Die werke van Sy hande: Wat op aarde is "kwantum-oorheersing"? | Artikel | Wêreld Van Môre
Gedurende die laaste maande van 2019 is daar in die hoofopskrifte beweer dat Google, die Internetreus, kwantum-oorheersing bereik het. Dit het daartoe gelei dat baie mense hulle koppe krap en vra: "Wat op aarde is 'kwantum-oorheersing'"?
Om daardie vraag te beantwoord, is dit nodig dat ons een van die mees fundamentele en verrassende aspekte van God se skepping ondersoek: Die wêreld van kwantum-meganika.
Oor sebras en kleurpunte [pixels]
Om 'n idee te kry van hierdie vreemde gebied van fisika wat gebruik word om rekenaarwese te revolusioneer, is dit nodig om die kwantum-meganiese konsep van superposisie in oënskou te neem. Dit is 'n ongewone eienskap van materie en 'n vreemde illustrasie kan ons help om dit beter te verstaan.
Veronderstel u neem 'n foto van 'n sebra en daarná kyk u na die prentjie op u rekenaar. Wanneer u daarop infokus [zoom], begin u om die individuele kleurpunte [pixels] van die beeld te sien. Waar die swart strepe van die sebra aan sy wit strepe raak, merk u op dat sommige kleurpunte [pixels] grys is – sommige donkerder grys, ander ligter, maar beslis nie 100% swart of wit nie.
In daardie gevalle verteenwoordig die kleurpunte 'n soort superposisie: 'n Mengsel van swart en wit. Die enkele kleurpunt word gedwing om 'n superposisie van veelvoudige toestande voor te stel, met ander woorde nie 'n suiwer swart streep nie en ook nie suiwer wit nie. Albei toestande is in die enkele kleurpunt [pixel] verteenwoordig en is gebaseer op die persentasie van die mengsel van swart en wit sebrahare in die klein deeltjie van 'n beeld wat die kleurpunt voorstel.
Rofweg op 'n (baie) soortgelyke wyse, is volgens kwantum-meganika, sub-atomiese voorwerpe waaraan ons dikwels dink as afsonderlike "deeltjies", nie heeltemal deeltjies nie, maar bestaan eerder gelyktydig in veelvoudige toestande. Omdat die grys kleur van die kleurpunt 'n kombinasie van swart en wit persentasies verteenwoordig, is die toestand van 'n sub-atomiese deeltjie "vaag" en onduidelik gedefinieer deur 'n kombinasie van al die verskillende toestande wat dit moontlik kan hê, gebaseer op hulle individuele waarskynlikhede dat dit sal gebeur.
Die idee dat deeltjies nie altyd duidelik gedefinieerde voorwerpe met bepaalde plekke en toestande is nie, maar in plaas daarvan op onbepaalde plekke en toestande kan bestaan en slegs waarskynlik hier of daar bestaan – is onteenseglik vreemd. Die waarheid van die kwantum-teorie is egter keer op keer bewys en vorm die basis van baie van ons moderne tegnologie. Dit het 'n dieper begrip ontsluit van doodgewone prosesse soos fotosintese en so onbegryplik groots soos die einde van massiewe gravitasiekolke.
Wat kan dit egter vir die rekenaarwese beteken?
Ene en nulle word opgradeer
Sedert die vroeë 1900's was die basis van rekenaars tweeledig, met ander woorde dit stel inligting voor as 'n versameling van ene en nulle. Om 1 te gebruik vir die voorstelling van "waar" of "aan" en 0 om "onwaar" of "af" voor te stel, is tweeledige rekenkunde fundamenteel vir volledige rekenaarprogrammering, vanaf die toepassings op u slimfoon tot die lewensondersteuningstelsels op die Internasionale ruimtestasie.
Daardie basiese eenheid van inligting – aan of af, waar of vals, 1 of 0 – word 'n "bit" genoem, 'n woord wat afgelei is van die kombinasie van "binêr" en "syfer". Wanneer "bits", wat elk slegs gelyk is aan 1 of 0, in al hoe groter groepe versamel word, groei dit tot bytes [grepe], megabytes [mega-grepe] en gigabytes [giga-grepe], wat toenemend groter hoeveelhede inligting verteenwoordig. Indien u rekenaar byvoorbeeld 500 gigabytes inligting kan stoor, beteken dit dat dit elektriese argitektuur het wat 4,000,000,000,000 bits kan stoor – vier biljoen ene en nulle. Alles op daardie rekenaar word as 'n groep van daardie ene en nulle gestoor.
Die eenvoud van die bit het bewys dat dit 'n fenomenale instrument is wat ons ingewikkelde digitale wêreld in staat stel om te bestaan. Dit ís egter ook beperkend en die toepassing van kwantum-meganika stel 'n belangrike opgradering in die vooruitsig. Indien 'n skakelaar wat slegs "aan" of "af" kan wees nuttig is, wat dan as dit 'n mengsel van albei kan wees?
Dan kry ons die qubit. Waar 'n bit soos 'n kleurpunt [pixel] is, wat beperk is tot slegs swart of wit, is 'n qubit dieselfde as 'n kleurpunt wat albei moontlikhede gelyktydig kan wees as 'n skakering van grys.
Waar 'n klassieke rekenaar se bit beperk is tot 'n waarde van 1 of 0, kan 'n kwantum-rekenaar se qubit in 'n onbepaalde toestand bestaan wat 'n soort kombinasie van 1 en 0 verteenwoordig – 'n superposisie van meervoudige toestande wat gelyktydig gebaseer is op die waarskynlikheidswette van kwantum-meganika. As sodanig maak qubits veel kragtiger probleemoplossings moontlik vir die berekening as wat bits kan doen. Wat nou nóg?
Dit is geïllustreer deur die resultate wat op 23 Oktober 2019 in die wetenskaptydskrif Nature gepubliseer is. Google het aan sy kwantum-rekenaar met die naam "Sycamore" 'n probleem gegee wat dit binne ongeveer 200 sekondes opgelos het. Nature het beraam dat dieselfde berekening 100,000 "normale" rekenaars tot 10,000 jaar sou neem om die probleem op te los.
"Kwantum-oorheersing" is die mylpaal wat verbygesteek word wanneer 'n kwantum-rekenaar 'n resultaat lewer wat effektief onmoontlik is vir klassieke rekenaars. Die oplossing van 'n probleem met een enkele verwerker in minder as drie-en-'n-half minute, wat 100,000 rekenaars langer sou neem as die geskiedenis van die beskawing self, is beslis 'n mylpaal!
Die rekenaarreus IBM het die eis betwis en skat dat sy eie klassieke superrekenaar binne twee-en-'n-half dae dieselfde resultaat sou kon behaal. IBM se superrekenaar met die bynaam "Summit", beslaan die ruimte van twee tennisbane en is tans die vinnigste nie-kwantum-rekenaar op die planeet. Indien Sycamore, wat in 'n kas sou kon inpas, binne 200 sekondes kan bereik wat die Summit meer as twee dae sou neem, is ons regtig op die drumpel van 'n ongekende omwenteling.
Sycamore verteenwoordig slegs 'n ruwe, simplistiese begin van die kwantum-rekenaars wat wetenskaplikes in die vooruitsig stel. Indien dit nog nie hier is nie, is kwantum-oorheersing beslis onderweg.
Wat is die potensiële impak?
Die potensiaal van kwantum-berekening om die wêreld te verander, word duidelik wanneer ons in aanmerking neem hoe noodsaaklik "wiskundige berekenings" in ons lewens geword het. Die dramatiese sprong in die berekeningskrag van kwantum-rekenaarwese het die potensiaal om ons te help om nuwe boumateriale en medisyne te ontwikkel of die vooruitgang van kunsmatige intelligensie te bevorder. Ons kan moontlik vooruitgang sien wat ons onsself op hierdie stadium nog nie eers kan voorstel nie.
Sommige mense bespiegel dat die heelal sélf soos 'n reuse kwantum-rekenaar werk en die aktiwiteite van sy ontelbare deeltjies en kragte van die een einde van die werklikheid na die ander "verwerk". Indien wel, namate rekenaars meer direk die natuur se eie berekenings begin naboots, kan ons nuwe insigte in fisika, chemie en biologie kry – selfs in die argitektuur van die brein self.
Die mensdom het tot nog toe nie bewys gelewer dat hulle die beste rentmeesters van sulke kennis is nie. Soos ons vorder op die pad om meer kennis te kry oor hoe God se merkwaardige skepping werk, kom ons onvermydelik by verskeie kruispaaie met betrekking tot die manier wat ons kies om dit wat ons leer, te gebruik. 'n Begrip van God se ontwerp van materie en energie het ons in staat gestel om die krag van die atoom aan te wend – om ons stede van elektriese krag te voorsien of hulle te vernietig.
Begrip van die onbekende, onverwagte wêreld van kwantum-meganika sal ons by soortgelyke kruispaaie bring. Met watter besluite sal ons gekonfronteer word wanneer ons ten volle in beheer is van kwantum-rekenaars om te gebruik soos ons wil? Sal ons die karakter hê om dit wat ons uit hierdie aspek van God se skepping leer, behoorlik toe te pas?