Dziesięć lat później nikt nie wie kiedy

Osoba mniej poinformowana, która przeczytała całą masę publikacji na temat komputerów kwantowych, może odnieść wrażenie, że są to maszyny „z półki”, które działają tak samo, jak zwykłe komputery. Nic bardziej mylnego. Niektórzy nawet uważają, że nie ma jeszcze komputerów kwantowych. A inni zastanawiają się, do czego będą służyć, skoro nie mają zastąpić układów zero-jedynkowych.

Często słyszymy, że pierwsze prawdziwe i poprawnie działające komputery kwantowe pojawią się za około dekadę. Jednak, jak zauważył w artykule Linley Gwennap, główny analityk Linley Group, „kiedy ludzie mówią, że komputer kwantowy pojawi się za dziesięć lat, nie wiedzą, kiedy to się stanie”.

Mimo tej niejasnej sytuacji atmosfera rywalizacji o tzw. dominacja kwantowa. Zaniepokojona pracami kwantowymi i postępami Chińczyków administracja USA uchwaliła w grudniu zeszłego roku National Quantum Initiative Act.1). Dokument ma na celu zapewnienie federalnego wsparcia dla badań, rozwoju, demonstracji i zastosowania obliczeń i technologii kwantowych. W ciągu magicznych dziesięciu lat rząd USA wyda miliardy na budowę infrastruktury obliczeń kwantowych, ekosystemów i rekrutację ludzi. Z zadowoleniem przyjęli to wszyscy główni twórcy komputerów kwantowych – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft i Rigetti, a także twórcy algorytmów kwantowych 1QBit i Zapata. Narodowa Inicjatywa Kwantowa.

Pionierzy D-WAve

W 2007 roku firma D-Wave Systems wprowadziła 128-kubitowy chip (2), jest nazywany pierwszy na świecie komputer kwantowy. Nie było jednak pewności, czy można to tak nazwać - pokazano tylko jego dzieło, bez żadnych szczegółów jego budowy. W 2009 roku firma D-Wave Systems opracowała wyszukiwarkę obrazów „kwantowych” dla Google. W maju 2011 roku Lockheed Martin nabył komputer kwantowy od D-Wave Systems. Pierwsza fala D za 10 mln dolarów, podpisując jednocześnie wieloletni kontrakt na jego obsługę i rozwój związanych z nim algorytmów.

W 2012 roku maszyna ta zademonstrowała proces znajdowania helikalnej cząsteczki białka o najniższej energii. Naukowcy z D-Wave Systems używają systemów o różnych numerach kubity, wykonał szereg obliczeń matematycznych, z których niektóre znacznie wykraczały poza możliwości klasycznych komputerów. Jednak na początku 2014 roku John Smolin i Graham Smith opublikowali artykuł, w którym twierdzili, że maszyna D-Wave Systems nie była maszyną. Wkrótce potem Physics of Nature przedstawiło wyniki eksperymentów dowodzących, że D-Wave One jest nadal...

Kolejny test przeprowadzony w czerwcu 2014 roku nie wykazał żadnej różnicy między klasycznym komputerem a maszyną D-Wave Systems, ale firma odpowiedziała, że ​​różnica jest zauważalna tylko w przypadku bardziej złożonych zadań niż te rozwiązywane w teście. Na początku 2017 roku firma zaprezentowała maszynę rzekomo składającą się z 2 tysiące kubitówktóry był 2500 razy szybszy niż najszybsze algorytmy klasyczne. I znowu, dwa miesiące później, grupa naukowców udowodniła, że ​​to porównanie nie było trafne. Dla wielu sceptyków systemy D-Wave to wciąż nie komputery kwantowe, tylko ich symulacje stosując klasyczne metody.

Wykorzystuje system D-Wave czwartej generacji wyżarzania kwantowea stany kubitu realizowane są przez nadprzewodzące obwody kwantowe (oparte na tzw. złączach Josephsona). Działają w środowisku bliskim zera absolutnego i mogą pochwalić się systemem 2048 kubitów. Pod koniec 2018 roku na rynek wszedł D-Wave SKOK, to jest twój środowisko aplikacji kwantowych czasu rzeczywistego (KAE). Rozwiązanie w chmurze umożliwia zewnętrznym klientom dostęp do obliczeń kwantowych w czasie rzeczywistym.

W lutym 2019 roku firma D-Wave ogłosiła następną generację  Pegaz. Ogłoszono, że jest to „najbardziej rozbudowany komercyjny system kwantowy na świecie” z piętnastoma połączeniami na kubit zamiast sześciu, z ponad 5 kubitów oraz włączenie redukcji szumów na nieznanym wcześniej poziomie. Urządzenie powinno pojawić się w sprzedaży w połowie przyszłego roku.

Kubity, czyli superpozycje plus splątanie

Standardowe procesory komputerowe opierają się na pakietach lub fragmentach informacji, z których każdy reprezentuje pojedynczą odpowiedź tak lub nie. Procesory kwantowe są różne. Nie działają w świecie zero-jedynkowym. kość łokciowa, najmniejszą i niepodzielną jednostką informacji kwantowej jest opisany układ dwuwymiarowy przestrzeń Hilberta. Dlatego różni się od klasycznego beatu tym, że może być w jakakolwiek superpozycja dwa stany kwantowe. Fizyczny model kubitu jest najczęściej podawany jako przykład cząstki o spinie ½, takiej jak elektron, lub polaryzacji pojedynczego fotonu.

Aby wykorzystać moc kubitów, musisz połączyć je w procesie zwanym zamieszanie. Z każdym dodanym kubitem moc obliczeniowa procesora debel siebie, ponieważ liczbie splątań towarzyszy splątanie nowego kubitu ze wszystkimi stanami już dostępnymi w procesorze (3). Ale tworzenie i łączenie kubitów, a następnie nakazywanie im wykonywania skomplikowanych obliczeń nie jest łatwym zadaniem. Oni zostają niezwykle wrażliwy na wpływy zewnętrzneco może prowadzić do błędów obliczeniowych, a w najgorszym przypadku do rozpadu splątanych kubitów, tj. dekoherencjaco jest prawdziwym przekleństwem systemów kwantowych. W miarę dodawania kolejnych kubitów zwiększają się niekorzystne skutki sił zewnętrznych. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest włączenie dodatkowych kubity "KONTROLA"którego jedyną funkcją jest sprawdzanie i korygowanie danych wyjściowych.

3. Symboliczna reprezentacja 50-kubitowego systemu IBM

Oznacza to jednak, że potrzebne będą potężniejsze komputery kwantowe, przydatne do rozwiązywania złożonych problemów, takich jak określanie sposobu fałdowania cząsteczek białek lub symulowanie procesów fizycznych wewnątrz atomów. bardzo kubit. Tom Watson z University of Delft w Holandii powiedział niedawno BBC News:

-

Krótko mówiąc, jeśli komputery kwantowe mają wystartować, trzeba wymyślić łatwy sposób produkcji dużych i stabilnych procesorów kubitowych.

Ponieważ kubity są niestabilne, niezwykle trudno jest stworzyć system z wieloma z nich. Więc jeśli ostatecznie kubity jako koncepcja obliczeń kwantowych zawiodą, naukowcy mają alternatywę: kubitowe bramki kwantowe.

Zespół z Purdue University opublikował badanie w npj Quantum Information szczegółowo opisując ich stworzenie. Naukowcy w to wierzą kudityw przeciwieństwie do kubitów mogą istnieć w więcej niż dwóch stanach — na przykład 0, 1 i 2 — a dla każdego dodanego stanu moc obliczeniowa jednego qudita wzrasta. Innymi słowy, musisz zakodować i przetworzyć taką samą ilość informacji. mniej chwały niż kubity.

Aby stworzyć bramki kwantowe zawierające qudity, zespół Purdue zakodował cztery qudity w dwa splątane fotony pod względem częstotliwości i czasu. Zespół wybrał fotony, ponieważ nie wpływają one tak łatwo na środowisko, a użycie wielu domen pozwoliło na większe splątanie przy mniejszej liczbie fotonów. Gotowa bramka miała moc obliczeniową 20 kubitów, chociaż wymagała tylko czterech kubitów, z dodatkową stabilnością dzięki wykorzystaniu fotonów, co czyni ją obiecującym systemem dla przyszłych komputerów kwantowych.

Pułapki silikonowe lub jonowe

Choć nie wszyscy podzielają tę opinię, wykorzystanie krzemu do budowy komputerów kwantowych wydaje się mieć ogromne zalety, ponieważ technologia krzemowa jest już dobrze ugruntowana i jest z nią powiązany duży przemysł. Krzem jest używany w procesorach kwantowych Google i IBM, chociaż jest w nich schładzany do bardzo niskich temperatur. Nie jest to idealny materiał na układy kwantowe, ale naukowcy nad nim pracują.

Według niedawnej publikacji w Nature, zespół naukowców wykorzystał energię mikrofal do wyrównania dwóch cząstek elektronów zawieszonych w krzemie, a następnie wykorzystał je do wykonania serii obliczeń testowych. Grupa, w skład której weszli m.in. naukowcy z University of Wisconsin-Madison, "zawiesiła" pojedyncze kubity elektroniczne w krzemowej strukturze, której spin wyznaczała energia promieniowania mikrofalowego. W superpozycji elektron obraca się jednocześnie wokół dwóch różnych osi. Dwa kubity zostały następnie połączone i zaprogramowane do wykonywania obliczeń testowych, po czym naukowcy porównali dane wygenerowane przez system z danymi otrzymanymi ze standardowego komputera wykonującego te same obliczenia testowe. Po poprawieniu danych programowalny dwubitowy kwantowy procesor krzemowy.

Choć odsetek błędów jest wciąż znacznie wyższy niż w tzw.  oparte na nadprzewodnikach, takich jak D-Wave, osiągnięcie pozostaje niezwykłe, ponieważ izolowanie kubitów od szumów zewnętrznych jest niezwykle trudne. Specjaliści widzą możliwości skalowania i ulepszania systemu. A zastosowanie krzemu, z technologicznego i ekonomicznego punktu widzenia, ma tu kluczowe znaczenie.

Jednak dla wielu badaczy krzem nie jest przyszłością komputerów kwantowych. W grudniu ubiegłego roku pojawiła się informacja, że ​​inżynierowie amerykańskiej firmy IonQ wykorzystali iterb do stworzenia najbardziej produktywnego na świecie komputera kwantowego, przewyższającego systemy D-Wave i IBM.

Rezultatem była maszyna zawierająca pojedynczy atom w pułapce jonowej (4) wykorzystuje pojedynczy kubit danych do kodowania, a kubity są kontrolowane i mierzone za pomocą specjalnych impulsów laserowych. Komputer ma pamięć, która może przechowywać 160 kubitów danych. Może również wykonywać obliczenia jednocześnie na 79 kubitach.

4. Schemat pułapki jonowej IonQ

Naukowcy z IonQ przeprowadzili standardowy test tzw Algorytm Bernsteina-Waziraniego. Zadaniem maszyny było odgadnięcie liczby z przedziału od 0 do 1023. Klasyczne komputery wymagają jedenastu zgadnięć dla liczby 10-bitowej. Komputery kwantowe stosują dwa podejścia do odgadnięcia wyniku ze 100% pewnością. Przy pierwszej próbie komputer kwantowy IonQ odgadł średnio 73% podanych liczb. Kiedy algorytm jest uruchamiany dla dowolnej liczby z przedziału od 1 do 1023, wskaźnik sukcesu dla typowego komputera wynosi 0,2%, podczas gdy dla IonQ jest to 79%.

Eksperci IonQ uważają, że systemy oparte na pułapkach jonowych przewyższają krzemowe komputery kwantowe, które buduje Google i inne firmy. Ich 79-kubitowa matryca przewyższa procesor kwantowy Bristlecone firmy Google o 7 kubitów. Wynik IonQ jest również rewelacyjny, jeśli chodzi o czas pracy systemu. Według twórców maszyny, dla pojedynczego kubitu utrzymuje się on na poziomie 99,97%, co oznacza poziom błędu na poziomie 0,03%, podczas gdy najlepsze wyniki konkurencji wynosiły średnio około 0,5%. Dwubitowy współczynnik błędów dla urządzenia IonQ powinien wynosić 99,3%, podczas gdy większość konkurentów nie przekracza 95%.

Warto dodać, że według badaczy Google supremacja kwantowa – punkt, w którym komputer kwantowy przewyższa wszystkie inne dostępne maszyny – można już osiągnąć za pomocą komputera kwantowego z 49 kubitami, pod warunkiem, że poziom błędu na bramkach dwukubitowych wynosi poniżej 0,5%. Jednak metoda pułapki jonowej w obliczeniach kwantowych wciąż napotyka na poważne przeszkody do pokonania: powolny czas wykonania i ogromny rozmiar, a także dokładność i skalowalność technologii.

Twierdza szyfrów w ruinie i inne konsekwencje

W styczniu 2019 roku na targach CES 2019 dyrektor generalny IBM, Ginni Rometty, ogłosił, że IBM oferuje już zintegrowany system obliczeń kwantowych do użytku komercyjnego. komputery kwantowe IBM5) są fizycznie zlokalizowane w Nowym Jorku jako część systemu IBM Q System One .,. Korzystając z Q Network i Q Quantum Computational Center, programiści mogą z łatwością używać oprogramowania Qiskit do kompilowania algorytmów kwantowych. Tak więc moc obliczeniowa komputerów kwantowych IBM jest dostępna jako usługa przetwarzania w chmurze, o rozsądnej cenie.

D-Wave również świadczy takie usługi od jakiegoś czasu, a inni główni gracze (tacy jak Amazon) planują podobne oferty chmury kwantowej. Microsoft poszedł dalej z wprowadzeniem Język programowania Q# (wymawiane jak), które mogą współpracować z Visual Studio i działać na laptopie. Programiści dysponują narzędziem do symulacji algorytmów kwantowych i tworzenia pomostu programowego między komputerami klasycznymi i kwantowymi.

Pytanie jednak, do czego tak naprawdę mogą się przydać komputery i ich moc obliczeniowa? W badaniu opublikowanym w październiku ubiegłego roku w czasopiśmie Science naukowcy z IBM, Uniwersytetu Waterloo i Uniwersytetu Technicznego w Monachium podjęli próbę przybliżenia rodzajów problemów, do których rozwiązania najlepiej nadają się komputery kwantowe.

Według badań takie urządzenia będą w stanie rozwiązać złożone algebra liniowa i problemy optymalizacji. Brzmi niejasno, ale mogą istnieć możliwości prostszego i tańszego rozwiązania problemów, które obecnie wymagają dużego wysiłku, zasobów i czasu, a czasem są poza naszym zasięgiem.

5. Komputer kwantowy IBM

Przydatne obliczenia kwantowe diametralnie zmienić dziedzinę kryptografii. Dzięki nim można było szybko złamać kody szyfrujące i ewentualnie technologia blockchain zostanie zniszczona. Szyfrowanie RSA wydaje się być teraz silną i niezniszczalną ochroną, która chroni większość danych i komunikacji na świecie. Jednak wystarczająco potężny komputer kwantowy może z łatwością złamać szyfrowanie RSA przez Algorytm Shora.

Jak temu zapobiec? Niektórzy opowiadają się za zwiększeniem długości publicznych kluczy szyfrujących do rozmiaru potrzebnego do przezwyciężenia deszyfrowania kwantowego. W przypadku innych powinien być używany samodzielnie, aby zapewnić bezpieczną komunikację. Dzięki kryptografii kwantowej samo przechwycenie danych spowodowałoby ich uszkodzenie, po czym osoba ingerująca w cząsteczkę nie byłaby w stanie wydobyć z niej użytecznych informacji, a odbiorca zostałby ostrzeżony o próbie podsłuchu.

Często wspomina się również o potencjalnych zastosowaniach obliczeń kwantowych. analizy ekonomiczne i prognozy. Dzięki systemom kwantowym złożone modele zachowań rynkowych można rozszerzyć o znacznie więcej zmiennych niż wcześniej, co prowadzi do dokładniejszych diagnoz i prognoz. Dzięki jednoczesnemu przetwarzaniu tysięcy zmiennych przez komputer kwantowy możliwe byłoby również skrócenie czasu i kosztów potrzebnych do opracowania. nowe leki, rozwiązania transportowe i logistyczne, łańcuchy dostaw, modele klimatycznejak również do rozwiązywania wielu innych problemów o gigantycznej złożoności.

Prawo Marigolda

Świat starych komputerów miał swoje własne prawo Moore'a, podczas gdy komputery kwantowe muszą kierować się tzw Prawo Marigolda. Swoją nazwę zawdzięcza jednemu z najwybitniejszych specjalistów kwantowych w Google, Hartmut Nevena (6), który stwierdza, że ​​postępy w technologii obliczeń kwantowych są obecnie dokonywane w podwójna prędkość wykładnicza.

Oznacza to, że zamiast podwajać wydajność w kolejnych iteracjach, jak to miało miejsce w przypadku klasycznych komputerów i prawa Moore'a, technologia kwantowa poprawia wydajność znacznie szybciej.

Eksperci przewidują nadejście wyższości kwantowej, co można przełożyć nie tylko na wyższość komputerów kwantowych nad jakimikolwiek klasycznymi, ale także w inny sposób – jako początek ery użytecznych komputerów kwantowych. Utoruje to drogę do przełomowych odkryć w chemii, astrofizyce, medycynie, bezpieczeństwie, komunikacji i nie tylko.

Jednak istnieje również opinia, że ​​taka przewaga nigdy nie będzie istnieć, przynajmniej nie w dającej się przewidzieć przyszłości. Jest to łagodniejsza wersja sceptycyzmu komputery kwantowe nigdy nie zastąpią klasycznych komputerów, ponieważ nie są do tego zaprojektowane. Nie można zastąpić iPhone'a ani komputera PC maszyną kwantową, tak jak nie można zastąpić tenisówek atomowym lotniskowcem.. Klasyczne komputery umożliwiają granie w gry, sprawdzanie poczty e-mail, surfowanie po Internecie i uruchamianie programów. Komputery kwantowe w większości przypadków wykonują symulacje, które są zbyt złożone dla systemów binarnych działających na bitach komputerowych. Innymi słowy, indywidualni konsumenci nie odniosą prawie żadnej korzyści z własnego komputera kwantowego, ale rzeczywistymi beneficjentami wynalazku będą np. NASA czy Massachusetts Institute of Technology.

Czas pokaże, które podejście jest bardziej odpowiednie – IBM czy Google. Zgodnie z prawem Nevena dzieli nas zaledwie kilka miesięcy od pełnej demonstracji wyższości kwantowej przez ten czy inny zespół. I to już nie jest perspektywa „za dziesięć lat, to znaczy nie wiadomo kiedy”.