-safe cryptography', aangezien deze bedrijven (om maar te zwijgen over nationale regeringen) bezorgd zijn dat hackers die kwantumkracht gebruiken de ondergang van hun bedrijf kunnen betekenen.

En omdat we met grote zekerheid kunnen zeggen dat quantum computing binnenkort hier zal zijn om te blijven, is het de moeite waard om te begrijpen wat dit precies voor de toekomst betekent, en welke ongelooflijke nieuwe (en soms angstaanjagende) mogelijkheden kwantumtechnologie zal brengen.

Hier zijn tien ongelooflijke implicaties van kwantumtechnologie.

10Een exponentiële toename van de computertijd

Allereerst een (zeer) korte introductie: de computer waarop u dit leest, werkt op dezelfde fundamentele technologie die praktisch elke computer ter wereld momenteel gebruikt. Het is een eindige, binaire wereld, waarin gegevens worden gecodeerd in bits - meestal 0s of 1s genoemd - die alleen in een van de twee eindige toestanden (aan of uit) kunnen bestaan. Kwantumberekening maakt echter gebruik van 'qubits', die tegelijkertijd in een vrijwel onbeperkt aantal toestanden kunnen bestaan. (Over het algemeen, n qubits kunnen bestaan ​​in 2 ^n verschillende toestanden tegelijkertijd.)

Als een "gewone" computer een reeks van dertig 0s en 1s wordt ingevoerd, zijn er ongeveer een miljard mogelijke waarden van die reeks - en een computer die gewone bits gebruikt zou elke combinatie afzonderlijk moeten doorlopen, wat veel tijd en geheugen kost . Een kwantumcomputer daarentegen zou in staat zijn om alle miljarden reeksen tegelijk te 'zien' - waardoor de computertijd en -inspanning drastisch verminderen.

In feite kunnen quantumcomputers in enkele seconden worden voltooid, berekeningen die de beste supercomputers van vandaag duizenden jaren duren.

9Ontdek nieuwe en meer effectieve geneesmiddelen

DNA-sequencing kwam tot stand, mede dankzij de sterke toename van de rekenkracht, zoals voorspeld door de wet van Moore. Nu staan ​​we op het punt een geheel nieuw tijdperk van gezondheidszorg te betreden dankzij quantum computing.

Hoewel er een verbluffend groot aantal indrukwekkende geneesmiddelen op de markt is, is de snelheid waarmee ze kunnen worden geproduceerd, evenals hun effectiviteit bij het behandelen van specifieke aandoeningen, verrassend beperkt. Zelfs met recente snelheids- en nauwkeurigheidsverhogingen zijn deze voordelen puur incrementeel vanwege de beperkingen van standaardcomputers.

Met een organisme zo complex als het menselijk lichaam, zijn er talloze manieren waarop een medicijn kan reageren op zijn omgeving. Voeg daar nog de onbegrensdheid van genetische diversiteit op moleculair niveau aan toe, en potentiële uitkomsten voor niet-specifieke medicamenteuze behandelingen schieten omhoog in de miljarden.

Alleen kwantumcomputers kunnen elk mogelijk scenario met betrekking tot geneesmiddelinteractie onderzoeken en niet alleen het best mogelijke actieplan presenteren, maar ook de kansen van een individu om succesvol te zijn met een bepaald medicijn, door een combinatie van nauwkeurigere en versnelde DNA-sequencing en meer rigoureus begrip van het vouwen van eiwitten.

Deze zelfde innovaties - vooral met betrekking tot het vouwen van eiwitten - zullen onvermijdelijk ook leiden tot een beter begrip van hoe het leven in het algemeen functioneert, wat vervolgens zal leiden tot veel preciezere behandelingen, betere geneesmiddelen en betere resultaten.

8 Onbeperkte beveiliging

Naast het bevorderen van grote sprongen vooruit in de geneeskunde, brengt kwantumtechnologie ook de mogelijkheid van vrijwel onbreekbare cyberbeveiligingsbarrières en superveilige langeafstandscommunicatie.

Binnen de wereld van kwantumvreemdheid bestaat een fenomeen dat bekend staat als "kwantumverstrengeling", waarbij twee of meer deeltjes op mysterieuze wijze verbonden zijn, ongeacht het medium dat er tussen bestaat en zonder enige identificeerbare signalering. Dit is wat Einstein in de volksmond ook wel eens 'spookachtige actie op afstand' noemde. En omdat er geen tastbaar medium is waardoor deze twee deeltjes communiceren, zouden signalen die gecodeerd zijn met verstrengelde deeltjes onmogelijk te onderscheppen zijn. De wetenschap die nodig is voor deze technologie is nog steeds onderontwikkeld; dergelijke communicatie zou echter een enorme impact hebben op de particuliere en nationale veiligheid.

Drastisch verhoogde rekensnelheid zou ook een handje helpen bij verhoogde cybersecurity, omdat de exponentieel grotere verwerkingskracht van kwantumcomputers hen in staat stelt om zelfs de meest geavanceerde hackmethoden te weerstaan, door middel van kwantumversleuteling. "Quantum computing zal absoluut overal worden toegepast waar we machinaal leren, cloud computing en data-analyse gebruiken", zegt Kevin Curran, cybersecurity-onderzoeker aan de Ulster University."In beveiliging betekent dit indringersdetectie, zoeken naar patronen in de gegevens en meer geavanceerde vormen van parallel computing." Quantumcomputers zouden in wezen kunnen anticiperen op de "bewegingen" van een hackcomputer met miljoenen - mogelijk miljarden stappen verder.

7 Onbeperkt hacken

Natuurlijk, met grote kracht komt er grote verantwoordelijkheid, en dezelfde kwantumkracht waarmee encryptie naar een hoger niveau kan worden gebracht, zou hackers in staat kunnen stellen moeiteloos de meest uitgebreide veiligheidsmaatregelen te ontrafelen die door relatief primitieve machines zijn ingesteld.

De meest uitgebreide cryptografische technieken van tegenwoordig zijn meestal gebaseerd op buitengewoon moeilijke wiskundige problemen. En hoewel deze problemen genoeg zijn om de meeste binaire supercomputers af te schrikken, zouden ze gemakkelijk gekraakt worden door een kwantumcomputer. Het vermogen van een kwantumcomputer om met enorme snelheid patronen in enorme datasets te vinden, stelt hen in staat om grote aantallen te berekenen (een prestatie die misschien nog steeds de grootste barrière vormt voor hackers), wat de computers van vandaag alleen kunnen doen door optie na optie te proberen totdat iemand "past. "Met qubits en quantum superpositie zouden alle mogelijke opties gelijktijdig kunnen worden getest.

Inderdaad duurde het ongeveer twee jaar en honderden computers tegelijk om een ​​enkel exemplaar van het RSA-768-algoritme te ontgrendelen (dat twee priemfactoren heeft en een sleutel nodig heeft van zevenhonderd achtenzestig bits lang). Een kwantumcomputer zou dezelfde taak in een fractie van een seconde kunnen voltooien.

6Fijn afgestelde atoomklokken en objectdetectie

Atoomklokken worden niet alleen gebruikt om te helpen bij de dagelijkse bewaking van de tijd. Het zijn essentiële componenten van veel van de hedendaagse technologie, waaronder GPS-systemen en communicatietechnologie.

Men denkt gewoonlijk niet aan atoomklokken omdat er meer verfijning nodig is. De meest nauwkeurige atoomklokken werken door gebruik te maken van de oscillaties van microgolven die worden geëmitteerd door elektronen wanneer ze de energieniveaus veranderen. En de atomen die in de klokken worden gebruikt, worden bijna helemaal tot het absolute nulpunt gekoeld - waardoor langere microgolfprobe-tijden en vervolgens meer nauwkeurigheid mogelijk zijn.

Nieuwere atoomklokken die gebruik maken van moderne kwantumtechnologie, zullen echter zo nauwkeurig zijn dat ze kunnen worden gebruikt als ultra-nauwkeurige objectdetectoren: minuscule veranderingen in zwaartekracht, magnetische velden, elektrische velden, kracht, beweging, temperatuur en andere verschijnselen detecteren dat fluctueert natuurlijk in de aanwezigheid van materie. Deze veranderingen zouden dan worden weerspiegeld door veranderingen in de tijd. (Bedenk dat ruimte, materie en tijd onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn.)

Deze nauwkeurig afgestemde detectie zal helpen bij het identificeren en verwijderen van ondergrondse objecten, het volgen van onderzeeërs ver onder het oppervlak van de oceaan, en zou navigatie en automatisch rijden zelfs veel nauwkeuriger maken, omdat software een beter onderscheid zou kunnen maken tussen auto's en andere voorwerpen.

Zoals David Delpy, de leider van de wetenschappelijke adviesraad voor defensie in het Britse Ministerie van Defensie, het stelt: "Je kunt de zwaartekracht niet beschermen."

5Financiële markten

In de onderling verbonden financiële wereld is snelheid van het grootste belang. En een verrassend groot aantal problemen waarmee de financiële sector te maken heeft (vaak vanwege een gebrek aan computatiesnelheid) blijft onoplosbaar. Zelfs de krachtigste "gewone" computer die 0s en 1s gebruikt, is zelfs niet in staat om toekomstige financiële en economische gebeurtenissen te voorspellen en is niet in staat om zeer complexe problemen op te lossen die te maken hebben met optieprijzen in een snel veranderende en evoluerende markt.

Veel aandelenopties vereisen bijvoorbeeld complexe derivaten die padafhankelijk zijn, wat betekent dat de uitbetaling van de optie uiteindelijk wordt bepaald door het pad van de koers van het onderliggende actief. Pogingen om elk mogelijk "pad" voor een optie in kaart te brengen en te anticiperen, is veel te overweldigend voor een taak voor de machines van vandaag. Gezien hun snelheid en behendigheid, zouden kwantumcomputers theoretisch in staat zijn om een ​​verkeerd geprijsde aandelenoptie te identificeren en deze te gebruiken voor de winst van de eigenaar voordat de markt op een zinvolle manier zou zijn verschoven.

Dit soort macht kan natuurlijk grote schade aanrichten op de markt en de voorkeur geven aan de minderheid van bedrijven die supercomputers bezitten en bedienen - ten koste van individuele handelaren en bedrijven die dergelijke technologie niet kunnen kopen.

4De menselijke geest in kaart brengen

Vanwege de verbazingwekkende vooruitgang die de afgelopen decennia heeft plaatsgevonden op het gebied van neurowetenschappen en cognitie, weten wetenschappers nog steeds verbazingwekkend weinig over hoe de geest werkt. Een ding dat we wel weten, is dat het menselijk brein een van de meest complexe entiteiten in het bekende universum is, en dat om echt te begrijpen wat het allemaal te bieden heeft, een nieuw type rekenkracht nodig zal zijn.

Het menselijk brein bestaat uit ongeveer 86 miljard neuronen-cellen die kleine stukjes informatie communiceren door snelle elektrische ladingen af ​​te vuren. En hoewel de elektrische onderbouwing van het menselijk brein redelijk goed wordt begrepen, blijft de geest een mysterie. "De uitdaging," zegt neurobioloog Prof Rafael Yuste van de Columbia University, "is precies hoe te gaan van een fysiek substraat van cellen die verbonden zijn binnen dit orgaan, tot onze mentale wereld, onze gedachten, onze herinneringen, onze gevoelens."

En in hun poging om de geest te begrijpen, leidden neurowetenschappers sterk op de analogie van een computer, omdat de hersenen sensorische gegevens en ingangen omzet in relatief voorspelbare outputs. En welke betere manier om de werking van een computer te begrijpen dan met een computer?

Voor dr. Ken Hayworth, een neurowetenschapper die sliertjes muizenhersenen in kaart brengt, "om een ​​heel vliegbrein af te beelden, duurt het ongeveer een tot twee jaar.Het idee om een ​​heel menselijk brein in kaart te brengen met de bestaande technologie die we vandaag hebben, is simpelweg onmogelijk "zonder de kracht van quantum computing.

3D verre planeten ontdekken

Het hoeft geen verbazing te wekken dat quantum computing enorm nuttig zal zijn als het gaat om ruimteverkenning, wat vaak de analyse van enorme gegevenssets vereist. Met quantum-processors gekoeld tot 20 millikelvin (dicht bij het absolute nulpunt), zijn ingenieurs van NASA van plan om quantum computing te gebruiken om zeer complexe optimalisatieproblemen met miljarden stukjes data op te lossen.

Wetenschappers van NASA zullen bijvoorbeeld kunnen profiteren van minieme fluctuaties in kwantumgolven om kleine, verre warmteverschillen op te sporen die worden veroorzaakt door anders onzichtbare starts en misschien zelfs zwarte gaten.

NASA gebruikt al de algemene principes van quantum computing om veiligere en efficiëntere methoden voor ruimtevaart te ontwikkelen, vooral als het gaat om het sturen van robots naar de ruimte. NASA heeft de neiging om hun robotmissies ongeveer tien jaar van tevoren in de ruimte te plannen, en hun doel is om kwantumoptimalisatie te gebruiken om een ​​super nauwkeurige voorspelling te maken van wat er tijdens de missie zal gebeuren - om te anticiperen op elke mogelijke uitkomst en dan noodplannen te maken voor elk (opnieuw, met behulp van optimalisatiestrategieën).

Meer zorgvuldige en nauwkeurige planning van robotmissies zal ook leiden tot efficiënter batterijgebruik, wat een van de belangrijkste beperkende factoren is als het gaat om robotachtige ruimtemissies.

2Genetics

De voltooiing van het Human Genome Project in 2003 bracht een nieuw tijdperk in de geneeskunde voort. Dankzij een grondig begrip van het menselijk genoom, kunnen we complexe behandelingen specifiek afstemmen op de specifieke behoeften van een individu.

Ondanks hoeveel we weten over de fijne kneepjes van het menselijk DNA, weten we nog steeds verrassend weinig over de eiwitten waar DNA voor codeert.

Voer kwantumberekening in, wat ons theoretisch in staat zal stellen om "eiwitten in kaart te brengen" op dezelfde manier waarop we genen in kaart brengen. Met quantum computing kunnen we ook complexe moleculaire interacties op atomair niveau modelleren, wat van onschatbare waarde zal zijn als het gaat om baanbrekend nieuw medisch onderzoek en farmaceutische producten. We zullen in staat zijn meer dan 20.000 eiwitten te modelleren en hun interacties te simuleren met een overvloed aan verschillende geneesmiddelen (zelfs geneesmiddelen die nog niet zijn uitgevonden) met uiterste nauwkeurigheid. Analyse van deze interacties (wederom geholpen door quantum computing en geavanceerde optimalisatie-algoritmen) zal waarschijnlijk leiden tot nieuwe geneeswijzen voor de momenteel ongeneeslijke ziekten.

De snelheid van quantum computing zal ook helpen bij het gebruik en de analyse van "quantum dots" -kleine halfgeleider nanokristallen van slechts enkele nanometers lang die momenteel worden gebruikt in de voorhoede van de opsporing en behandeling van kanker.

Bovendien zouden kwantumcomputers kunnen bepalen of mutaties in DNA - die op dit moment als volledig willekeurig worden beschouwd - feitelijk plaatsvinden vanwege kwantumfluctuaties.

1Materale wetenschappen en engineering

Het moet vanzelfsprekend zijn dat quantum computing enorme implicaties heeft voor de gebieden van de materiaalwetenschap en -techniek, aangezien de kracht van kwantumberekening het best geschikt is voor nieuwe ontdekkingen op atomair niveau.

De kracht van quantum computing zal het gebruik mogelijk maken van steeds geavanceerdere modellen die in kaart brengen hoe moleculen zich verzamelen en kristalliseren om nieuwe materialen te vormen. Dergelijke ontdekkingen die leiden tot de creatie van nieuwe materialen zouden vervolgens leiden tot de creatie van nieuwe structuren, met implicaties op het gebied van energie, beheersing van vervuiling en farmaceutische producten.

"Wanneer een ingenieur een dam of een vliegtuig bouwt, wordt de structuur eerst ontworpen met behulp van computers. Dit is uiterst moeilijk op de grootteschaal van moleculen of atomen, die vaak op niet-intuïtieve manieren samenkomen, "verklaart Graeme Day, een professor in chemische modellering aan de Universiteit van Southampton. "Het is moeilijk om vanaf het begin op atomaire schaal te ontwerpen en het percentage mislukkingen bij het ontdekken van nieuwe materialen is hoog. Terwijl scheikundigen en natuurkundigen nieuwe materialen proberen te ontdekken, voelen we ons vaak als ontdekkingsreizigers zonder betrouwbare kaarten. '

Kwantumberekening zal een veel betrouwbaardere kaart bieden, doordat wetenschappers atomaire interacties met ongelooflijke precisie kunnen simuleren en analyseren, wat op zijn beurt zou leiden tot de creatie van geheel nieuwe en efficiëntere materialen - zonder de vallen en opstaan ​​die onvermijdelijk gepaard gaat met proberen op grotere schaal nieuwe materialen te bouwen. Dit betekent dat we betere supergeleiders, krachtigere magneten, betere energiebronnen en nog veel meer kunnen vinden en creëren.