Deset let pozneje nihče ne ve, kdaj

Manj obveščeni osebi, ki je prebrala cel kup publikacij o kvantnih računalnikih, bi lahko dobil vtis, da so to »gotovi« stroji, ki delujejo na enak način kot običajni računalniki. Nič ne more biti bolj narobe. Nekateri celo verjamejo, da kvantnih računalnikov še ni. Drugi se sprašujejo, za kaj bodo uporabljeni, saj niso zasnovani za zamenjavo sistemov nič ena.

Pogosto slišimo, da se bodo prvi pravi in ​​pravilno delujoči kvantni računalniki pojavili čez približno desetletje. Vendar, kot je v članku zapisal Linley Gwennap, glavni analitik skupine Linley, "ko ljudje rečejo, da se bo kvantni računalnik pojavil čez deset let, ne vedo, kdaj se bo to zgodilo."

Kljub tej nejasni situaciji je vzdušje tekmovanja za t.i. kvantno prevlado. Zaradi zaskrbljenosti zaradi kvantnega dela in napredka Kitajcev je ameriška administracija decembra lani sprejela zakon o nacionalni kvantni pobudi.1). Dokument je namenjen zagotavljanju zvezne podpore za raziskave, razvoj, predstavitev in uporabo kvantnega računalništva in tehnologij. V čarobnih desetih letih bo ameriška vlada porabila milijarde za gradnjo kvantne računalniške infrastrukture, ekosistemov in zaposlovanja ljudi. To so pozdravili vsi večji razvijalci kvantnih računalnikov - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft in Rigetti, pa tudi ustvarjalci kvantnih algoritmov 1QBit in Zapata. Nacionalna kvantna pobuda.

D-WAve pionirji

Leta 2007 je D-Wave Systems predstavil 128-kubitni čip (2) je poklican prvi kvantni računalnik na svetu. Vendar ni bilo gotovo, ali se lahko tako imenuje - prikazano je bilo samo njegovo delo, brez podrobnosti o njegovi konstrukciji. Leta 2009 je D-Wave Systems razvil "kvantni" iskalnik slik za Google. Maja 2011 je Lockheed Martin od D-Wave Systems kupil kvantni računalnik. D-val ena za 10 milijonov dolarjev, ob podpisu večletne pogodbe za njeno delovanje in razvoj povezanih algoritmov.

Leta 2012 je ta stroj pokazal proces iskanja spiralne beljakovinske molekule z najnižjo energijo. Raziskovalci iz D-Wave Systems uporabljajo sisteme z različnimi številkami kubiti, opravil številne matematične izračune, od katerih so nekateri daleč presegali zmožnosti klasičnih računalnikov. Vendar sta v začetku leta 2014 John Smolin in Graham Smith objavila članek, v katerem trdita, da stroj D-Wave Systems ni stroj. Kmalu zatem je Physics of Nature predstavil rezultate poskusov, ki dokazujejo, da je D-Wave One še vedno ...

Drugi test junija 2014 ni pokazal nobene razlike med klasičnim računalnikom in strojem D-Wave Systems, vendar so iz podjetja odgovorili, da je razlika opazna le pri zahtevnejših nalogah od tistih, ki so bile rešene v testu. V začetku leta 2017 je podjetje predstavilo stroj, ki naj bi bil sestavljen iz 2 tisoč kubitovki je bil 2500-krat hitrejši od najhitrejših klasičnih algoritmov. In spet dva meseca pozneje je skupina znanstvenikov dokazala, da ta primerjava ni bila točna. Za mnoge skeptike sistemi D-Wave še vedno niso kvantni računalniki, ampak njihovi simulacije z uporabo klasičnih metod.

Uporablja sistem D-Wave četrte generacije kvantna žarjenjain stanja kubita se uresničujejo s superprevodnimi kvantnimi vezji (na podlagi tako imenovanih Josephsonovih stičišč). Delujejo v okolju blizu absolutne ničle in se ponašajo s sistemom 2048 kubitov. Konec leta 2018 se je na trg predstavil D-Wave JUMP, torej tvoj kvantno aplikacijsko okolje v realnem času (KAE). Rešitev v oblaku zunanjim strankam omogoča dostop do kvantnega računalništva v realnem času.

Februarja 2019 je D-Wave napovedal naslednjo generacijo  Pegasus. Razglašen je bil za "najobsežnejši komercialni kvantni sistem na svetu" s petnajstimi povezavami na kubit namesto šestimi, s več kot 5 kubitov in vklop zmanjševanja hrupa na prej neznani ravni. Naprava naj bi prišla v prodajo sredi prihodnjega leta.

Kubiti ali superpozicije plus prepletanje

Standardni računalniški procesorji se zanašajo na pakete ali dele informacij, od katerih vsak predstavlja en sam odgovor z da ali ne. Kvantni procesorji so različni. Ne delujejo v svetu nič ena. komolčna kost, najmanjša in nedeljiva enota kvantne informacije je opisani dvodimenzionalni sistem Hilbertov prostor. Zato se od klasičnega utripa razlikuje po tem, da je lahko v kakršna koli superpozicija dve kvantni stanji. Fizični model kubita je najpogosteje podan kot primer delca s spinom ½, kot je elektron, ali polarizacija enega samega fotona.

Če želite izkoristiti moč kubitov, jih morate povezati s postopkom, imenovanim zmedenost. Z vsakim dodanim qubitom je procesorska moč procesorja dvojice sebe, saj število zapletov spremlja preplet novega kubita z vsemi stanji, ki so že na voljo v procesorju (3). Toda ustvarjanje in združevanje kubitov ter jim nato povedati, naj izvajajo zapletene izračune, ni lahka naloga. Ostanejo izjemno občutljivi na zunanje vplivekar lahko privede do računskih napak in v najslabšem primeru do razpada zapletenih kubitov, t.j. dekoherencakar je pravo prekletstvo kvantnih sistemov. Ko se dodajo dodatni kubiti, se škodljivi učinki zunanjih sil povečajo. Eden od načinov za reševanje te težave je omogočiti dodatne kubiti "Nadzor"katerega edina funkcija je preverjanje in popravljanje izhoda.

3. Simbolična predstavitev 50-kubitnega sistema IBM

Vendar to pomeni, da bodo potrebni močnejši kvantni računalniki, uporabni za reševanje kompleksnih problemov, kot je določanje, kako se beljakovinske molekule zložijo, ali simulacija fizičnih procesov znotraj atomov. veliko kubitov. Tom Watson z Univerze v Delftu na Nizozemskem je nedavno za BBC News povedal:

-

Skratka, če naj bi kvantni računalniki vzleteli, morate najti preprost način za proizvodnjo velikih in stabilnih procesorjev qubit.

Ker so kubiti nestabilni, je izredno težko ustvariti sistem z mnogimi od njih. Torej, če na koncu kubiti kot koncept kvantnega računalništva ne uspejo, imajo znanstveniki alternativo: kubitna kvantna vrata.

Ekipa z univerze Purdue je v npj Quantum Information objavila študijo, v kateri je podrobno opisano njihovo ustvarjanje. Znanstveniki verjamejo, da kuditsza razliko od kubitov lahko obstajajo v več kot dveh stanjih, kot so 0, 1 in 2, za vsako dodano stanje pa se poveča računska moč enega kudita. Z drugimi besedami, morate kodirati in obdelati enako količino informacij. manj slave kot kubiti.

Za ustvarjanje kvantnih vrat, ki vsebujejo qudit, je ekipa Purdue kodirala štiri qudite v dva zapletena fotona glede na frekvenco in čas. Ekipa je izbrala fotone, ker ne vplivajo tako enostavno na okolje, uporaba več domen pa je omogočila več prepletenosti z manj fotoni. Končna vrata so imela procesorsko moč 20 kubitov, čeprav so zahtevala le štiri kudite, z dodatno stabilnostjo zaradi uporabe fotonov, zaradi česar je obetaven sistem za prihodnje kvantne računalnike.

Silikonske ali ionske pasti

Čeprav se vsi ne strinjajo s tem mnenjem, se zdi, da ima uporaba silicija za gradnjo kvantnih računalnikov velike koristi, saj je tehnologija silicija dobro uveljavljena in z njo je že povezana velika industrija. Silicij se uporablja v Googlovih in IBM-ovih kvantnih procesorjih, čeprav je v njih ohlajen na zelo nizke temperature. Ni idealen material za kvantne sisteme, vendar znanstveniki delajo na tem.

Glede na nedavno objavo v Nature je skupina raziskovalcev uporabila mikrovalovno energijo za poravnavo dveh elektronskih delcev, suspendiranih v siliciju, in ju nato uporabila za izvedbo serije testnih izračunov. Skupina, ki je vključevala predvsem znanstvenike z univerze Wisconsin-Madison, je "visila" posamezne elektronske kubite v silicijevi strukturi, katere vrtenje je določala energija mikrovalovnega sevanja. V superpoziciji se je elektron istočasno vrtel okoli dveh različnih osi. Dva kubita sta bila nato združena in programirana za izvedbo testnih izračunov, nato pa so raziskovalci primerjali podatke, ki jih je ustvaril sistem, s podatki, prejetimi iz standardnega računalnika, ki je izvajal enake testne izračune. Po popravku podatkov se programira dvobitni kvantni silicijev procesor.

Čeprav je odstotek napak še vedno precej višji kot pri tako imenovanih ionskih pasteh (napravah, v katerih so za nekaj časa shranjeni nabiti delci, kot so ioni, elektroni, protoni) ali računalnikih.  Na podlagi superprevodnikov, kot je D-Wave, dosežek ostaja izjemen, saj je izolacija kubitov od zunanjega hrupa izjemno težavna. Strokovnjaki vidijo možnosti za skaliranje in izboljšanje sistema. In uporaba silicija je s tehnološkega in ekonomskega vidika pri tem ključnega pomena.

Vendar pa za mnoge raziskovalce silicij ni prihodnost kvantnih računalnikov. Decembra lani so se pojavile informacije, da so inženirji ameriškega podjetja IonQ uporabili iterbij za ustvarjanje najproduktivnejšega kvantnega računalnika na svetu, ki je presegel sisteme D-Wave in IBM.

Rezultat je bil stroj, ki je vseboval en sam atom v ionski pasti (4) za kodiranje uporablja en sam podatkovni kubit, kubiti pa se nadzorujejo in merijo s posebnimi laserskimi impulzi. Računalnik ima pomnilnik, ki lahko shrani 160 kubitov podatkov. Prav tako lahko hkrati izvaja izračune na 79 kubitih.

4. Shema ionske pasti IonQ

Znanstveniki iz podjetja IonQ so izvedli standardni test t.i Bernstein-Vaziranski algoritem. Naloga stroja je bila uganiti število med 0 in 1023. Klasični računalniki sprejmejo enajst ugibanj za 10-bitno število. Kvantni računalniki uporabljajo dva pristopa za ugibanje rezultata s 100-odstotno gotovostjo. V prvem poskusu je kvantni računalnik IonQ uganil povprečno 73 % danih številk. Ko se algoritem zažene za poljubno število med 1 in 1023, je stopnja uspešnosti za običajen računalnik 0,2 %, medtem ko je za IonQ 79 %.

Strokovnjaki IonQ menijo, da so sistemi, ki temeljijo na ionskih pasteh, boljši od silicijevih kvantnih računalnikov, ki jih gradijo Google in druga podjetja. Njihova 79-kubitna matrica je za 7 kubitov boljša od Googlovega kvantnega procesorja Bristlecone. Rezultat IonQ je senzacionalen tudi, ko gre za čas delovanja sistema. Po besedah ​​ustvarjalcev stroja za en sam kubit ostaja 99,97 %, kar pomeni 0,03 % stopnjo napake, medtem ko so najboljši rezultati tekmovanja v povprečju znašali okoli 0,5 %. Stopnja 99,3-bitne napake za napravo IonQ bi morala biti 95 %, medtem ko večina konkurence ne presega XNUMX %.

Po mnenju Googlovih raziskovalcev je to vredno dodati kvantno prevlado – točko, na kateri kvantni računalnik prekaša vse druge razpoložljive stroje – je že mogoče doseči s kvantnim računalnikom z 49 kubiti, pod pogojem, da je stopnja napak na dvokubitnih vratih pod 0,5 %. Vendar se metoda ionske pasti v kvantnem računalništvu še vedno sooča z velikimi ovirami, ki jih je treba premagati: počasen čas izvajanja in ogromna velikost, pa tudi natančnost in razširljivost tehnologije.

Trdnjava šifr v ruševinah in druge posledice

Januarja 2019 je na sejmu CES 2019 izvršni direktor IBM-a Ginni Rometty objavil, da IBM že ponuja integriran kvantni računalniški sistem za komercialno uporabo. IBM kvantni računalniki5) se fizično nahajajo v New Yorku kot del sistema IBM Q System One. Z uporabo omrežja Q in Q Quantum Computational Center lahko razvijalci enostavno uporabljajo programsko opremo Qiskit za prevajanje kvantnih algoritmov. Tako je računalniška moč IBM-ovih kvantnih računalnikov na voljo kot storitev računalništva v oblaku, po razumni ceni.

Tudi D-Wave že nekaj časa ponuja tovrstne storitve, drugi večji igralci (na primer Amazon) pa načrtujejo podobne ponudbe kvantnih oblakov. Microsoft je z uvodom šel še dlje Programski jezik Q# (izgovarja se kot), ki lahko deluje z Visual Studio in deluje na prenosnem računalniku. Programerji imajo orodje za simulacijo kvantnih algoritmov in ustvarjanje programskega mostu med klasičnim in kvantnim računalništvom.

Vendar se postavlja vprašanje, za kaj so lahko računalniki in njihova računalniška moč pravzaprav uporabni? V študiji, objavljeni oktobra lani v reviji Science, so znanstveniki iz IBM-a, Univerze Waterloo in Tehnične univerze v Münchnu poskušali približati vrste problemov, za katere se zdi, da so kvantni računalniki najbolj primerni za reševanje.

Glede na študijo bodo takšne naprave sposobne reševati zapletene linearna algebra in optimizacijski problemi. Sliši se nejasno, a morda obstajajo priložnosti za enostavnejše in cenejše rešitve vprašanj, ki trenutno zahtevajo veliko truda, sredstev in časa, včasih pa so izven našega dosega.

5. IBM kvantni računalnik

Uporabno kvantno računalništvo diametralno spremenili področje kriptografije. Zahvaljujoč njim bi lahko šifrirne kode hitro razbili in morda tehnologija blockchain bo uničena. Šifriranje RSA se zdaj zdi močna in neuničljiva obramba, ki ščiti večino podatkov in komunikacij na svetu. Vendar pa lahko dovolj zmogljiv kvantni računalnik zlahka zlomite šifriranje RSA s pomočjo Shorin algoritem.

Kako to preprečiti? Nekateri zagovarjajo povečanje dolžine javnih šifrirnih ključev na velikost, ki je potrebna za premagovanje kvantnega dešifriranja. Za druge bi ga bilo treba uporabljati samostojno, da bi zagotovili varno komunikacijo. Zahvaljujoč kvantni kriptografiji bi jih že samo dejanje prestrezanja podatkov pokvarilo, nakar oseba, ki posega v delec, iz njega ne bi mogla dobiti koristnih informacij, prejemnik pa bi bil opozorjen na poskus prisluškovanja.

Pogosto se omenjajo tudi možne aplikacije kvantnega računalništva. ekonomske analize in napovedi. Zahvaljujoč kvantnim sistemom je mogoče kompleksne modele tržnega obnašanja razširiti tako, da vključujejo veliko več spremenljivk kot prej, kar vodi do natančnejših diagnoz in napovedi. S hkratno obdelavo na tisoče spremenljivk s kvantnim računalnikom bi bilo mogoče tudi zmanjšati čas in stroške, potrebne za razvoj. nova zdravila, transportne in logistične rešitve, dobavne verige, podnebni modelikot tudi za reševanje mnogih drugih problemov velikanske kompleksnosti.

Nevenin zakon

Svet starih računalnikov je imel svoj Moorov zakon, kvantne računalnike pa mora voditi t.i. Nevenin zakon. Svoje ime dolguje enemu najvidnejših kvantnih strokovnjakov pri Googlu, Hartmut Nevena (6), ki navaja, da se trenutno razvija napredek v tehnologiji kvantnega računalništva dvojna eksponentna hitrost.

To pomeni, da namesto podvojitve zmogljivosti z zaporednimi iteracijami, kot je bilo v primeru klasičnih računalnikov in Moorovega zakona, kvantna tehnologija izboljša zmogljivost veliko hitreje.

Strokovnjaki napovedujejo pojav kvantne superiornosti, ki jo je mogoče prevesti ne le v superiornost kvantnih računalnikov nad kakršnimi koli klasičnimi, ampak tudi na druge načine – kot začetek ere uporabnih kvantnih računalnikov. To bo utrlo pot za preboj na področju kemije, astrofizike, medicine, varnosti, komunikacij in še več.

Obstaja pa tudi mnenje, da takšne superiornosti ne bo nikoli, vsaj ne v bližnji prihodnosti. Lažja različica skepticizma je to kvantni računalniki ne bodo nikoli nadomestili klasičnih računalnikov, ker za to niso zasnovani. iPhonea ali osebnega računalnika ne morete zamenjati s kvantnim strojem, tako kot ne morete zamenjati teniških copat z jedrsko letalonosilko.. Klasični računalniki vam omogočajo igranje iger, preverjanje e-pošte, brskanje po spletu in zagon programov. Kvantni računalniki v večini primerov izvajajo simulacije, ki so preveč zapletene za binarne sisteme, ki delujejo na računalniških bitih. Z drugimi besedami, posamezni potrošniki ne bodo imeli skoraj nobene koristi od lastnega kvantnega računalnika, vendar bo resnična korist od izuma na primer NASA ali Massachusetts Institute of Technology.

Čas bo pokazal, kateri pristop je bolj primeren - IBM ali Google. Po Nevenovem zakonu nas loči le še nekaj mesecev od popolne demonstracije kvantne superiornosti ene ali druge ekipe. In to ni več možnost »čez deset let, torej nihče ne ve kdaj«.