Deset godina kasnije niko ne zna kada

Za manje upućenu osobu koja je pročitala gomilu publikacija o kvantnim računarima, mogao bi se steći utisak da su to „gotove” mašine koje rade na isti način kao i obični računari. Ništa ne može biti lošije. Neki čak veruju da još ne postoje kvantni kompjuteri. A drugi se pitaju za šta će se koristiti, jer nisu dizajnirani da zamene nula-jedan sisteme.

Često čujemo da će se prvi pravi i ispravno funkcionalni kvantni kompjuteri pojaviti za otprilike deset godina. Međutim, kako je Linley Gwennap, glavni analitičar u Linley Group, primijetio u članku, "kada ljudi kažu da će se kvantni kompjuter pojaviti za deset godina, ne znaju kada će se to dogoditi."

Uprkos ovoj nejasnoj situaciji, atmosfera takmičenja za tzv. kvantna dominacija. Zabrinuta zbog kvantnog rada i uspjeha Kineza, američka administracija je prošlog decembra usvojila Zakon o nacionalnoj kvantnoj inicijativi (1). Dokument je namijenjen da pruži federalnu podršku istraživanju, razvoju, demonstraciji i primjeni kvantnog računarstva i tehnologija. U magičnih deset godina, američka vlada će potrošiti milijarde na izgradnju infrastrukture kvantne računarstva, ekosistema i zapošljavanje ljudi. Svi glavni programeri kvantnih računara - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft i Rigetti, kao i kreatori kvantnih algoritama 1QBit i Zapata su to pozdravili. Nacionalna kvantna inicijativa.

D-WAve pioniri

Godine 2007, D-Wave Systems je predstavio 128-kubitni čip (2), se zove prvi kvantni kompjuter na svijetu. Međutim, nije bilo izvesnosti da li bi se to moglo tako nazvati - prikazan je samo njegov rad, bez ikakvih detalja o njegovoj konstrukciji. D-Wave Systems je 2009. godine razvio "kvantni" pretraživač slika za Google. U maju 2011. Lockheed Martin je kupio kvantni računar od D-Wave Systemsa. D-talas jedan za 10 miliona dolara, uz potpisivanje višegodišnjeg ugovora o svom radu i razvoju povezanih algoritama.

Ova mašina je 2012. godine demonstrirala proces pronalaženja spiralnog proteinskog molekula sa najnižom energijom. Istraživači iz D-Wave Systems-a koriste sisteme sa različitim brojevima kubiti, izvršio niz matematičkih proračuna, od kojih su neki bili daleko izvan mogućnosti klasičnih računara. Međutim, početkom 2014. godine John Smolin i Graham Smith objavili su članak u kojem tvrde da mašina D-Wave Systems nije mašina. Ubrzo nakon toga, Physics of Nature predstavila je rezultate eksperimenata koji dokazuju da je D-Wave One još uvijek ...

Drugi test u junu 2014. nije pokazao razliku između klasičnog računara i mašine D-Wave Systems, ali je kompanija odgovorila da je razlika vidljiva samo za složenije zadatke od onih koji su rešeni na testu. Početkom 2017. godine kompanija je predstavila mašinu koja se navodno sastoji od 2 hiljade kubitakoji je bio 2500 puta brži od najbržih klasičnih algoritama. I opet, dva mjeseca kasnije, grupa naučnika je dokazala da ovo poređenje nije tačno. Za mnoge skeptike, D-Wave sistemi još uvijek nisu kvantni kompjuteri, već njihovi simulacije koristeći klasične metode.

D-Wave sistem koristi četvrtu generaciju kvantna žarenjaa stanja kubita se realizuju supravodljivim kvantnim krugovima (baziranim na tzv. Josephsonovim spojevima). Oni rade u okruženju blizu apsolutne nule i mogu se pohvaliti sistemom od 2048 kubita. Krajem 2018. godine, D-Wave je uveden na tržište BOUNCE, odnosno vaš kvantno aplikacijsko okruženje u realnom vremenu (KAE). Rješenje u oblaku omogućava vanjskim klijentima pristup kvantnom računarstvu u realnom vremenu.

U februaru 2019. D-Wave je najavio sljedeću generaciju  Pegasus. Najavljeno je da je to "najobimniji komercijalni kvantni sistem na svijetu" sa petnaest veza po kubitu umjesto šest, sa preko 5 kubita i uključivanje smanjenja buke na prethodno nepoznatom nivou. Uređaj bi se u prodaji trebao pojaviti sredinom sljedeće godine.

Kubiti ili superpozicije plus isprepletanje

Standardni računarski procesori se oslanjaju na pakete ili delove informacija, od kojih svaki predstavlja jedan odgovor da ili ne. Kvantni procesori su različiti. Oni ne rade u svetu nula jedan. kost lakta, najmanja i nedjeljiva jedinica kvantne informacije je opisani dvodimenzionalni sistem hilbertov prostor. Stoga se razlikuje od klasičnog beat-a po tome što može biti in bilo superpozicije dva kvantna stanja. Fizički model kubita najčešće se navodi kao primjer čestice sa spinom ½, kao što je elektron, ili polarizacija jednog fotona.

Da biste iskoristili snagu kubita, morate ih povezati kroz proces koji se zove konfuzija. Sa svakim dodatim kubitom, procesorska snaga procesora dubl sebe, budući da je broj zapleta popraćen isprepletanjem novog kubita sa svim stanjima koja su već dostupna u procesoru (3). Ali stvaranje i kombinovanje kubita, a zatim im reći da izvrše zamršene proračune nije lak zadatak. Oni ostaju izuzetno osetljiva na spoljašnje uticaješto može dovesti do grešaka u proračunu i, u najgorem slučaju, do raspada upletenih kubita, tj. dekoherencijašto je pravo prokletstvo kvantnih sistema. Kako se dodaju dodatni kubiti, povećavaju se štetni efekti vanjskih sila. Jedan od načina rješavanja ovog problema je omogućavanje dodatnih kubiti "CONTROL"čija je jedina funkcija da provjeri i ispravi izlaz.

3. Simbolički prikaz 50-kubitnog IBM sistema

Međutim, to znači da će biti potrebni snažniji kvantni kompjuteri, korisni za rješavanje složenih problema, kao što je određivanje načina na koji se proteinski molekuli savijaju ili simulacija fizičkih procesa unutar atoma. veoma qubit. Tom Watson sa Univerziteta Delft u Holandiji nedavno je rekao za BBC News:

-

Ukratko, ako kvantni računari treba da uzlete, morate smisliti jednostavan način za proizvodnju velikih i stabilnih qubit procesora.

Pošto su kubiti nestabilni, izuzetno je teško stvoriti sistem sa mnogima od njih. Dakle, ako, na kraju, kubiti kao koncept kvantnog računarstva propadnu, naučnici imaju alternativu: kubit kvantne kapije.

Tim sa Univerziteta Purdue objavio je studiju u npj Quantum Information u kojoj je detaljno opisano njihovo stvaranje. Naučnici vjeruju u to kuditsza razliku od kubita, oni mogu postojati u više od dva stanja, kao što su 0, 1 i 2, a za svako dodano stanje povećava se računska snaga jednog qudita. Drugim riječima, morate kodirati i obraditi istu količinu informacija. manje slave nego kubiti.

Da bi stvorio kvantne kapije koje sadrže kudite, tim Purduea je kodirao četiri kudita u dva zapletena fotona u smislu frekvencije i vremena. Tim je odabrao fotone jer oni ne utiču tako lako na okolinu, a korištenje više domena omogućilo je više isprepletenosti s manje fotona. Gotova kapija imala je procesorsku snagu od 20 kubita, iako su joj bila potrebna samo četiri kvita, uz dodatnu stabilnost zbog upotrebe fotona, što ga čini obećavajućim sistemom za buduće kvantne računare.

Silicijumske ili jonske zamke

Iako ne dijele svi ovo mišljenje, čini se da upotreba silicija za izgradnju kvantnih kompjutera ima ogromne prednosti, budući da je tehnologija silikona dobro uspostavljena i već postoji velika industrija povezana s njom. Silicijum se koristi u Google i IBM kvantnim procesorima, iako se u njima hladi na veoma niske temperature. To nije idealan materijal za kvantne sisteme, ali naučnici rade na tome.

Prema nedavnoj publikaciji u časopisu Nature, tim istraživača koristio je mikrovalnu energiju da poravna dvije elektronske čestice suspendirane u silicijumu, a zatim ih koristio za izvođenje niza testnih proračuna. Grupa, koja je uključivala, posebno, naučnike sa Univerziteta Wisconsin-Madison "suspendovala" je pojedinačne elektronske kubite u silicijumskoj strukturi, čiji je spin bio određen energijom mikrotalasnog zračenja. U superpoziciji, elektron se istovremeno rotirao oko dvije različite ose. Dva kubita su zatim kombinovana i programirana za izvođenje testnih proračuna, nakon čega su istraživači uporedili podatke koje je generisao sistem sa podacima dobijenim od standardnog računara koji je izvodio iste testne proračune. Nakon ispravljanja podataka, programira se dvobitni kvantni silicijumski procesor.

Iako je postotak grešaka i dalje mnogo veći nego u tzv. ionskim zamkama (uređajima u kojima se nabijene čestice poput jona, elektrona, protona pohranjuju neko vrijeme) ili kompjuterima  zasnovano na superprovodnicima kao što je D-Wave, dostignuće ostaje izvanredno jer je izolovanje kubita od spoljašnje buke izuzetno teško. Stručnjaci vide mogućnosti za skaliranje i poboljšanje sistema. A upotreba silicijuma, sa tehnološke i ekonomske tačke gledišta, ovde je od ključnog značaja.

Međutim, za mnoge istraživače silicijum nije budućnost kvantnih računara. U decembru prošle godine pojavile su se informacije da su inženjeri američke kompanije IonQ koristili iterbijum za kreiranje najproduktivnijeg kvantnog računara na svetu, nadmašujući D-Wave i IBM sisteme.

Rezultat je bila mašina koja je sadržavala jedan atom u ionskoj zamci (4) koristi jedan kubit podataka za kodiranje, a kubiti se kontroliraju i mjere pomoću posebnih laserskih impulsa. Računar ima memoriju koja može pohraniti 160 kubita podataka. Takođe može da izvodi proračune istovremeno na 79 kubita.

4. Šema IonQ jonske zamke

Naučnici iz IonQ-a sproveli su standardni test tzv Bernstein-Waziraniego algoritam. Zadatak mašine je bio da pogodi broj između 0 i 1023. Klasični računari uzimaju jedanaest pogađanja za 10-bitni broj. Kvantni kompjuteri koriste dva pristupa da pogode rezultat sa 100% sigurnošću. U prvom pokušaju, IonQ kvantni kompjuter je pogodio u prosjeku 73% datih brojeva. Kada se algoritam pokrene za bilo koji broj između 1 i 1023, stopa uspjeha za normalan računar je 0,2%, dok je za IonQ 79%.

IonQ stručnjaci vjeruju da su sistemi zasnovani na ionskim zamkama superiorniji od silicijumskih kvantnih kompjutera koje Google i druge kompanije grade. Njihova matrica od 79 kubita nadmašuje Googleov Bristlecone kvantni procesor za 7 kubita. IonQ rezultat je također senzacionalan kada je u pitanju vrijeme neprekidnog rada sistema. Prema tvorcima mašine, za jedan kubit ostaje na 99,97%, što znači stopu greške od 0,03%, dok su najbolji rezultati takmičenja u prosjeku iznosili oko 0,5%. Stopa 99,3-bitne greške za IonQ uređaj bi trebala biti 95%, dok većina konkurencije ne prelazi XNUMX%.

Vrijedno je to dodati, prema Google istraživačima kvantna nadmoć – tačka u kojoj kvantni računar nadmašuje sve ostale dostupne mašine – već se može postići sa kvantnim računarom sa 49 kubita, pod uslovom da je stopa greške na dvokubitnim gejtovima ispod 0,5%. Međutim, metoda ionske zamke u kvantnom računarstvu i dalje se suočava sa velikim preprekama koje treba prevazići: sporo vrijeme izvršenja i ogromna veličina, kao i preciznost i skalabilnost tehnologije.

Uporište šifri u ruševinama i druge posljedice

U januaru 2019. na CES 2019, izvršni direktor IBM-a Ginni Rometty najavio je da IBM već nudi integrisani kvantni računarski sistem za komercijalnu upotrebu. IBM kvantni računari5) se fizički nalaze u New Yorku kao dio sistema IBM Q System One. Koristeći Q Network i Q Quantum Computational Center, programeri mogu lako koristiti Qiskit softver za kompajliranje kvantnih algoritama. Dakle, računarska snaga IBM kvantnih računara dostupna je kao usluga računarstva u oblaku, pristupačne cijene.

D-Wave također pruža takve usluge već neko vrijeme, a drugi veliki igrači (kao što je Amazon) planiraju slične ponude u kvantnom oblaku. Microsoft je otišao dalje sa uvodom Q# programski jezik (izgovara se kao) koji može raditi sa Visual Studio-om i raditi na laptopu. Programeri imaju alat za simulaciju kvantnih algoritama i stvaranje softverskog mosta između klasičnog i kvantnog računarstva.

Međutim, postavlja se pitanje za šta kompjuteri i njihova računarska snaga zapravo mogu biti korisni? U studiji objavljenoj prošlog oktobra u časopisu Science, naučnici sa IBM-a, Univerziteta Waterloo i Tehničkog univerziteta u Minhenu pokušali su da približe tipove problema za koje se čini da su kvantni računari najprikladniji za rešavanje.

Prema studiji, takvi uređaji će moći riješiti složene linearna algebra i problemi optimizacije. Zvuči nejasno, ali možda postoje mogućnosti za jednostavnija i jeftinija rješenja za probleme koji trenutno zahtijevaju mnogo truda, resursa i vremena, a ponekad su izvan našeg domašaja.

5. IBM kvantni kompjuter

Korisno kvantno računanje dijametralno promijeniti polje kriptografije. Zahvaljujući njima, kodovi za šifrovanje bi se mogli brzo razbiti i, eventualno, blockchain tehnologija će biti uništena. Čini se da je RSA enkripcija snažna i neuništiva odbrana koja štiti većinu podataka i komunikacija u svijetu. Međutim, dovoljno moćan kvantni kompjuter može lako razbiti RSA enkripciju uz pomoć Algoritam Shora.

Kako to spriječiti? Neki zagovaraju povećanje dužine javnih ključeva za šifriranje do veličine potrebne za prevazilaženje kvantne dešifriranja. Za druge, treba ga koristiti samostalno kako bi se osigurala sigurna komunikacija. Zahvaljujući kvantnoj kriptografiji, sam čin presretanja podataka bi ih pokvario, nakon čega osoba koja ometa česticu ne bi mogla od nje dobiti korisne informacije, a primalac bi bio upozoren na pokušaj prisluškivanja.

Često se spominju i potencijalne primjene kvantnog računarstva. ekonomske analize i prognoze. Zahvaljujući kvantnim sistemima, složeni modeli tržišnog ponašanja mogu se proširiti na mnogo više varijabli nego prije, što dovodi do preciznijih dijagnoza i predviđanja. Istodobnom obradom hiljada varijabli od strane kvantnog kompjutera, također bi bilo moguće smanjiti vrijeme i troškove potrebne za razvoj. novi lijekovi, transportna i logistička rješenja, lanci nabavke, klimatski modelikao i za rješavanje mnogih drugih problema gigantske složenosti.

Zakon o nevenu

Svijet starih kompjutera imao je svoj Murov zakon, dok kvantni kompjuteri moraju biti vođeni tzv. Zakon o nevenu. Svoje ime duguje jednom od najistaknutijih kvantnih stručnjaka u Googleu, Hartmut Nevena (6), koji navodi da se trenutno ostvaruje napredak u tehnologiji kvantnog računarstva dvostruka eksponencijalna brzina.

To znači da umjesto udvostručavanja performansi uzastopnim iteracijama, kao što je bio slučaj s klasičnim kompjuterima i Mooreovim zakonom, kvantna tehnologija poboljšava performanse mnogo brže.

Stručnjaci predviđaju pojavu kvantne superiornosti, koja se može prevesti ne samo u superiornost kvantnih kompjutera nad bilo kojim klasičnim, već i na druge načine - kao početak ere korisnih kvantnih računara. Ovo će utrti put za napredak u hemiji, astrofizici, medicini, sigurnosti, komunikacijama i još mnogo toga.

Međutim, postoji i mišljenje da takve superiornosti nikada neće postojati, barem ne u dogledno vrijeme. To je blaža verzija skepticizma kvantni kompjuteri nikada neće zamijeniti klasične računare jer nisu dizajnirani za to. Ne možete zamijeniti iPhone ili PC kvantnom mašinom, kao što ne možete zamijeniti tenisice... sa nuklearnim nosačem aviona.. Klasični računari vam omogućavaju da igrate igrice, proveravate e-poštu, surfujete internetom i pokrećete programe. Kvantni računari u većini slučajeva izvode simulacije koje su previše složene za binarne sisteme koji rade na kompjuterskim bitovima. Drugim riječima, pojedinačni potrošači neće imati gotovo nikakvu korist od vlastitog kvantnog kompjutera, ali će stvarni korisnici izuma biti, na primjer, NASA ili Massachusetts Institute of Technology.

Vrijeme će pokazati koji je pristup prikladniji - IBM ili Google. Prema Nevenovom zakonu, samo nekoliko mjeseci nas dijeli od potpune demonstracije kvantne superiornosti jednog ili drugog tima. A to više nije perspektiva "za deset godina, odnosno niko ne zna kada".