Po dešimties metų niekas nežino, kada

Mažiau informuotam žmogui, perskaičiusiam visą krūvą publikacijų apie kvantinius kompiuterius, gali susidaryti įspūdis, kad tai yra „parduoti“ mašinos, veikiančios taip pat, kaip ir paprasti kompiuteriai. Nieko negali būti blogiau. Kai kurie netgi mano, kad kvantinių kompiuterių dar nėra. Ir kiti stebisi, kam jie bus naudojami, nes jie nėra skirti pakeisti nulinio vieneto sistemas.

Dažnai girdime, kad pirmieji tikri ir tinkamai funkcionuojantys kvantiniai kompiuteriai pasirodys maždaug po dešimtmečio. Tačiau, kaip straipsnyje pažymėjo Linley Gwennapas, vyriausiasis „Linley Group“ analitikas, „kai žmonės sako, kad kvantinis kompiuteris pasirodys po dešimties metų, jie nežino, kada tai įvyks“.

Nepaisant šios neaiškios situacijos, konkurencijos atmosfera dėl vadinamųjų. kvantinis dominavimas. Susirūpinusi dėl kvantinio darbo ir kinų pažangos, JAV administracija praėjusį gruodį priėmė Nacionalinės kvantinės iniciatyvos aktą.1). Dokumentas skirtas teikti federalinę paramą kvantinio skaičiavimo ir technologijų tyrimams, plėtrai, demonstravimui ir taikymui. Per stebuklingus dešimt metų JAV vyriausybė išleis milijardus kurdama kvantinės skaičiavimo infrastruktūrą, ekosistemas ir įdarbindama žmones. Visi pagrindiniai kvantinių kompiuterių kūrėjai – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft ir Rigetti, taip pat kvantinių algoritmų 1QBit ir Zapata kūrėjai džiaugėsi tuo. Nacionalinė kvantinė iniciatyva.

D-WAve pionieriai

2007 m. D-Wave Systems pristatė 128 kubitų lustą (2), vadinamas pirmasis pasaulyje kvantinis kompiuteris. Tačiau nebuvo tikrumo, ar tai galima taip pavadinti – buvo rodomas tik jo darbas, be jokių jo konstrukcijos detalių. 2009 m. D-Wave Systems sukūrė „kvantinę“ vaizdų paieškos sistemą, skirtą „Google“. 2011 m. gegužės mėn. Lockheed Martin įsigijo kvantinį kompiuterį iš D-Wave Systems. D bangos viena už 10 milijonų dolerių, pasirašant daugiametę sutartį dėl jos veikimo ir susijusių algoritmų kūrimo.

2012 m. šis aparatas pademonstravo mažiausią energiją turinčios spiralinės baltymo molekulės radimo procesą. Tyrėjai iš D-Wave Systems naudoja sistemas su skirtingais skaičiais kubitai, atliko daugybę matematinių skaičiavimų, kai kurie iš jų gerokai viršijo klasikinių kompiuterių galimybes. Tačiau 2014 m. pradžioje Johnas Smolinas ir Grahamas Smithas paskelbė straipsnį, kuriame teigiama, kad D-Wave Systems mašina nėra mašina. Netrukus po to „Physics of Nature“ pristatė eksperimentų, įrodančių, kad „D-Wave One“ vis dar yra ...

Kitas 2014 m. birželio mėn. atliktas bandymas neparodė skirtumo tarp klasikinio kompiuterio ir „D-Wave Systems“ įrenginio, tačiau bendrovė atsakė, kad skirtumas pastebimas tik atliekant sudėtingesnes užduotis, nei buvo išspręstas teste. 2017 m. pradžioje bendrovė pristatė mašiną, kurią tariamai sudaro 2 tūkstančiai kubitųkuris buvo 2500 kartų greitesnis už greičiausius klasikinius algoritmus. Ir vėl, po dviejų mėnesių, grupė mokslininkų įrodė, kad šis palyginimas nebuvo tikslus. Daugeliui skeptikų D-Wave sistemos vis dar yra ne kvantiniai kompiuteriai, o jų simuliacijos naudojant klasikinius metodus.

Naudojama ketvirtos kartos D-Wave sistema kvantinis atkaitinimaso kubito būsenos realizuojamos superlaidžiomis kvantinėmis grandinėmis (remiantis vadinamosiomis Džozefsono sandūromis). Jie veikia aplinkoje, artimoje absoliučiam nuliui, ir gali pasigirti 2048 kubitų sistema. 2018 metų pabaigoje rinkai pasirodė D-Wave BUNCE, tai yra tavo realaus laiko kvantinės programos aplinka (KAE). Debesų sprendimas leidžia išoriniams klientams pasiekti kvantinį skaičiavimą realiuoju laiku.

2019 m. vasario mėn. D-Wave paskelbė apie naujos kartos versiją  Pegasas. Buvo paskelbta, kad tai „plačiausia pasaulyje komercinė kvantinė sistema“ su penkiolika jungčių per kubitą, o ne šešis. daugiau nei 5 kubitai ir anksčiau nežinomo lygio triukšmo mažinimo įjungimas. Įrenginys prekyboje turėtų pasirodyti kitų metų viduryje.

Kubitai arba superpozicijos ir įsipainiojimas

Standartiniai kompiuterių procesoriai remiasi paketais arba informacijos dalimis, kurių kiekvienas reiškia vieną atsakymą „taip“ arba „ne“. Kvantiniai procesoriai yra skirtingi. Jie neveikia nulinio vieno pasaulyje. alkūnės kaulas, mažiausias ir nedalomas kvantinės informacijos vienetas yra aprašyta dvimatė sistema Hilberto erdvė. Todėl jis skiriasi nuo klasikinio ritmo tuo, kad gali būti bet kokia superpozicija dvi kvantinės būsenos. Fizinis kubito modelis dažniausiai pateikiamas kaip dalelės, kurios sukinys ½, pavyzdžiui, elektronas arba vieno fotono poliarizacija, pavyzdys.

Norėdami panaudoti kubitų galią, turite juos sujungti per procesą, vadinamą sumišimas. Su kiekvienu pridėtu kubitu, procesoriaus apdorojimo galia dvejetai sau, kadangi susipainiojimų skaičių lydi naujo kubito įsipainiojimas su visomis procesoriaus jau turimomis būsenomis (3). Tačiau sukurti ir sujungti kubitus ir tada liepti jiems atlikti sudėtingus skaičiavimus nėra lengva užduotis. Jie lieka itin jautrus išoriniams poveikiamsdėl ko gali atsirasti skaičiavimo klaidų, o blogiausiu atveju – susipainiojusių kubitų nykimas, t.y. dekoherencijakuri yra tikrasis kvantinių sistemų prakeiksmas. Pridėjus papildomų kubitų, neigiamas išorinių jėgų poveikis didėja. Vienas iš būdų išspręsti šią problemą – įjungti papildomų kubitai "KONTROLĖ"kurių vienintelė funkcija yra patikrinti ir pataisyti išvestį.

3. Simbolinis 50 kubitų IBM sistemos vaizdas

Tačiau tai reiškia, kad reikės galingesnių kvantinių kompiuterių, naudingų sprendžiant sudėtingas problemas, pavyzdžiui, nustatyti, kaip baltymų molekulės susilanksto, arba imituoti fizinius procesus atomų viduje. daug kubitų. Tomas Watsonas iš Delfto universiteto Nyderlanduose neseniai sakė BBC News:

-

Trumpai tariant, jei kvantiniai kompiuteriai pakils, turite sugalvoti paprastą būdą, kaip gaminti didelius ir stabilius kubito procesorius.

Kadangi kubitai yra nestabilūs, labai sunku sukurti sistemą su daugeliu jų. Taigi, jei galiausiai kubitai kaip kvantinio skaičiavimo koncepcija žlunga, mokslininkai turi alternatyvą: kubitinius kvantinius vartus.

Purdue universiteto komanda paskelbė npj Quantum Information tyrimą, kuriame išsamiai aprašoma jų kūrimas. Mokslininkai tuo tiki kuditsSkirtingai nuo kubitų, jie gali egzistuoti daugiau nei dviejose būsenose, pavyzdžiui, 0, 1 ir 2, ir kiekvienoje pridėtoje būsenoje didėja vieno qudito skaičiavimo galia. Kitaip tariant, reikia užkoduoti ir apdoroti tą patį informacijos kiekį. mažiau šlovės nei kubitai.

Norėdami sukurti kvantinius vartus, kuriuose yra qudit, Purdue komanda užkodavo keturis kvitus į du susipynusius fotonus pagal dažnį ir laiką. Komanda pasirinko fotonus, nes jie ne taip lengvai paveikia aplinką, o kelių domenų naudojimas leido labiau įsipainioti su mažiau fotonų. Užbaigtų vartų apdorojimo galia siekė 20 kubitų, nors tam prireikė tik keturių kudų, o dėl fotonų naudojimo buvo papildomas stabilumas, todėl tai yra perspektyvi sistema būsimiems kvantiniams kompiuteriams.

Silicio arba jonų gaudyklės

Nors ne visi pritaria šiai nuomonei, silicio panaudojimas kvantiniams kompiuteriams kurti, atrodo, turi didžiulių privalumų, nes silicio technologija yra nusistovėjusi ir su ja jau siejama didelė pramonė. Silicis naudojamas Google ir IBM kvantiniuose procesoriuose, nors juose jis atšaldomas iki labai žemos temperatūros. Tai nėra ideali medžiaga kvantinėms sistemoms, tačiau mokslininkai su ja dirba.

Remiantis neseniai paskelbta publikacija „Nature“, mokslininkų komanda naudojo mikrobangų energiją, kad sulygiuotų dvi silicyje pakibusias elektronų daleles, o vėliau jas naudojo atliekant bandymų skaičiavimus. Grupė, kurioje visų pirma buvo Viskonsino-Madisono universiteto mokslininkai, „sustabdė“ pavienius elektronų kubitus silicio struktūroje, kurios sukimąsi nulėmė mikrobangų spinduliuotės energija. Superpozicijoje elektronas vienu metu sukasi aplink dvi skirtingas ašis. Tada du kubitai buvo sujungti ir užprogramuoti atlikti bandomuosius skaičiavimus, po kurių mokslininkai palygino sistemos sugeneruotus duomenis su duomenimis, gautais iš standartinio kompiuterio, atliekančio tuos pačius bandymo skaičiavimus. Ištaisius duomenis, programuojamas dviejų bitų kvantinio silicio procesorius.

Nors klaidų procentas vis dar yra daug didesnis nei vadinamuosiuose jonų gaudyklėse (prietaisuose, kuriuose kurį laiką saugomos įkrautos dalelės, tokios kaip jonai, elektronai, protonai) ar kompiuteriuose.  Remiantis superlaidininkais, tokiais kaip D-Wave, pasiekimas išlieka puikus, nes izoliuoti kubitus nuo išorinio triukšmo yra labai sunku. Specialistai mato sistemos mastelio didinimo ir tobulinimo galimybes. O silicio naudojimas technologiniu ir ekonominiu požiūriu čia yra labai svarbus.

Tačiau daugeliui tyrinėtojų silicis nėra kvantinių kompiuterių ateitis. Praėjusių metų gruodį pasirodė informacija, kad amerikiečių kompanijos „IonQ“ inžinieriai iterbį panaudojo kurdami produktyviausią pasaulyje kvantinį kompiuterį, pranokstantį „D-Wave“ ir IBM sistemas.

Rezultatas buvo mašina, kurios jonų gaudyklėje buvo vienas atomas (4) kodavimui naudoja vieną duomenų kubitą, o kubitai valdomi ir matuojami naudojant specialius lazerio impulsus. Kompiuteris turi atmintį, kurioje galima saugoti 160 kubitų duomenų. Jis taip pat gali vienu metu atlikti 79 kubitų skaičiavimus.

4. IonQ jonų gaudyklės schema

Mokslininkai iš IonQ atliko standartinį vadinamojo testą Bernsteino-Vazirano algoritmas. Mašinos užduotis buvo atspėti skaičių nuo 0 iki 1023. Klasikiniai kompiuteriai 10 bitų skaičių atspėja vienuolika. Kvantiniai kompiuteriai naudoja du būdus, kad atspėtų rezultatą su 100% tikrumu. Pirmuoju bandymu IonQ kvantinis kompiuteris atspėjo vidutiniškai 73% pateiktų skaičių. Kai algoritmas vykdomas bet kuriam skaičiui nuo 1 iki 1023, įprasto kompiuterio sėkmės rodiklis yra 0,2%, o IonQ - 79%.

IonQ ekspertai mano, kad sistemos, pagrįstos jonų gaudyklėmis, yra pranašesnės už silicio kvantinius kompiuterius, kuriuos kuria Google ir kitos įmonės. Jų 79 kubitų matrica 7 kubitais lenkia „Google“ „Bristlecone“ kvantinį procesorių. IonQ rezultatas taip pat yra sensacingas, kai kalbama apie sistemos veikimo laiką. Anot mašinos kūrėjų, vienam kubitui jis išlieka 99,97%, o tai reiškia 0,03% klaidų lygį, o geriausi konkurso rezultatai vidutiniškai siekė apie 0,5%. „IonQ“ įrenginio dviejų bitų klaidų lygis turėtų būti 99,3%, o dauguma konkurentų neviršija 95%.

Verta tai pridurti, pasak „Google“ tyrėjų kvantinė viršenybė – tašką, kuriame kvantinis kompiuteris pranoksta visas kitas turimas mašinas, jau galima pasiekti naudojant kvantinį kompiuterį su 49 kubitais, jei dviejų kubitų užtvarų klaidų lygis yra mažesnis nei 0,5%. Tačiau kvantinio skaičiavimo jonų gaudyklės metodas vis dar susiduria su didelėmis kliūtimis, kurias reikia įveikti: lėtą vykdymo laiką ir didžiulį dydį, taip pat technologijos tikslumą ir mastelio keitimą.

Šifrų tvirtovė griuvėsiuose ir kitos pasekmės

2019 m. sausio mėn. CES 2019 parodoje IBM generalinis direktorius Ginni Rometty paskelbė, kad IBM jau siūlo integruotą kvantinio skaičiavimo sistemą komerciniam naudojimui. IBM kvantiniai kompiuteriai5) fiziškai yra Niujorke kaip sistemos dalis „IBM Q System One“. Naudodami Q Network ir Q Quantum Computational Center, kūrėjai gali lengvai naudoti Qiskit programinę įrangą kvantiniams algoritmams sudaryti. Taigi, IBM kvantinių kompiuterių skaičiavimo galia yra prieinama kaip debesų kompiuterijos paslauga, protinga kaina.

„D-Wave“ taip pat jau kurį laiką teikia tokias paslaugas, o kiti pagrindiniai žaidėjai (pavyzdžiui, „Amazon“) planuoja panašius kvantinių debesų pasiūlymus. „Microsoft“ žengė toliau su įvadu Q# programavimo kalba (tariama kaip), kuris gali veikti su Visual Studio ir veikti nešiojamajame kompiuteryje. Programuotojai turi įrankį, skirtą imituoti kvantinius algoritmus ir sukurti programinės įrangos tiltą tarp klasikinio ir kvantinio skaičiavimo.

Tačiau kyla klausimas, kam iš tikrųjų gali būti naudingi kompiuteriai ir jų skaičiavimo galia? Praėjusį spalį žurnale Science paskelbtame tyrime IBM, Vaterlo universiteto ir Miuncheno technikos universiteto mokslininkai bandė apytiksliai nustatyti problemų, kurioms kvantiniai kompiuteriai atrodo tinkamiausi, tipus.

Remiantis tyrimu, tokie įrenginiai galės išspręsti sudėtingas problemas tiesinė algebra ir optimizavimo uždaviniai. Skamba miglotai, tačiau gali atsirasti galimybių paprastesniems ir pigesniems problemų, kurios šiuo metu reikalauja daug pastangų, resursų ir laiko, o kartais nepasiekiamos, sprendimo būdų.

5. IBM kvantinis kompiuteris

Naudinga kvantinė kompiuterija diametraliai pakeisti kriptografijos sritį. Jų dėka šifravimo kodus buvo galima greitai nulaužti ir, galbūt, „blockchain“ technologija bus sunaikinta. Dabar atrodo, kad RSA šifravimas yra stipri ir nesugriaunama apsauga, apsauganti daugumą duomenų ir ryšių pasaulyje. Tačiau pakankamai galingas kvantinis kompiuteris gali lengvai nulaužti RSA šifravimą per Šoro algoritmas.

Kaip to išvengti? Kai kurie pasisako už viešųjų šifravimo raktų ilgį iki tokio dydžio, kuris reikalingas kvantiniam iššifravimui įveikti. Kitiems jis turėtų būti naudojamas vienas, kad būtų užtikrintas saugus ryšys. Kvantinės kriptografijos dėka jau pats duomenų perėmimo veiksmas juos sugadintų, po to dalelę kišantis asmuo negalėtų iš jos gauti naudingos informacijos, o gavėjas būtų įspėtas apie pasiklausymo bandymą.

Taip pat dažnai minimi galimi kvantinio skaičiavimo pritaikymai. ekonominė analizė ir prognozavimas. Kvantinių sistemų dėka sudėtingus rinkos elgesio modelius galima išplėsti įtraukiant daug daugiau kintamųjų nei anksčiau, todėl galima tiksliau diagnozuoti ir prognozuoti. Vienu metu kvantiniu kompiuteriu apdorojant tūkstančius kintamųjų, taip pat būtų galima sutrumpinti kūrimui reikalingą laiką ir išlaidas. nauji vaistai, transporto ir logistikos sprendimai, tiekimo grandinės, klimato modeliaitaip pat daugelio kitų milžiniško sudėtingumo problemų sprendimui.

Neveno įstatymas

Senųjų kompiuterių pasaulis turėjo savo Moore'o dėsnį, tuo tarpu kvantiniai kompiuteriai turi vadovautis vadinamuoju. Neveno įstatymas. Savo vardą jis skolingas vienam ryškiausių „Google“ kvantų specialistų, Hartmutas Nevena (6), kuriame teigiama, kad šiuo metu kvantinės skaičiavimo technologijos daroma pažanga dvigubas eksponentinis greitis.

Tai reiškia, kad užuot padvigubinus našumą su nuosekliomis iteracijomis, kaip buvo klasikinių kompiuterių ir Moore'o dėsnio atveju, kvantinė technologija pagerina našumą daug greičiau.

Ekspertai prognozuoja kvantinio pranašumo atsiradimą, kurį galima paversti ne tik kvantinių kompiuterių pranašumu prieš bet kokius klasikinius, bet ir kitais būdais – kaip naudingų kvantinių kompiuterių eros pradžią. Tai atvers kelią proveržiams chemijos, astrofizikos, medicinos, saugumo, ryšių ir kt.

Tačiau yra ir nuomonė, kad tokio pranašumo niekada nebus, bent jau artimiausioje ateityje. Švelnesnė skepticizmo versija yra ta kvantiniai kompiuteriai niekada nepakeis klasikinių kompiuterių, nes jie nėra tam sukurti. Negalite pakeisti „iPhone“ ar kompiuterio kvantine mašina, kaip ir teniso batelių negalite pakeisti branduoliniu lėktuvnešiu.. Klasikiniai kompiuteriai leidžia žaisti žaidimus, tikrinti el. paštą, naršyti internete ir paleisti programas. Daugeliu atvejų kvantiniai kompiuteriai atlieka modeliavimą, kuris yra per sudėtingas dvejetainėms sistemoms, veikiančioms kompiuterio bitais. Kitaip tariant, individualūs vartotojai negaus beveik jokios naudos iš savo kvantinio kompiuterio, tačiau tikrieji išradimo naudos gavėjai bus, pavyzdžiui, NASA arba Masačusetso technologijos institutas.

Laikas parodys, kuris požiūris yra tinkamesnis – IBM ar Google. Pagal Neveno dėsnį, mums liko tik keli mėnesiai, kad viena ar kita komanda visiškai pademonstruotų kvantinį pranašumą. Ir tai nebėra perspektyva „po dešimties metų, tai yra, niekas nežino kada“.