10 Unglaubliche Auswirkungen der Quantentechnologie

In der Wissenschaft herrscht Einigkeit darüber, dass der erste voll funktionsfähige Quantencomputer in etwa zehn Jahren einsatzbereit sein wird - ein Ereignis, das so bedeutsam ist, dass viele Experten einen Countdown bis Y2Q fordern: „Jahre bis zum Quantum“.

Die meisten Leute, die mit den Grundgedanken der Quantenmechanik zumindest einigermaßen vertraut sind, identifizieren das Feld mit einer allgemeinen "Verrücktheit", die selbst die erfahrensten Quantenphysiker verwirrend finden. Der Geist schwelgt mit Visionen von Menschen, die durch Wände gehen, Zeitreisen und allgemeine Unsicherheit, die unsere tief verwurzelten Wahrnehmungen von Wahrheit und Realität zu entwurzeln droht. Standardmessungen werden bedeutungslos.

Angesichts des enormen Potenzials der Quantentechnologie sollte es selbstverständlich sein, dass diejenigen, die diese Technologie künftig besitzen, einen großen Vorteil gegenüber denjenigen haben, die dies nicht tun - in Politik, Finanzen, Sicherheit und mehr. Unternehmen wie Amazon, Microsoft und Intel bemühen sich nachdrücklich um die Einführung einer "quantensicheren Kryptographie", da diese Unternehmen (von den nationalen Regierungen ganz zu schweigen) besorgt sind, dass Hacker, die Quantenpower einsetzen, den Untergang ihrer Unternehmen auslösen könnten.

Und da wir mit großer Gewissheit sagen können, dass das Quanten-Computing bald noch bestehen bleibt, ist es wichtig zu verstehen, was genau dies für die Zukunft bedeutet und welche unglaublichen neuen (und manchmal erschreckenden) Möglichkeiten die Quantentechnologie mit sich bringt.

Hier sind zehn unglaubliche Auswirkungen der Quantentechnologie.

10Eine exponentielle Erhöhung der Rechengeschwindigkeit

Zunächst eine (sehr) kurze Einführung: Der Computer, auf dem Sie diesen Text lesen, arbeitet mit derselben grundlegenden Technologie, die praktisch jeder Computer der Welt derzeit verwendet. Es ist eine endliche, binäre Welt, in der Daten in Bits codiert werden - üblicherweise als 0 oder 1 bezeichnet -, die nur in einem von zwei endlichen Zuständen (Ein oder Aus) existieren können. Die Quantenberechnung dagegen verwendet "Qubits", die in praktisch unendlich vielen Zuständen gleichzeitig existieren können. (Allgemein gesagt, n Qubits können in 2 ^ existierenn verschiedene Zustände gleichzeitig.)

Wenn ein „normaler“ Computer mit einer Folge von dreißig Nullen und Einsen gespeist wird, gibt es ungefähr eine Milliarde mögliche Werte dieser Folge - und ein Computer, der reguläre Bits verwendet, müsste jede Kombination einzeln durchlaufen, was viel Zeit und Speicher erfordert . Andererseits könnte ein Quantencomputer alle eine Milliarde Sequenzen auf einmal "sehen", was den Rechenaufwand und die Rechenzeit drastisch reduziert.

Tatsächlich können Quantencomputer in Sekundenschnelle fertiggestellt werden. Berechnungen, die die besten Supercomputer von heute Tausende von Jahren benötigen.

9Entdeckung neuer und wirksamerer Medikamente

Die DNA-Sequenzierung kam zum Teil dank der starken Zunahme der Rechenleistung zustande, wie von Moore's Law vorhergesagt. Jetzt stehen wir dank Quantum Computing vor einer völlig neuen Ära des Gesundheitswesens.

Zwar gibt es eine erstaunlich große Anzahl an beeindruckenden Medikamenten auf dem Markt, doch ist ihre Produktionsrate sowie ihre Wirksamkeit bei der Behandlung spezifischer Erkrankungen überraschend begrenzt. Selbst mit der Geschwindigkeit und Genauigkeit, die in letzter Zeit zugenommen hat, sind diese Zuwächse aufgrund der Einschränkungen von Standardcomputern rein inkrementell.

Bei einem so komplexen Organismus wie dem menschlichen Körper gibt es unzählige Möglichkeiten, wie ein Medikament auf seine Umgebung reagieren kann. Hinzu kommt die Unbegrenztheit der genetischen Vielfalt auf molekularer Ebene und potenzielle Ergebnisse für unspezifische medikamentöse Behandlungen in die Milliarden.

Nur Quantencomputer werden in der Lage sein, jedes mögliche Szenario hinsichtlich der Wechselwirkung von Medikamenten zu untersuchen und nicht nur den bestmöglichen Aktionsplan, sondern auch die Erfolgschancen einer Person mit einem bestimmten Medikament durch eine Kombination aus genauerer und schnellerer DNA-Sequenzierung und mehr darzustellen rigoroses Verständnis der Proteinfaltung.

Die gleichen Neuerungen - insbesondere in Bezug auf die Proteinfaltung - führen unweigerlich zu einem besseren Verständnis der allgemeinen Funktionsweise des Lebens, was zu weitaus präziseren Behandlungen, besseren Medikamenten und besseren Ergebnissen führt.

8Limitless Sicherheit

Die Quantentechnologie ermöglicht nicht nur große Fortschritte in der Medizin, sondern auch die Möglichkeit nahezu unzerbrechlicher Sicherheitsbarrieren für die Cybersicherheit und eine äußerst sichere Fernkommunikation.

In der Welt der Quantenverrücktheit existiert ein Phänomen, das als "Quantenverschränkung" bekannt ist, bei dem zwei oder mehr Teilchen auf mysteriöse Weise miteinander verbunden sind, unabhängig von dem Medium, das zwischen ihnen besteht, und ohne erkennbare Signalisierung. Dies wurde von Einstein als "gruselige Aktion aus der Ferne" bezeichnet. Da es kein materielles Medium gibt, über das diese beiden Teilchen kommunizieren, könnten Signale, die mit verschränkten Teilchen codiert sind, nicht abgefangen werden. Die für diese Technologie erforderliche Wissenschaft ist noch unterentwickelt. Eine solche Kommunikation hätte jedoch enorme Auswirkungen auf die private und nationale Sicherheit.

Eine drastisch erhöhte Rechengeschwindigkeit würde auch zu einer erhöhten Cyber-Sicherheit beitragen, da die exponentiell höhere Rechenleistung von Quantencomputern durch Quantenverschlüsselung auch den ausgefeiltesten Hacking-Methoden standhalten kann. „Quantum Computing wird definitiv überall dort eingesetzt, wo wir maschinelles Lernen, Cloud Computing und Datenanalyse einsetzen“, sagt Kevin Curran, Cybersecurity-Forscher an der Ulster University."In der Sicherheit bedeutet dies Intrusion Detection, das Suchen nach Mustern in den Daten und komplexere Formen des Parallel-Computing." Quantum-Computer wären im Wesentlichen in der Lage, die "Bewegungen" eines Hacking-Computers in Millionen, möglicherweise Milliarden Schritten, vorwegzunehmen voraus.

7 Grenzenloses Hacken

Mit großer Leistung geht natürlich auch eine große Verantwortung einher, und die gleiche Quantenstärke, mit der die Verschlüsselung auf neue Höhen gehoben werden kann, könnte es Hackern ermöglichen, mühelos die ausgefeiltesten Sicherheitsmaßnahmen aufzudecken, die von relativ primitiven Maschinen ergriffen werden.

Die heute am weitesten entwickelten kryptographischen Techniken basieren auf außerordentlich schwierigen mathematischen Problemen. Und obwohl diese Probleme ausreichen, um die meisten binären Supercomputer abzuschrecken, würden sie von einem Quantencomputer leicht geknackt. Die Fähigkeit eines Quantencomputers, Muster in riesigen Datensätzen mit unglaublicher Geschwindigkeit zu finden, ermöglicht es ihnen, große Zahlen zu faktieren (eine Leistung, die für Hacker möglicherweise die größte Hürde darstellt), die heutige Computer nur tun können, indem sie Option für Option versuchen, bis eines passt. „Mit Qubits und Quantenüberlagerung könnten alle möglichen Optionen gleichzeitig getestet werden.

In der Tat dauerte es ungefähr zwei Jahre, und Hunderte von Computern arbeiteten gleichzeitig, um eine einzige Instanz des RSA-768-Algorithmus freizuschalten (was zwei Hauptfaktoren hat und einen Schlüssel mit siebenhundertsechsundsechzig Bits Länge erfordert). Ein Quantencomputer könnte dieselbe Aufgabe in Sekundenbruchteilen erledigen.

6Feine abgestimmte Atomuhren und Objekterkennung

Atomuhren dienen nicht nur zur Unterstützung der täglichen Zeitplanung. Sie sind wesentliche Bestandteile der heutigen Technologie, einschließlich GPS-Systemen und Kommunikationstechnologie.

Normalerweise hält man Atomuhren nicht für mehr Feinabstimmung. Die genauesten Atomuhren nutzen die Schwingungen von Mikrowellen, die von den Elektronen abgegeben werden, wenn sie den Energiepegel ändern. Und die Atome, die in den Uhren verwendet werden, werden fast vollständig auf absoluten Nullpunkt gekühlt, was längere Mikrowellensondenzeiten und damit mehr Genauigkeit ermöglicht.

Neuere Atomuhren mit moderner Quantentechnologie sind jedoch so genau, dass sie als ultrapräzise Objektdetektoren eingesetzt werden können, die kleinste Änderungen in der Schwerkraft, Magnetfeldern, elektrischen Feldern, Kraft, Bewegung, Temperatur und anderen Phänomenen erfassen das natürlich schwanken in Gegenwart von Materie. Diese Änderungen würden sich dann in zeitlichen Änderungen niederschlagen. (Erinnern Sie sich daran, dass Raum, Materie und Zeit untrennbar miteinander verbunden sind.)

Diese fein abgestimmte Erkennung hilft beim Erkennen und Entfernen unterirdischer Objekte, der Beobachtung von U-Booten weit unter der Meeresoberfläche und würde sogar die Navigation und das automatische Fahren weitaus genauer machen, da Software besser zwischen Autos und anderen unterscheiden kann Objekte.

David Delpy, der Vorsitzende des Wissenschaftlichen Beirats für Verteidigung im britischen Verteidigungsministerium, drückt es so aus: "Sie können die Schwerkraft nicht abschirmen."

5Finanzmärkte

In der vernetzten Finanzwelt ist Geschwindigkeit von größter Bedeutung. Und eine überraschend große Anzahl von Problemen, mit denen die Finanzbranche konfrontiert ist (von denen viele auf mangelnde Rechengeschwindigkeit zurückzuführen sind), bleibt unlösbar. Selbst der leistungsfähigste „normale“ Computer, der 0 und 1 verwendet, kann die zukünftigen finanziellen und wirtschaftlichen Ereignisse nicht annähernd vorhersagen und ist nicht in der Lage, hochkomplexe Probleme im Zusammenhang mit Optionspreisen in einem sich schnell wandelnden und sich entwickelnden Markt zu lösen.

Zum Beispiel erfordern viele Aktienoptionen komplexe Derivate, die pfadabhängig sind. Dies bedeutet, dass die Auszahlung der Option letztlich durch den Kurs des zugrunde liegenden Vermögenswerts bestimmt wird. Der Versuch, jeden möglichen „Weg“ für eine Option abzubilden und zu antizipieren, ist für eine heutige Maschine eine zu große Aufgabe. Aufgrund ihrer Schnelligkeit und Agilität könnten Quantencomputer theoretisch jedoch eine Aktienoption mit falschem Preis erkennen und für den Gewinn ihres Inhabers nutzen, bevor sich der Markt in sinnvoller Weise verändert.

Diese Art von Macht könnte natürlich zu einem Chaos auf dem Markt führen und die Minderheit der Unternehmen, die Supercomputer besitzen und betreiben, stark benachteiligen - auf Kosten einzelner Händler und Unternehmen, die diese Technologie nicht erwerben können.

4Mapping des menschlichen Geistes

Bei all den erstaunlichen Fortschritten, die in den letzten Jahrzehnten im Bereich der Neurowissenschaften und der Kognition stattgefunden haben, wissen die Wissenschaftler immer noch erstaunlich wenig über die Funktionsweise des Geistes. Was wir jedoch wissen, ist, dass das menschliche Gehirn eine der komplexesten Entitäten im bekannten Universum ist. Um wirklich alles zu verstehen, was es zu bieten hat, wird es eine neue Art von Rechenleistung erfordern.

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa 86 Milliarden Neuronenzellen, die kleine Informationsteile durch Abgabe schneller elektrischer Ladungen übertragen. Und während das elektrische Unterbinden des menschlichen Gehirns einigermaßen gut verstanden wird, bleibt der Geist ein Rätsel. "Die Herausforderung", sagt der Neurobiologe Prof. Rafael Yuste von der Columbia University, "ist genau, wie man von einem physischen Substrat von Zellen, die in diesem Organ verbunden sind, zu unserer mentalen Welt, unseren Gedanken, unseren Erinnerungen, unseren Gefühlen führt."

Bei ihrem Versuch, den Geist zu verstehen, haben Neurowissenschaftler stark auf die Analogie eines Computers gesetzt, da das Gehirn sensorische Daten und Eingaben in relativ vorhersagbare Ergebnisse umwandelt. Und wie kann man die Funktionsweise eines Computers besser verstehen als mit einem Computer?

Für Dr. Ken Hayworth, einen Neurowissenschaftler, der Splitter des Mäusegehirns kartiert, „braucht man für die Abbildung eines ganzen Fliegengehirns etwa ein bis zwei Jahre.Die Idee, ein ganzes menschliches Gehirn mit der vorhandenen Technologie, die wir heute haben, abzubilden, ist ohne die Fähigkeit des Quantencomputers einfach unmöglich.

3Dentdeckung entfernter Planeten

Es sollte nicht überraschen, dass Quantencomputer für die Erforschung des Weltraums äußerst nützlich ist, was oft die Analyse enormer Datenmengen erfordert. Mit Quantenprozessoren, die auf 20 Millikelvin (nahe dem absoluten Nullpunkt) gekühlt werden, planen die NASA-Ingenieure, Quantencomputer einzusetzen, um hoch komplexe Optimierungsprobleme mit Milliarden von Datenstücken zu lösen.

NASA-Wissenschaftler werden beispielsweise die Möglichkeit haben, winzige Fluktuationen in Quantenwellen zu nutzen, um winzige, entfernte Wärmeunterschiede zu erkennen, die von ansonsten unsichtbaren Angriffen ausgehen, und möglicherweise sogar schwarze Löcher.

Die NASA verwendet bereits die allgemeinen Prinzipien des Quantencomputers, um sicherere und effizientere Methoden der Weltraumfahrt zu entwickeln - insbesondere, wenn Roboter ins All geschickt werden sollen. Die NASA plant, ihre Robotermissionen etwa zehn Jahre im Voraus in den Weltraum zu planen, und ihr Ziel ist es, mithilfe der Quantenoptimierung eine äußerst genaue Prognose für das, was während der Mission passieren wird, zu erstellen, um jedes mögliche Ergebnis vorherzusehen und Notfallpläne zu erstellen jeder (wieder mit Optimierungsstrategien).

Eine sorgfältigere und präzisere Planung von Robotermissionen führt auch zu einem effizienteren Batteriegebrauch, was einer der Haupteinschränkungen bei Robotermissionen ist.

2Genetik

Die Fertigstellung des Humangenomprojekts im Jahr 2003 brachte eine neue Ära in der Medizin. Dank eines umfassenden Verständnisses des menschlichen Genoms können wir komplexe Behandlungen spezifisch auf die individuellen Bedürfnisse des Einzelnen abstimmen.

Ungeachtet dessen, wie viel wir über die Feinheiten menschlicher DNA wissen, wissen wir immer noch erstaunlich wenig über die Proteine, für die DNA-Codes kodieren.

Betreten Sie die Quantenberechnung, die es uns theoretisch erlaubt, Proteine ​​auf die gleiche Weise zu "kartieren" wie Gene. In der Tat ermöglicht das Quantencomputing auch die Modellierung komplexer molekularer Wechselwirkungen auf atomarer Ebene, was für die Pionierarbeit in der medizinischen Forschung und in der Pharmazie von unschätzbarem Wert sein wird. Wir werden in der Lage sein, über 20.000 Proteine ​​zu modellieren und ihre Wechselwirkungen mit einer Vielzahl verschiedener Medikamente (sogar noch nicht erfundener Medikamente) mit höchster Genauigkeit zu simulieren. Die Analyse dieser Wechselwirkungen (erneut unterstützt durch Quantencomputer und fortschrittliche Optimierungsalgorithmen) wird uns wahrscheinlich zu neuen Heilmethoden für derzeit unheilbare Krankheiten führen.

Die Geschwindigkeit des Quanten-Computing wird auch bei der Verwendung und Analyse von „Quantum Dots“ helfen, winzigen, nur wenige Nanometer langen Halbleiternanokristallen, die derzeit an vorderster Front bei der Erkennung und Behandlung von Krebs eingesetzt werden.

Darüber hinaus könnten Quantencomputer in der Lage sein zu bestimmen, ob Mutationen in der DNA, von denen angenommen wird, dass sie vollständig zufällig sind, aufgrund von Quantenfluktuationen tatsächlich auftreten.

1Materialwissenschaft und -technik

Es versteht sich von selbst, dass Quantenberechnung massive Auswirkungen auf die Bereiche der Materialwissenschaft und -technik hat, da die Quantenberechnung am besten für neue Entdeckungen auf atomarer Ebene geeignet ist.

Dank der Leistungsfähigkeit des Quantencomputers können immer komplexere Modelle verwendet werden, die abbilden, wie sich Moleküle zusammensetzen und kristallisieren, um neue Materialien zu bilden. Solche Entdeckungen, die zur Schaffung neuer Materialien führen, würden später zur Schaffung neuer Strukturen mit Auswirkungen auf die Bereiche Energie, Umweltverschmutzung und Arzneimittel führen.

„Wenn ein Ingenieur einen Damm oder ein Flugzeug baut, wird die Struktur zuerst mit Computern entworfen. Dies ist äußerst schwierig bei der Größenskala von Molekülen oder Atomen, die sich häufig auf nicht intuitive Weise zusammenfügen “, erklärt Graeme Day, Professor für Chemical Modeling an der University of Southampton. „Es ist schwierig, auf atomarer Ebene von Grund auf zu entwerfen, und die Ausfallrate bei der Entdeckung neuer Materialien ist hoch. Als Chemiker und Physiker, die neue Materialien zu entdecken versuchen, fühlen wir uns oft wie Forscher ohne verlässliche Karten. “

Die Quantenberechnung bietet eine weitaus „zuverlässigere Karte“, da Wissenschaftler atomare Wechselwirkungen mit einer unglaublichen Präzision simulieren und analysieren können, was wiederum zur Schaffung völlig neuer und effizienterer Materialien führen würde - ohne den Versuch und Irrtum, der unvermeidlich mit sich bringt Versuch, neue Materialien in größerem Maßstab zu konstruieren. Dies bedeutet, dass wir bessere Supraleiter, stärkere Magnete, bessere Energiequellen und vieles mehr finden und herstellen können.