Sepuluh tahun kemudian tiada siapa yang tahu bila

Kepada orang yang kurang berpengetahuan yang telah membaca sejumlah besar penerbitan tentang komputer kuantum, seseorang mungkin mendapat tanggapan bahawa ini adalah mesin "di luar rak" yang berfungsi dengan cara yang sama seperti komputer biasa. Tidak ada yang lebih salah. Malah ada yang percaya bahawa masih belum ada komputer kuantum. Dan yang lain tertanya-tanya untuk apa ia digunakan, kerana ia tidak direka untuk menggantikan sistem sifar satu.

Kita sering mendengar bahawa komputer kuantum pertama yang sebenar dan berfungsi dengan betul akan muncul dalam kira-kira satu dekad. Bagaimanapun, seperti yang dinyatakan oleh Linley Gwennap, ketua penganalisis di Kumpulan Linley, dalam artikel itu, "apabila orang mengatakan bahawa komputer kuantum akan muncul dalam sepuluh tahun, mereka tidak tahu bila ia akan berlaku."

Walaupun keadaan samar-samar ini, suasana persaingan untuk apa yang dipanggil. penguasaan kuantum. Prihatin terhadap kerja kuantum dan kemajuan orang Cina, pentadbiran AS meluluskan Akta Inisiatif Kuantum Kebangsaan Disember lalu.1). Dokumen ini bertujuan untuk menyediakan sokongan persekutuan untuk penyelidikan, pembangunan, demonstrasi, dan aplikasi pengkomputeran kuantum dan teknologi. Dalam sepuluh tahun yang ajaib, kerajaan AS akan membelanjakan berbilion-bilion membina infrastruktur pengkomputeran kuantum, ekosistem dan merekrut orang. Semua pembangun utama komputer kuantum - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft dan Rigetti, serta pencipta algoritma kuantum 1QBit dan Zapata menyambut baik perkara ini. Inisiatif Kuantum Kebangsaan.

Perintis D-WAve

Pada tahun 2007, D-Wave Systems memperkenalkan cip 128-qubit (2), dipanggil komputer kuantum pertama di dunia. Walau bagaimanapun, tidak ada kepastian sama ada ia boleh dipanggil begitu - hanya karyanya yang ditunjukkan, tanpa sebarang butiran pembinaannya. Pada tahun 2009, D-Wave Systems membangunkan enjin carian imej "kuantum" untuk Google. Pada Mei 2011, Lockheed Martin memperoleh komputer kuantum daripada D-Wave Systems. D-gelombang satu untuk $ 10 juta, sambil menandatangani kontrak berbilang tahun untuk operasi dan pembangunan algoritma yang berkaitan.

Pada tahun 2012, mesin ini menunjukkan proses mencari molekul protein heliks dengan tenaga paling rendah. Penyelidik dari Sistem D-Wave menggunakan sistem dengan nombor yang berbeza qubit, melakukan beberapa pengiraan matematik, beberapa daripadanya jauh melebihi kemampuan komputer klasik. Walau bagaimanapun, pada awal 2014, John Smolin dan Graham Smith menerbitkan artikel yang mendakwa bahawa mesin D-Wave Systems bukanlah mesin. Tidak lama selepas itu, Fizik Alam membentangkan hasil eksperimen yang membuktikan bahawa D-Wave One masih ...

Satu lagi ujian pada Jun 2014 tidak menunjukkan perbezaan antara komputer klasik dan mesin D-Wave Systems, tetapi syarikat itu menjawab bahawa perbezaan itu hanya ketara untuk tugas yang lebih kompleks daripada yang diselesaikan dalam ujian. Pada awal 2017, syarikat itu melancarkan mesin yang kononnya terdiri daripada 2 ribu qubitiaitu 2500 kali lebih pantas daripada algoritma klasik terpantas. Dan sekali lagi, dua bulan kemudian, sekumpulan saintis membuktikan bahawa perbandingan ini tidak tepat. Bagi ramai yang ragu-ragu, sistem D-Wave masih bukan komputer kuantum, tetapi mereka simulasi menggunakan kaedah klasik.

Sistem D-Wave generasi keempat menggunakan penyepuhlindapan kuantumdan keadaan qubit direalisasikan oleh litar kuantum superkonduktor (berdasarkan apa yang dipanggil simpang Josephson). Mereka beroperasi dalam persekitaran yang hampir dengan sifar mutlak dan mempunyai sistem 2048 qubit. Pada penghujung tahun 2018, D-Wave diperkenalkan kepada pasaran LANTUNG, iaitu anda persekitaran aplikasi kuantum masa nyata (KAE). Penyelesaian awan membolehkan pelanggan luar mengakses pengkomputeran kuantum dalam masa nyata.

Pada Februari 2019, D-Wave mengumumkan generasi seterusnya  Pegasus. Ia diumumkan sebagai "sistem kuantum komersial paling luas di dunia" dengan lima belas sambungan setiap qubit dan bukannya enam, dengan lebih 5 qubit dan menghidupkan pengurangan hingar pada tahap yang tidak diketahui sebelumnya. Peranti itu sepatutnya dijual pada pertengahan tahun depan.

Qubit, atau superposisi ditambah jalinan

Pemproses komputer standard bergantung pada paket atau cebisan maklumat, setiap satu mewakili satu jawapan ya atau tidak. Pemproses kuantum adalah berbeza. Mereka tidak bekerja dalam dunia sifar satu. tulang siku, unit maklumat kuantum yang terkecil dan tidak boleh dibahagikan ialah sistem dua dimensi yang diterangkan ruang Hilbert. Oleh itu, ia berbeza daripada rentak klasik kerana ia boleh masuk sebarang superposisi dua keadaan kuantum. Model fizikal qubit paling kerap diberikan sebagai contoh zarah dengan putaran ½, seperti elektron, atau polarisasi satu foton.

Untuk memanfaatkan kuasa qubit, anda mesti menyambungkannya melalui proses yang dipanggil kekeliruan. Dengan setiap qubit tambahan, kuasa pemprosesan pemproses berganda diri sendiri, kerana bilangan jalinan disertai dengan jalinan qubit baharu dengan semua keadaan sudah tersedia dalam pemproses (3). Tetapi mencipta dan menggabungkan qubit dan kemudian menyuruh mereka melakukan pengiraan yang rumit bukanlah tugas yang mudah. Mereka tinggal sangat sensitif terhadap pengaruh luaryang boleh membawa kepada kesilapan pengiraan dan, dalam kes yang paling teruk, kepada pereputan qubit terjerat, i.e. dekoherenyang merupakan sumpahan sebenar sistem kuantum. Apabila qubit tambahan ditambah, kesan buruk daya luaran meningkat. Satu cara untuk menangani masalah ini adalah dengan membolehkan tambahan qubit "KAWALAN"yang hanya berfungsi untuk menyemak dan membetulkan output.

3. Perwakilan simbolik sistem IBM 50-qubit

Walau bagaimanapun, ini bermakna komputer kuantum yang lebih berkuasa akan diperlukan, berguna untuk menyelesaikan masalah yang kompleks, seperti menentukan cara molekul protein berlipat atau mensimulasikan proses fizikal di dalam atom. banyak qubit. Tom Watson dari Universiti Delft di Belanda baru-baru ini memberitahu BBC News:

-

Ringkasnya, jika komputer kuantum ingin berlepas, anda perlu menghasilkan cara mudah untuk menghasilkan pemproses qubit yang besar dan stabil.

Oleh kerana qubit tidak stabil, amat sukar untuk mencipta sistem dengan kebanyakannya. Jadi jika, pada akhirnya, qubit sebagai konsep untuk pengkomputeran kuantum gagal, saintis mempunyai alternatif: gerbang kuantum qubit.

Satu pasukan dari Universiti Purdue menerbitkan satu kajian dalam npj Quantum Information yang memperincikan penciptaan mereka. Para saintis percaya bahawa kuditstidak seperti qubit, ia boleh wujud dalam lebih daripada dua keadaan, seperti 0, 1, dan 2, dan untuk setiap keadaan tambahan, kuasa pengiraan satu qudit meningkat. Dengan kata lain, anda perlu mengekod dan memproses jumlah maklumat yang sama. kurang kemuliaan daripada qubit.

Untuk mencipta gerbang kuantum yang mengandungi qudit, pasukan Purdue mengekod empat qudits menjadi dua foton terjerat dari segi kekerapan dan masa. Pasukan itu memilih foton kerana ia tidak menjejaskan alam sekitar dengan mudah dan menggunakan berbilang domain dibenarkan untuk lebih terjerat dengan lebih sedikit foton. Gerbang siap mempunyai kuasa pemprosesan sebanyak 20 qubit, walaupun ia hanya memerlukan empat qudit, dengan kestabilan tambahan kerana penggunaan foton, menjadikannya sistem yang menjanjikan untuk komputer kuantum masa hadapan.

Perangkap silikon atau ion

Walaupun tidak semua orang berkongsi pendapat ini, penggunaan silikon untuk membina komputer kuantum nampaknya mempunyai faedah yang besar, kerana teknologi silikon sudah mantap dan sudah ada industri besar yang dikaitkan dengannya. Silikon digunakan dalam pemproses kuantum Google dan IBM, walaupun ia disejukkan di dalamnya kepada suhu yang sangat rendah. Ia bukan bahan yang sesuai untuk sistem kuantum, tetapi saintis sedang mengusahakannya.

Menurut penerbitan baru-baru ini dalam Nature, sepasukan penyelidik menggunakan tenaga gelombang mikro untuk menyelaraskan dua zarah elektron yang digantung dalam silikon dan kemudian menggunakannya untuk melakukan satu siri pengiraan ujian. Kumpulan itu, yang termasuk, khususnya, saintis dari Universiti Wisconsin-Madison "menggantung" qubit elektron tunggal dalam struktur silikon, yang putarannya ditentukan oleh tenaga sinaran gelombang mikro. Dalam superposisi, elektron secara serentak berputar mengelilingi dua paksi yang berbeza. Kedua-dua qubit kemudiannya digabungkan dan diprogramkan untuk melakukan pengiraan ujian, selepas itu penyelidik membandingkan data yang dijana oleh sistem dengan data yang diterima daripada komputer standard yang melakukan pengiraan ujian yang sama. Selepas membetulkan data, boleh atur cara pemproses silikon kuantum dua bit.

Walaupun peratusan ralat masih jauh lebih tinggi daripada perangkap ion yang dipanggil (peranti di mana zarah bercas seperti ion, elektron, proton disimpan untuk beberapa lama) atau komputer  berdasarkan superkonduktor seperti D-Wave, pencapaiannya kekal luar biasa kerana mengasingkan qubit daripada bunyi luaran adalah amat sukar. Pakar melihat peluang untuk menskala dan menambah baik sistem. Dan penggunaan silikon, dari sudut teknologi dan ekonomi, adalah penting di sini.

Walau bagaimanapun, bagi kebanyakan penyelidik, silikon bukanlah masa depan komputer kuantum. Pada Disember tahun lepas, maklumat muncul bahawa jurutera syarikat Amerika IonQ menggunakan ytterbium untuk mencipta komputer kuantum paling produktif di dunia, mengatasi sistem D-Wave dan IBM.

Hasilnya ialah mesin yang mengandungi satu atom dalam perangkap ion (4) menggunakan qubit data tunggal untuk pengekodan, dan qubit dikawal dan diukur menggunakan denyutan laser khas. Komputer mempunyai memori yang boleh menyimpan 160 qubit data. Ia juga boleh melakukan pengiraan serentak pada 79 qubit.

4. Skim perangkap ion IonQ

Para saintis dari IonQ menjalankan ujian standard yang dipanggil Algoritma Bernstein-Vaziraniego. Tugas mesin adalah untuk meneka nombor antara 0 dan 1023. Komputer klasik mengambil sebelas tekaan untuk nombor 10-bit. Komputer kuantum menggunakan dua pendekatan untuk meneka keputusan dengan kepastian 100%. Pada percubaan pertama, komputer kuantum IonQ meneka purata 73% daripada nombor yang diberikan. Apabila algoritma dijalankan untuk sebarang nombor antara 1 dan 1023, kadar kejayaan untuk komputer biasa ialah 0,2%, manakala untuk IonQ ialah 79%.

Pakar IonQ percaya bahawa sistem berdasarkan perangkap ion adalah lebih baik daripada komputer kuantum silikon yang sedang dibina oleh Google dan syarikat lain. Matriks 79-qubit mereka mengatasi pemproses kuantum Bristlecone Google sebanyak 7 qubit. Keputusan IonQ juga sensasi apabila melibatkan masa operasi sistem. Menurut pencipta mesin itu, untuk satu qubit, ia kekal pada 99,97%, yang bermaksud kadar ralat 0,03%, manakala keputusan terbaik pertandingan purata kira-kira 0,5%. Kadar ralat dua bit untuk peranti IonQ hendaklah pada 99,3%, manakala kebanyakan pesaing tidak melebihi 95%.

Perlu ditambah, menurut penyelidik Google ketuanan kuantum – titik di mana komputer kuantum mengatasi semua mesin lain yang tersedia – sudah boleh dicapai dengan komputer kuantum dengan 49 qubit, dengan syarat kadar ralat pada get dua qubit adalah di bawah 0,5%. Walau bagaimanapun, kaedah perangkap ion dalam pengkomputeran kuantum masih menghadapi halangan utama untuk diatasi: masa pelaksanaan yang perlahan dan saiz yang besar, serta ketepatan dan kebolehskalaan teknologi.

Kubu kuat sifir dalam runtuhan dan akibat lain

Pada Januari 2019 di CES 2019, Ketua Pegawai Eksekutif IBM Ginni Rometty mengumumkan bahawa IBM telah pun menawarkan sistem pengkomputeran kuantum bersepadu untuk kegunaan komersil. komputer kuantum IBM5) secara fizikalnya terletak di New York sebagai sebahagian daripada sistem IBM Q Sistem Satu. Menggunakan Q Network dan Q Quantum Computational Center, pembangun boleh menggunakan perisian Qiskit untuk menyusun algoritma kuantum dengan mudah. Oleh itu, kuasa pengkomputeran komputer kuantum IBM tersedia sebagai perkhidmatan pengkomputeran awan, harga berpatutan.

D-Wave juga telah menyediakan perkhidmatan sedemikian untuk beberapa waktu sekarang, dan pemain utama lain (seperti Amazon) merancang tawaran awan kuantum yang serupa. Microsoft pergi lebih jauh dengan pengenalan Bahasa pengaturcaraan Q# (disebut seperti) yang boleh berfungsi dengan Visual Studio dan dijalankan pada komputer riba. Pengaturcara mempunyai alat untuk mensimulasikan algoritma kuantum dan mencipta jambatan perisian antara pengkomputeran klasik dan kuantum.

Namun, persoalannya, apakah sebenarnya komputer dan kuasa pengkomputerannya berguna? Dalam kajian yang diterbitkan Oktober lalu dalam jurnal Science, saintis dari IBM, Universiti Waterloo dan Universiti Teknikal Munich cuba untuk menganggarkan jenis masalah yang komputer kuantum nampaknya paling sesuai untuk diselesaikan.

Menurut kajian itu, peranti sedemikian akan dapat menyelesaikan kompleks algebra linear dan masalah pengoptimuman. Kedengarannya samar-samar, tetapi mungkin terdapat peluang untuk penyelesaian yang lebih mudah dan lebih murah kepada isu yang pada masa ini memerlukan banyak usaha, sumber dan masa, dan kadangkala di luar jangkauan kami.

5. Komputer kuantum IBM

Pengkomputeran kuantum yang berguna mengubah bidang kriptografi secara diametrik. Terima kasih kepada mereka, kod penyulitan boleh dipecahkan dengan cepat dan, mungkin, teknologi blockchain akan dimusnahkan. Penyulitan RSA kini nampaknya menjadi pertahanan yang kuat dan tidak boleh dihancurkan yang melindungi kebanyakan data dan komunikasi di dunia. Walau bagaimanapun, komputer kuantum yang cukup berkuasa boleh dengan mudah retak penyulitan RSA melalui Algoritma Shor.

Bagaimana cara mencegahnya? Sesetengah menyokong meningkatkan panjang kunci penyulitan awam kepada saiz yang diperlukan untuk mengatasi penyahsulitan kuantum. Bagi yang lain, ia harus digunakan secara bersendirian untuk memastikan komunikasi yang selamat. Terima kasih kepada kriptografi kuantum, tindakan memintas data akan merosakkannya, selepas itu orang yang mengganggu zarah tidak akan dapat mendapatkan maklumat berguna daripadanya, dan penerima akan diberi amaran tentang percubaan mencuri dengar.

Aplikasi berpotensi pengkomputeran kuantum juga sering disebut. analisis dan ramalan ekonomi. Terima kasih kepada sistem kuantum, model kompleks tingkah laku pasaran boleh dikembangkan untuk memasukkan lebih banyak pembolehubah berbanding sebelum ini, yang membawa kepada diagnosis dan ramalan yang lebih tepat. Dengan memproses beribu-ribu pembolehubah secara serentak oleh komputer kuantum, ia juga mungkin untuk mengurangkan masa dan kos yang diperlukan untuk pembangunan. ubat baharu, penyelesaian pengangkutan dan logistik, rantaian bekalan, model iklimserta untuk menyelesaikan banyak masalah lain yang mempunyai kerumitan besar.

undang-undang Nevena

Dunia komputer lama mempunyai undang-undang Moore sendiri, manakala komputer kuantum mesti dipandu oleh apa yang dipanggil undang-undang Nevena. Dia berhutang namanya kepada salah seorang pakar kuantum yang paling terkenal di Google, Hartmut Nevena (6), yang menyatakan bahawa kemajuan dalam teknologi pengkomputeran kuantum sedang dibuat dalam kelajuan eksponen berganda.

Ini bermakna bahawa daripada menggandakan prestasi dengan lelaran berturut-turut, seperti yang berlaku dengan komputer klasik dan undang-undang Moore, teknologi kuantum meningkatkan prestasi dengan lebih pantas.

Pakar meramalkan kemunculan keunggulan kuantum, yang boleh diterjemahkan bukan sahaja kepada keunggulan komputer kuantum berbanding mana-mana komputer klasik, tetapi juga dengan cara lain - sebagai permulaan era komputer kuantum yang berguna. Ini akan membuka jalan kepada kejayaan dalam kimia, astrofizik, perubatan, keselamatan, komunikasi dan banyak lagi.

Walau bagaimanapun, terdapat juga pendapat bahawa keunggulan tersebut tidak akan pernah wujud, sekurang-kurangnya tidak pada masa hadapan. Versi skeptisisme yang lebih ringan ialah itu komputer kuantum tidak akan menggantikan komputer klasik kerana ia tidak direka untuk berbuat demikian. Anda tidak boleh menggantikan iPhone atau PC dengan mesin kuantum, sama seperti anda tidak boleh menggantikan kasut tenis dengan kapal pengangkut pesawat nuklear.. Komputer klasik membolehkan anda bermain permainan, menyemak e-mel, melayari web dan menjalankan program. Komputer kuantum dalam kebanyakan kes melakukan simulasi yang terlalu kompleks untuk sistem binari yang dijalankan pada bit komputer. Dalam erti kata lain, pengguna individu hampir tidak akan mendapat manfaat daripada komputer kuantum mereka sendiri, tetapi penerima sebenar ciptaan itu adalah, sebagai contoh, NASA atau Institut Teknologi Massachusetts.

Masa akan menentukan pendekatan mana yang lebih sesuai - IBM atau Google. Menurut undang-undang Neven, kita hanya beberapa bulan lagi untuk melihat demonstrasi penuh keunggulan kuantum oleh satu pasukan atau yang lain. Dan ini bukan lagi prospek "dalam sepuluh tahun, iaitu, tiada siapa yang tahu bila."