När Mile Gu startar upp sin nya dator kan han se framtiden. Åtminstone 16 möjliga versioner av det - alla samtidigt.
Gu, biträdande professor i fysik vid Nanyang Technological University i Singapore, arbetar inom kvantberäkning. Denna vetenskapsgren använder de konstiga lagarna som styr universums minsta partiklar för att hjälpa datorer att beräkna mer effektivt.
Till skillnad från klassiska datorer, som lagrar information som bitar (binära siffror på antingen 0 eller 1), kodar kvantdatorer information i kvantbitar eller qubits. Dessa subatomära partiklar kan, tack vare kvantmekanikens konstiga lagar, existera i en superposition av två olika tillstånd på samma gång.
Precis som Schrödingers hypotetiska katt samtidigt var död och levande tills någon öppnade lådan, kan en kvbit i en superposition vara lika med både 0 och 1 tills den mäts. Att lagra flera olika resultat i en enda kvbit kan spara massor av minne jämfört med traditionella datorer, särskilt när det gäller att göra komplicerade förutsägelser.
I en studie som publicerades 9 april i tidskriften Nature Communications, demonstrerade Gu och hans kollegor denna idé med en ny kvantsimulator som kan förutsäga resultaten av 16 olika framtider (motsvarande, till exempel, vända ett mynt fyra gånger i rad) i en kvant-superposition. Dessa möjliga framtider kodades i en enda foton (en kvantpartikel av ljus) som rörde sig ner flera vägar samtidigt medan de passerade genom flera sensorer. Sedan gick forskarna ett steg längre, avfyra två fotoner sida vid sida och spårade hur varje fotons potentiella framtid divergerade under något olika förhållanden.
"Det är på samma sätt som Doctor Strange i filmen 'Avengers: Infinity War'", sa Gu till Live Science. Innan en klimatstrid i den filmen ser den klarsynt läkaren fram emot i tid att se 14 miljoner olika framtider i hopp om att hitta den där hjältarna besegra den stora baddie. "Han gör en kombinerad beräkning av alla dessa möjligheter för att säga, 'OK, om jag ändrade mitt beslut på detta lilla sätt, hur mycket kommer framtiden att förändras?' Detta är den riktning som vår simulering går framåt till. "
Vänd ett kvantmynt
Forskarna testade sin kvantprognosmotor med en klassisk modell som kallas det störda myntet.
"Föreställ dig att det finns en låda, och inuti är det ett enda mynt," sa Gu. "Vid varje steg i processen skakar någon lådan lite, så myntet har en liten sannolikhet att vända."
Till skillnad från en traditionell myntkastning, i vilken utfallet alltid har en lika chans att vara antingen huvud eller svansar, beror resultatet av varje störd myntkastning på tillståndet som myntet var i under föregående steg. Om myntet vippade från huvud till svansar under till exempel den tredje skakningen av lådan, skulle den fjärde skakningen troligen förbli svansar.
Forskarna körde två olika versioner av myntförsöket, en i vilken lådan var jigglade lite starkare och en annan med svagare jiggles. I varje experiment kvittrade lådan fyra gånger, vilket gav 16 möjliga kombinationer av huvuden och svansarna. Efter det fjärde steget kodade teamet dess superposition av alla 16 utfall i en enda foton, samtidigt som det visar sannolikheten för alla möjliga utfall baserat på styrkan som lådan skakades med.
Slutligen kombinerade teamet superpositionerna av det starkt skakade myntet och det svagt skakade myntet för att skapa en huvudkarta över möjliga framtider.
"Detta visade oss hur snabbt terminerna divergerade beroende på hur hårt jag skakade rutan vid varje steg," sade Gu.
Just nu innebär begränsningar för datorkraft att lagets simulator kan titta på endast 16 möjliga framtider på en gång. En dag, emellertid, när kvantdatorer blir större, kraftfullare och vanligare, kan simulatorer som denna utvidgas för att se oändligt många framtider på en gång, sa Gu. Detta kan hjälpa till i saker som väderprognos eller göra mer informerade investeringar på aktiemarknaden. Det kan till och med hjälpa till att förbättra maskininlärningen, som handlar om att lära sig konstgjord intelligens för att göra bättre och bättre förutsägelser.
Detta är allt "mycket exploratory", tilllade Gu, och kommer att kräva massor av ytterligare experiment för att räkna ut alla kvantasimulatorens applikationer. Tyvärr är denna klarsynta dators eget öde en framtid som förblir ett mysterium.
