Десет години подоцна никој не знае кога

За помалку информиран човек кој прочитал цел куп публикации за квантните компјутери, може да се добие впечаток дека тоа се машини кои работат на ист начин како и обичните компјутери. Ништо не може да биде попогрешно. Некои дури веруваат дека сè уште нема квантни компјутери. А други се прашуваат за што ќе се користат, бидејќи не се дизајнирани да ги заменат системите нула-еден.

Често слушаме дека првите вистински и правилно функционални квантни компјутери ќе се појават за околу една деценија. Сепак, како што Линли Гвенап, главен аналитичар во Линли Груп, забележа во статијата, „кога луѓето велат дека квантен компјутер ќе се појави за десет години, не знаат кога ќе се случи тоа“.

И покрај оваа нејасна ситуација, атмосферата на конкуренција за т.н. квантна доминација. Загрижена за квантната работа и напредокот на Кинезите, американската администрација го донесе Законот за национална квантна иницијатива минатиот декември.1). Документот е наменет да обезбеди федерална поддршка за истражување, развој, демонстрација и примена на квантни пресметувања и технологии. За волшебни десет години, американската влада ќе потроши милијарди за изградба на квантна компјутерска инфраструктура, екосистеми и регрутирање луѓе. Сите главни развивачи на квантни компјутери - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft и Rigetti, како и креаторите на квантните алгоритми 1QBit и Zapata го поздравија ова. Национална квантна иницијатива.

D-WAve Pioneers

Во 2007 година, D-Wave Systems воведе чип од 128 кјубити (2), се нарекува првиот квантен компјутер во светот. Сепак, немаше сигурност дали тоа може да се нарече така - беше прикажано само неговото дело, без никакви детали за неговата конструкција. Во 2009 година, D-Wave Systems разви „квантен“ пребарувач за слики за Google. Во мај 2011 година, Локхид Мартин купи квантен компјутер од D-Wave Systems. Д-бран еден за 10 милиони долари, притоа потпишувајќи повеќегодишен договор за негово работење и развој на поврзани алгоритми.

Во 2012 година оваа машина го демонстрираше процесот на пронаоѓање на спиралната протеинска молекула со најниска енергија. Истражувачите од D-Wave Systems користат системи со различни броеви кјубити, изврши голем број математички пресметки, од кои некои беа далеку над можностите на класичните компјутери. Сепак, на почетокот на 2014 година, Џон Смолин и Греам Смит објавија статија во која тврдат дека машината D-Wave Systems не била машина. Набргу потоа, Physics of Nature ги претстави резултатите од експериментите кои докажуваат дека D-Wave One сè уште е ...

Друг тест во јуни 2014 година не покажа разлика помеѓу класичен компјутер и машина D-Wave Systems, но компанијата одговори дека разликата е забележлива само за задачи посложени од оние решени во тестот. На почетокот на 2017 година, компанијата откри машина која наводно се состои од 2 илјади кубитишто беше 2500 пати побрзо од најбрзите класични алгоритми. И повторно, два месеци подоцна, група научници докажаа дека оваа споредба не е точна. За многу скептици, системите D-Wave сè уште не се квантни компјутери, туку нивни симулации користејќи класични методи.

Четвртата генерација на системот D-Wave користи квантни жарењаа кјубитните состојби се реализираат со суперспроводливи квантни кола (засновани на таканаречените Џозефсон споеви). Тие работат во средина блиску до апсолутна нула и можат да се пофалат со систем од 2048 кубити. На крајот на 2018 година, D-Wave се претстави на пазарот отскокнување, односно вашиот квантна апликациска средина во реално време (КАЕ). Облак решението им овозможува на надворешните клиенти пристап до квантно пресметување во реално време.

Во февруари 2019 година, D-Wave ја објави следната генерација  Пегаз. Беше објавено дека е „најобемниот комерцијален квантен систем во светот“ со петнаесет врски по кјубит наместо шест, со над 5 кубити и вклучување на намалување на шумот на претходно непознато ниво. Уредот би требало да се појави во продажба кон средината на следната година.

Кубити, или суперпозиции плус заплеткување

Стандардните компјутерски процесори се потпираат на пакети или делови од информации, од кои секој претставува еден одговор да или не. Квантните процесори се различни. Тие не работат во свет нула-еден. коска на лактот, најмалата и неделива единица на квантни информации е опишаниот дводимензионален систем Хилберт простор. Затоа, се разликува од класичниот ритам по тоа што може да биде ин било која суперпозиција две квантни состојби. Физичкиот модел на кубит најчесто се дава како пример на честичка со спин ½, како што е електрон, или поларизација на еден фотон.

За да ја искористите моќта на кубитите, мора да ги поврзете преку процес наречен конфузија. Со секој додаден кјубит, процесорската моќ на процесорот двојки се, бидејќи бројот на заплеткувања е придружен со заплеткување на нов кјубит со сите состојби кои се веќе достапни во процесорот (3). Но, создавањето и комбинирањето на кубити, а потоа да им се каже да вршат сложени пресметки не е лесна задача. Тие остануваат исклучително чувствителен на надворешни влијанијашто може да доведе до грешки во пресметката и, во најлош случај, до распаѓање на заплетканите кјубити, т.е. декохерентностшто е вистинското проклетство на квантните системи. Како што се додаваат дополнителни кјубити, негативните ефекти од надворешните сили се зголемуваат. Еден начин да се справите со овој проблем е да овозможите дополнителни кјубити „КОНТРОЛА“чија единствена функција е проверка и корекција на излезот.

3. Симболичко претставување на 50-qubit IBM системот

Сепак, тоа значи дека ќе бидат потребни помоќни квантни компјутери, корисни за решавање на сложени проблеми, како што е одредувањето како протеинските молекули се преклопуваат или симулираат физички процеси во атомите. многу кубит. Том Вотсон од Универзитетот во Делфт во Холандија неодамна изјави за BBC News:

-

Накратко, ако квантните компјутери треба да полетаат, треба да смислите лесен начин за производство на големи и стабилни кубитни процесори.

Бидејќи кјубитите се нестабилни, исклучително е тешко да се создаде систем со многу од нив. Значи, ако, на крајот, кјубитите како концепт за квантно пресметување пропаднат, научниците имаат алтернатива: квантни порти на кјубит.

Тим од Универзитетот Пурдју објави студија во npj Quantum Information во која детално го опишува нивното создавање. Научниците веруваат дека пофалбиза разлика од кјубитите, тие можат да постојат во повеќе од две состојби, како што се 0, 1 и 2, и за секоја додадена состојба, се зголемува пресметковната моќ на еден qudit. Со други зборови, треба да шифрирате и обработите иста количина на информации. помалку слава отколку кубити.

За да создаде квантни порти што содржат кудити, тимот на Пурдју кодираше четири кудити во два заплеткани фотони во однос на фреквенцијата и времето. Тимот избра фотони затоа што тие не влијаат на околината така лесно, а користењето на повеќе домени овозможи повеќе заплеткување со помалку фотони. Завршената порта имаше процесорска моќ од 20 кубити, иако потребни беа само четири кудити, со дополнителна стабилност поради употребата на фотони, што го прави ветувачки систем за идните квантни компјутери.

Силиконски или јонски стапици

Иако не сите го делат ова мислење, се чини дека употребата на силикон за изградба на квантни компјутери има огромни придобивки, бидејќи силиконската технологија е добро воспоставена и веќе постои голема индустрија поврзана со неа. Силиконот се користи во квантните процесори на Google и IBM, иако во нив се лади до многу ниски температури. Тоа не е идеален материјал за квантни системи, но научниците работат на него.

Според една неодамнешна публикација во Nature, тим од истражувачи користеле микробранова енергија за да порамнат две електронски честички суспендирани во силикон, а потоа ги искористиле за да извршат серија тест пресметки. Групата, која вклучуваше, особено, научници од Универзитетот во Висконсин-Медисон „суспендираа“ единечни електронски кубити во силиконска структура, чиј спин беше одреден со енергијата на микробрановата радијација. Во суперпозиција, електрон истовремено ротира околу две различни оски. Двата кјубита потоа беа комбинирани и програмирани за извршување на тест пресметки, по што истражувачите ги споредија податоците генерирани од системот со податоците добиени од стандарден компјутер кој ги извршува истите тест пресметки. По корекција на податоците, програмабилна двобитен квантен силиконски процесор.

Иако процентот на грешки е сè уште многу поголем отколку во таканаречените јонски стапици (уреди во кои наелектризираните честички како јони, електрони, протони се складираат одредено време) или компјутерите  врз основа на суперпроводници како што е D-Wave, достигнувањето останува извонредно бидејќи изолирањето на кубити од надворешниот шум е исклучително тешко. Специјалистите гледаат можности за скалирање и подобрување на системот. А употребата на силикон, од технолошка и економска гледна точка, е од клучна важност овде.

Сепак, за многу истражувачи, силиконот не е иднината на квантните компјутери. Во декември минатата година се појави информација дека инженерите на американската компанија IonQ користеле итербиум за да го создадат најпродуктивниот квантен компјутер во светот, надминувајќи ги системите D-Wave и IBM.

Резултатот беше машина која содржеше еден атом во јонска стапица (4) користи еден податочен кјубит за кодирање, а кубитите се контролираат и мерат со помош на специјални ласерски импулси. Компјутерот има меморија која може да складира 160 кубити податоци. Исто така, може да врши пресметки истовремено на 79 кубити.

4. Шема на јонската замка IonQ

Научниците од IonQ спроведоа стандарден тест на т.н Алгоритам Бернштајн-Вазираниего. Задачата на машината беше да погоди број помеѓу 0 и 1023. Класичните компјутери земаат единаесет претпоставки за 10-битен број. Квантните компјутери користат два пристапи за да го погодат резултатот со 100% сигурност. При првиот обид, квантниот компјутер IonQ погодил во просек 73% од дадените бројки. Кога алгоритмот се извршува за кој било број помеѓу 1 и 1023, стапката на успех за типичен компјутер е 0,2%, додека за IonQ е 79%.

Експертите на IonQ веруваат дека системите базирани на јонски стапици се супериорни во однос на силиконските квантни компјутери што ги градат Google и другите компании. Нивната матрица од 79 кјубити го надминува квантниот процесор на Google Bristlecone за 7 кубити. Резултатот од IonQ е исто така сензационален кога станува збор за времето на работа на системот. Според креаторите на машината, за еден кјубит, тој останува на 99,97%, што значи стапка на грешка од 0,03%, додека најдобрите резултати на конкуренцијата биле во просек околу 0,5%. Стапката на двобитна грешка за уредот IonQ треба да биде 99,3%, додека повеќето конкуренти не надминуваат 95%.

Вреди да се додаде тоа, според истражувачите на Google квантна надмоќ – точката во која квантен компјутер ги надминува сите други достапни машини – веќе може да се достигне со квантен компјутер со 49 кјубити, под услов стапката на грешка на дво-кубитни порти да биде под 0,5%. Сепак, методот на јонска замка во квантното пресметување сè уште се соочува со големи пречки што треба да се надминат: бавно време на извршување и огромна големина, како и прецизност и приспособливост на технологијата.

Упориште на шифри во урнатини и други последици

Во јануари 2019 година на CES 2019, извршниот директор на IBM, Џини Ромети, објави дека IBM веќе нуди интегриран квантен компјутерски систем за комерцијална употреба. Квантни компјутери на IBM5) се физички лоцирани во Њујорк како дел од системот IBM Q систем еден. Користејќи ги Q Network и Q Quantum Computational Centre, програмерите лесно можат да го користат софтверот Qiskit за да компајлираат квантни алгоритми. Така, компјутерската моќ на квантните компјутери на IBM е достапна како облак компјутерска услуга, разумна цена.

D-Wave исто така обезбедува такви услуги веќе некое време, а други големи играчи (како Amazon) планираат слични понуди за квантен облак. Мајкрософт отиде понатаму со воведот Програмски јазик Q# (се изговара како) што може да работи со Visual Studio и да работи на лаптоп. Програмерите имаат алатка за симулирање на квантни алгоритми и создавање софтверски мост помеѓу класичното и квантното пресметување.

Меѓутоа, прашањето е, за што всушност можат да бидат корисни компјутерите и нивната компјутерска моќ? Во студијата објавена минатиот октомври во списанието Science, научниците од IBM, Универзитетот во Ватерло и Техничкиот универзитет во Минхен се обидоа да ги приближат типовите проблеми за кои квантните компјутери изгледаат најпогодни да ги решат.

Според студијата, ваквите уреди ќе можат да решаваат сложени проблеми со линеарна алгебра и оптимизација. Звучи нејасно, но може да има можности за поедноставни и поевтини решенија за прашања кои во моментов бараат многу напор, ресурси и време, а понекогаш се надвор од нашиот дофат.

5. IBM квантен компјутер

Корисно квантно пресметување дијаметрално го менува полето на криптографијата. Благодарение на нив, кодовите за шифрирање би можеле брзо да бидат пробиени и, можеби, блокчејн технологијата ќе биде уништена. Сега се чини дека шифрирањето RSA е силна и неуништлива одбрана која ги штити повеќето податоци и комуникации во светот. Сепак, доволно моќен квантен компјутер лесно може пробиете RSA енкрипција со помош на Алгоритам Шора.

Како да се спречи тоа? Некои се залагаат за зголемување на должината на јавните клучеви за шифрирање до големината потребна за надминување на квантната декрипција. За други, треба да се користи сам за да се обезбеди безбедна комуникација. Благодарение на квантната криптографија, самиот чин на пресретнување на податоците би ги корумпирал, по што лицето кое се меша со честичката нема да може да добие корисни информации од неа, а примачот би бил предупреден за обидот за прислушување.

Често се споменуваат и потенцијалните апликации на квантното пресметување. економска анализа и прогнозирање. Благодарение на квантните системи, сложените модели на пазарно однесување може да се прошират за да вклучат многу повеќе променливи отколку порано, што ќе доведе до попрецизни дијагнози и предвидувања. Со истовремена обработка на илјадници променливи од квантен компјутер, исто така би било можно да се намалат времето и трошоците потребни за развој. нови лекови, транспортни и логистички решенија, синџири на снабдување, климатски моделикако и за решавање на многу други проблеми од огромна сложеност.

Закон за невен

Светот на старите компјутери имаше свој Муров закон, додека квантните компјутери мора да се водат според т.н. Закон за невен. Своето име му го должи на еден од најистакнатите квантни специјалисти во Google, Хартмут Невена (6), во кој се наведува дека во моментов се постигнува напредок во технологијата за квантно пресметување двојна експоненцијална брзина.

Ова значи дека наместо удвојување на перформансите со последователни повторувања, како што беше случајот со класичните компјутери и законот на Мур, квантната технологија многу побрзо ги подобрува перформансите.

Експертите го предвидуваат доаѓањето на квантната супериорност, која може да се преведе не само во супериорност на квантните компјутери над сите класични, туку и на други начини - како почеток на ерата на корисни квантни компјутери. Ова ќе го отвори патот за откритија во хемијата, астрофизиката, медицината, безбедноста, комуникациите и многу повеќе.

Сепак, постои и мислење дека таква супериорност никогаш нема да постои, барем не во догледна иднина. Поблага верзија на скептицизам е тоа Квантните компјутери никогаш нема да ги заменат класичните компјутери бидејќи не се дизајнирани да го прават тоа. Не можете да го замените iPhone или компјутерот со квантна машина, исто како што не можете да ги замените тениските чевли... со нуклеарен носач на авиони.. Класичните компјутери ви дозволуваат да играте игри, да проверувате е-пошта, да сурфате на интернет и да извршувате програми. Квантните компјутери во повеќето случаи вршат симулации кои се премногу сложени за бинарни системи што работат на компјутерски битови. Со други зборови, индивидуалните потрошувачи нема да добијат речиси никаква корист од сопствениот квантен компјутер, но вистинските корисници на пронајдокот ќе бидат, на пример, НАСА или Технолошкиот институт во Масачусетс.

Времето ќе покаже кој пристап е посоодветен - IBM или Google. Според Невеновиот закон, само неколку месеци ни делат да видиме целосна демонстрација на квантната супериорност од еден или друг тим. И ова веќе не е перспектива „за десет години, односно никој не знае кога“.