Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology

For store deler av vår historie

har mennesklig teknologi bestått av

våre hjerner, ild og skarpe pinner.

Mens ild og skarpe pinner ble
kraftstasjoner og atomvåpen,

skjedde den største oppgraderingen til våre hjerner.

Siden 1960-tallet har kraften av våre "hjernemaskiner"

hatt en eksponentiell økning,

som tillater at datamaskinene blir
mindre og kraftigere

på samme tid.

men denne prosessen er på vei til å møte sine fysiske begrensninger.

Datamaskindeler nærmer seg størrelsen av et atom.

For å forstå hvorfor dette er et problem,

må vi forstå det grunnleggende.

i et nøtteskall
av kurzgesagt

En datamaskin er bygd opp
av svært enkle deler

som gjør svært enkle oppgaver;

representere data, behandle dette og
kontrollere mekanismene.

Databrikker inneholder moduler,
som inneholder logiske gater,

som inneholder transistorer

En transistor er den enkleste formen for
dataprosessering i datamaskiner,

altså en bryter som enten blokkerer eller åpner veien for

informasjon som kommer gjennom.

Denne informasjonen er bygd opp av bits,
som kan bli satt til 0 eller 1

Kombinasjoner av flere bits blir brukt til å

representere mer kompleks informasjon.

Transistorer er kombinert for å lage logiske gater

som fremdeles gjør svært enkle oppgaver.

For eksempel en "AND"-gate her sender et uttak av 1

hvis alle dens inntak er 1-ere, og 0 hvis ikke.

Kombinasjoner av logiske gater skaper
meningsfulle moduler,

si, for å legge sammen to tall.

Når du kan addere kan du også multiplisere

og når du kan multiplisere kan du
gjøre hva som helst.

Fordi alle operasjoner er enklere enn
1. klasse-matematikk,

kan du se for deg en datamaskin som
en gruppe 7-åringer

som svarer på svært enkle mattespørsmål.

En stor nok gruppe av dem kan utregne
alt fra astrofysikk til Zelda

Men med deler som blir mindre og mindre,

gjør kvantefysikk ting innviklet.

Så kort sagt er en transistor bare en elektrisk bryter.

Elektrisitet er elektroner som flytter seg
fra et sted til et annet,

så en bryter er en passasje som kan blokkere
elektroner fra å bevege seg i en retning.

I dag er den typiske størrelsen
på en transistor 14 nanometer,

som er omtrent 8 ganger mindre enn
HIV-virusets diameter

og 500 ganger mindre enn den
røde blodcellens diameter.

I takt med at transistorer blir mindre på
størrelse på noen få atomer,

vil elektroner overføre seg selv til den
andre siden av den blokkerte veien

ved hjelp av en prosess som kalles for
kvantetunnelering.

I kvanteverdenen fungerer fysikk litt
annerledes enn

de forutsigbare måtene vi er vant med,

og tradisjonelle datamaskiner gir
rett og slett ingen mening.

Vi er på vei til å nå en ordentlig fysisk
hindring for våre teknologiske fremskritt.

For å løse dette problemet prøver forskere
å bruke disse unormale kvanteegenskapene

til deres fordel ved å bygge kvantemaskiner.

I normale datamaskiner er bits den minste
enheten for informasjon.

Kvantemaskiner bruker qubits som også kan
bli satt til én av to verdier.

En qubit kan være hvilket som helst
kvantesystem med to nivåer,

som en sentrifugering i et magnetisk felt,
eller et enkelt foton.

0 og 1 er systemets mulige tilstander,

som fotonets vannrette eller
loddrette polarisering.

I kvanteverdenen trenger ikke qubiten
å bare være én av disse,

den kan være i hvilket som helst forhold
av tilstander på samme tid.

Dette kalles for superposisjon.

Men så snart du tester for dens verdi,
ved f. eks. å sende fotonet gjennom et filter,

må den bestemme seg for å være enten
vannrett eller loddrett polarisert.

Så, så lenge den er uobservert, er qubiten
i en superposisjon

av sannsynligheter for 0 og 1, og du vil
ikke klare å forutse hva den vil være.

Men så snart du måler den, vil den kollapse
inn i ett av de definitive tilstandene.

Superposisjon er en game-changer.

Fire klassiske bits kan være 2^4

forskjellige konfigurasjoner på samme tid.

Det er 16 mulige kombinasjoner, hvor du
kun kan bruke én.

Fire qubits i superposisjon,

vil derimot være i alle av disse 16
kombinasjonene på samme tid.

Dette nummeret vokser eksponentielt
med hver ekstra qubit.

20 av dem kan allerede oppbevare en million
verdier, parallelt.

Et meget merkelig og ikke-intuitivt
egenskap qubits kan ha er

sammenfiltring, en tett forbindelse som
får hver av qubitene

til å reagere til en endring i de andres
tilstand øyeblikkelig,

uansett hvor langt unna de ligger
fra hverandre.

Dette betyr at når man måler bare en liten
sammenfiltret qubit,

vil du direkte kunne utlede egenskapene av
deres partnere uten å kikke.

Qubitmanipulasjon er også en mind-bender

En normal logisk gate får et enkelt sett
av input, og produserer ett resultat.

En kvantegate manipulerer et input
av superposisjoner,

roterer sannsynligheter og produserer
en annen superposisjon som resultat.

Så en kvantemaskin setter opp noen qubits,
tilføyer kvantegater for å sammenfiltre dem

og manipulere sannsynligheter, deretter
måler den endelig resultatet,

som kollapser superposisjonene til en
ordentlig sekvens av nuller og ettall.

Hva dette betyr er at du vil få alle
utregningene som er mulig med ditt oppsett

alt ferdig på samme tid.

Til slutt kan du bare måle ett av resultatene,
og det vil bare kanskje være det du ønsket

så du må kanskje dobbeltsjekke og
prøve igjen.

Men ved å utnytte superposisjoner og
sammenfiltring på en smart måte

kan dette bli eksponentielt mer effektivt
enn det vil være på noen datamaskin.

Så, mens kvantemaskiner sikkert ikke vil
erstatte våre private datamaskiner,

er de på noen områder svært overlegne.

Et av områdene er databasesøkning.

For å finne noe i en database

må en normal datamaskin muligens teste
hver eneste oppføring.

Kvantealgoritmer behøver kun
kvadratroten av den tiden,

som for store databaser utgjør
en stor forskjell.

Den mest berømte bruken av kvantemaskiner
er å ruinere IT-sikkerhet.

Akkurat nå blir din søkehistorie, e-mail
og bankdata

holdt sikker av et krypteringssystem hvor
du gir enhver en offentlig nøkkel

til å kode beskjeder som kun
du kan avkode.

Problemet er at denne offentlige nøkkelen
faktisk kan bli brukt til å utregne din

din hemmelige private nøkkel.

Heldigvis vil det å gjøre
den nødvendige matematikken

på hvilken som helst normal datamaskin
ta mange år av testing.

Men en kvantemaskin med eksponentiell
hastighetsførhøyelse

kan gjøre det som om det var en lek.

En annen meget spennende
ny bruk er simulasjoner.

Simulasjoner av kvanteverdenen krever
mye ressurser

og selv for større strukturer som molekyler
mangler de ofte nøyaktigheten.

Så hvorfor ikke simulere kvantefysikk med
faktisk kvantefysikk?

Kvantesimulasjoner kan bidra med
nye syn på proteiner

som kan revolusjonere medisinindustrien

Akkurat nå vet man ikke om kvantemaskiner
bare vil være et meget spesialisert verktøy

eller en kjemperevolusjon for menneskeheten.

Vi har ingen ideer om hvor grensene er,
og det er kun én måte å finne ut av det!

Denne videoen ble støttet av
Australsk Akademi for Vitenskap

som fremmer og støtter
ekspertise i vitenskapen.

Lær mer om dette emnet og andre lignende
på http://nova.org.au/.

Det var en fornøyelse å arbeide med dem,
så se litt på deres nettside!

Våre videoer er også blitt produsert ved
hjelp av deres støtte på Patreon.com

Hvis du vil støtte oss og bli en del av
Kurzgesagts fuglehær,

så se litt på vår Patreon-side!

Denne videoen ble oversatt av
Jan Tang (og Roy Bjørnstøl)