Zece ani mai târziu nimeni nu știe când

O persoană mai puțin informată care a citit o mulțime de publicații despre calculatoarele cuantice poate avea impresia că sunt mașini „gata făcute” care funcționează în același mod ca computerele convenționale. Nimic nu ar putea fi mai greșit. Unii chiar cred că nu există încă computere cuantice. Și alții se întreabă pentru ce vor fi folosite, deoarece nu sunt concepute pentru a înlocui sistemele zero-unu.

Auzim adesea că primele computere cuantice reale și care funcționează corect vor apărea peste aproximativ un deceniu. Cu toate acestea, așa cum a remarcat Linley Gwennap, analist principal la Linley Group, în articol, „Când oamenii spun că un computer cuantic va apărea în zece ani, ei nu știu când se va întâmpla.”

În ciuda acestei situații neclare, o atmosferă de competiție pentru așa-numitul supremația cuantică. Preocupată de munca cuantică și de succesul chinezilor, administrația americană a adoptat National Quantum Initiative Act în decembrie anul trecut (1). Documentul este destinat să ofere sprijin federal pentru cercetarea, dezvoltarea, demonstrarea și aplicarea tehnologiilor și calculului cuantic. Pe parcursul a zece ani magici, guvernul SUA va cheltui miliarde pentru a construi infrastructura de calcul cuantic, un ecosistem și va recruta oameni. Toți dezvoltatorii majori de calculatoare cuantice - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft și Rigetti, precum și creatorii algoritmilor cuantici 1QBit și Zapata, au salutat acest lucru. National Quantum Initiative.

Pionierii D-WAve

În 2007, D-Wave Systems a introdus un cip de 128 de qubiți (2), numit primul computer cuantic din lume. Cu toate acestea, nu era sigur dacă ar putea fi numit așa - doar funcționarea sa a fost arătată, fără detalii despre designul său. În 2009, D-Wave Systems a dezvoltat un sistem de căutare de imagini „cuantice” pentru Google. În mai 2011, Lockheed Martin a achiziționat un computer cuantic produs de D-Wave Systems. Unda D unu pentru 10 milioane de dolari, în timp ce semna un contract pe mai mulți ani pentru operarea și dezvoltarea algoritmilor corespunzători.

În 2012, această mașină a demonstrat procesul de găsire a moleculei de proteină elicoidal cu cea mai scăzută energie. Cercetătorii de la D-Wave Systems folosesc sisteme cu numere diferite qubiți, a efectuat o serie de calcule matematice, dintre care unele depășeau cu mult capacitățile computerelor clasice. Cu toate acestea, la începutul lui 2014, John Smolin și Graham Smith au publicat o lucrare în care susțineau că mașina D-Wave Systems nu era o mașină. La scurt timp după aceasta, Physics of Nature a prezentat rezultatele experimentelor care demonstrează că D-Wave One a fost până la urmă...

Un alt test, realizat în iunie 2014, nu a arătat nicio diferență între computerul clasic și mașina D-Wave Systems, dar compania a răspuns că diferența era vizibilă doar pentru probleme mai complexe decât cele rezolvate în test. La începutul anului 2017, compania a introdus o mașină presupus formată din 2 mii de qubițicare a fost de 2500 de ori mai rapid decât cei mai rapizi algoritmi clasici. Și din nou, două luni mai târziu, un grup de oameni de știință a demonstrat că această comparație nu era exactă. Pentru mulți sceptici, sistemele D-Wave încă nu sunt computere cuantice, ci lor simulări folosind metode clasice.

Sistemul D-Wave de a patra generație folosește recoacere cuanticăiar stările qubitului sunt realizate prin circuite cuantice supraconductoare (bazate pe așa-numitele joncțiuni Josephson). Aceștia funcționează într-un mediu aproape de zero absolut și se laudă cu un sistem de 2048 de qubiți. La sfârșitul anului 2018, D-Wave a fost introdus pe piață SĂRI, adică al tău mediu de aplicații cuantice în timp real (KAE). Soluția cloud oferă clienților externi acces la calculul cuantic în timp real.

În februarie 2019, D-Wave a anunțat următoarea generație  Pegasus. A fost anunțat a fi „cel mai extins sistem cuantic comercial din lume”, cu cincisprezece conexiuni per qubit în loc de șase, cu mai mult de 5 qubiți și activarea anulării zgomotului la un nivel necunoscut anterior. Dispozitivul ar trebui să fie pus în vânzare la jumătatea anului viitor.

Qubits, sau suprapuneri plus încurcare

Procesoarele standard de computere se bazează pe pachete sau bucăți de informații, fiecare reprezentând un singur răspuns da sau nu. Procesoarele cuantice sunt diferite. Ei nu lucrează în lumea zero-unu. osul cotului, cea mai mică și indivizibilă unitate de informație cuantică este sistemul bidimensional descris spațiul hilbert. Prin urmare, diferă de liliacul clasic prin faptul că poate fi în orice suprapunere două stări cuantice. Ca model fizic al unui qubit, exemplul dat cel mai des este o particulă cu spin ½, cum ar fi un electron, sau polarizarea unui singur foton.

Pentru a valorifica puterea qubiților, trebuie să îi conectați folosind un proces numit confuzie. Cu fiecare qubit adăugat, puterea de procesare a procesorului se dublează se, deoarece numărul de încurcături este însoțit de încrucișarea unui nou qubit cu toate stările deja prezente în procesor (3). Dar crearea și combinarea qubiților și apoi a le spune să efectueze calcule complicate nu este o sarcină ușoară. Ei rămân extrem de sensibil la influențele externeceea ce poate duce la erori de calcul si, in cel mai rau caz, la dezintegrarea qubitilor incurcati, i.e. decoerențăcare este adevăratul blestem al sistemelor cuantice. Pe măsură ce se adaugă mai mulți qubiți, efectele adverse ale forțelor externe cresc. O modalitate de a rezolva această problemă este activarea suplimentară qubiți "CONTROL"a cărui unică funcţie este de a verifica şi corecta datele de ieşire.

3. Reprezentarea simbolică a sistemului IBM 50-qubit

Cu toate acestea, aceasta înseamnă că vor fi necesare computere cuantice mai puternice, utile pentru rezolvarea unor probleme complexe, cum ar fi determinarea modului în care moleculele de proteine ​​se pliază sau simularea proceselor fizice din interiorul atomilor. foarte qubit. Tom Watson de la Universitatea Delft din Olanda a declarat recent pentru BBC News:

-

Pe scurt, dacă computerele cuantice vor să decoleze, trebuie să veniți cu o modalitate simplă de a produce procesoare qubit mari și stabile.

Deoarece qubiții sunt instabili, crearea unui sistem cu mulți dintre ei este extrem de dificilă. Deci, dacă, în cele din urmă, qubiții ca concept de calcul cuantic eșuează, oamenii de știință au o alternativă: porțile qubitului cuantic.

Echipa de la Universitatea Purdue a publicat un studiu în npj Quantum Information care detaliază crearea lor. Oamenii de știință cred că FelicitariSpre deosebire de qubiți, aceștia pot exista în mai mult de două stări - de exemplu, 0, 1 și 2 - și pentru fiecare stare adăugată, puterea de calcul a unui singur qudit crește. Cu alte cuvinte, trebuie să codificați și să procesați aceeași cantitate de informații. mai putina faima decât qubiți.

Pentru a crea porți cuantice care conțin qudit-uri, echipa Purdue a codificat patru qudit-uri în doi fotoni încâlciți în termeni de frecvență și timp. Echipa a ales fotonii pentru că nu sunt ușor afectați de mediul înconjurător, iar utilizarea mai multor domenii a permis o mai mare încurcare cu mai puțini fotoni. Poarta terminată avea o putere de calcul de 20 de qubiți, deși necesita doar patru qudiți, cu stabilitate adăugată datorită utilizării fotonilor, făcând-o un sistem promițător pentru viitoarele calculatoare cuantice.

Siliciu sau capcane de ioni

Deși nu toată lumea împărtășește această opinie, utilizarea siliciului pentru a crea computere cuantice pare să aibă avantaje uriașe, deoarece tehnologia siliciului este bine stabilită și există deja o mare industrie asociată cu aceasta. Siliciul este folosit în procesoarele cuantice ale Google și IBM, deși este răcit la temperaturi foarte scăzute. Nu este un material ideal pentru sistemele cuantice, dar oamenii de știință lucrează la el.

Potrivit unei publicații recente în Nature, o echipă de cercetători a folosit energia cu microunde pentru a alinia două particule de electroni suspendate în siliciu și apoi le-a folosit pentru a efectua o serie de calcule de testare. Grupul, care a inclus, în special, oameni de știință de la Universitatea din Wisconsin-Madison, a „suspendat” qubiți cu un singur electron într-o structură de siliciu, al cărei spin a fost determinat de energia radiației cu microunde. În suprapunere, electronul s-a rotit simultan în jurul a două axe diferite. Cei doi qubiți au fost apoi combinați și programați pentru a efectua calcule de test, după care cercetătorii au comparat datele generate de sistem cu datele primite de la un computer standard care efectuează aceleași calcule de test. După corectarea datelor, un programabil procesor cu siliciu cuantic pe doi biți.

Deși rata de eroare este încă mult mai mare decât în ​​așa-numitele capcane de ioni (dispozitive care stochează particule încărcate, cum ar fi ionii, electronii, protonii pentru ceva timp) sau computerele  bazată pe supraconductori precum D-Wave, realizarea rămâne remarcabilă, deoarece izolarea qubiților de zgomotul extern este extrem de dificilă. Experții văd oportunități de scalare și îmbunătățire a sistemului. Iar utilizarea siliciului, din punct de vedere tehnologic și economic, este de o importanță cheie aici.

Cu toate acestea, pentru mulți cercetători, siliciul nu este viitorul calculului cuantic. În decembrie anul trecut, au apărut informații că inginerii companiei americane IonQ au folosit iterbiul pentru a crea cel mai productiv computer cuantic din lume, superior sistemelor D-Wave și IBM.

Rezultatul a fost o mașină care conținea un atom într-o capcană de ioni (4) folosește un singur qubit de date pentru codare, iar qubiții sunt controlați și măsurați folosind impulsuri laser speciale. Calculatorul are o memorie care poate stoca 160 de qubiți de date. De asemenea, poate efectua calcule pe 79 de qubiți simultan.

4. Diagrama capcanei ionice IonQ

Oamenii de știință de la IonQ au efectuat un test standard al așa-numitului Algoritmul Bernstein-Waziraniego. Sarcina mașinii a fost să ghicească un număr între 0 și 1023. Calculatoarele clasice necesită unsprezece încercări pentru un număr de 10 biți. Calculatoarele cuantice folosesc două abordări pentru a ghici rezultatul cu o certitudine de 100%. La prima încercare, computerul cuantic IonQ a ghicit o medie de 73% din numerele date. Când algoritmul este rulat pentru orice număr între 1 și 1023, computerul normal are șanse de reușită de 0,2%, dar IonQ are șanse de reușită de 79%.

IonQ consideră că sistemele bazate pe capcane de ioni sunt superioare computerelor cuantice cu siliciu pe care Google și alte companii le construiesc. Matricea lor de 79 de qubiți este superioară procesorului cuantic Bristlecone de la Google cu 7 qubiți. Rezultatul IonQ este, de asemenea, senzațional când vine vorba de fiabilitatea sistemului. Potrivit creatorilor mașinii, pentru un singur qubit rămâne la 99,97%, ceea ce înseamnă o rată de eroare de 0,03%, în timp ce cele mai bune rezultate ale competiției au avut o medie de aproximativ 0,5%. Rata de eroare pe doi biți pentru dispozitivul IonQ ar trebui să fie de 99,3%, în timp ce majoritatea concurenților sunt sub 95%.

Merită adăugat că, potrivit cercetătorilor Google, supremația cuantică – punctul în care un computer cuantic depășește toate celelalte mașini disponibile – poate fi deja atins cu un computer cuantic de 49 de qubiți, cu condiția ca rata de eroare pe porțile de doi qubiți să fie sub 0,5%. Cu toate acestea, metoda capcanei ionice în calculul cuantic se confruntă încă cu obstacole majore de depășit: timp de execuție lent și dimensiune uriașă, precum și acuratețea și scalabilitatea tehnologiei.

O fortăreață de cifruri în ruine și alte consecințe

În ianuarie 2019, la CES 2019, CEO-ul IBM, Ginni Rometty, a anunțat că IBM oferă deja un sistem de calcul cuantic integrat pentru uz comercial. calculatoare cuantice IBM5) sunt situate fizic în New York ca parte a sistemului IBM Q System One. Folosind Q Network și Q Quantum Computational Center, dezvoltatorii pot utiliza cu ușurință software-ul Qiskit pentru a compila algoritmi cuantici. Astfel, puterea de calcul a calculatoarelor cuantice IBM este disponibilă ca serviciu de cloud computing, preț rezonabil.

D-Wave oferă, de asemenea, astfel de servicii de ceva timp, iar alți jucători importanți (cum ar fi Amazon) plănuiesc oferte similare de cloud cuantic. Microsoft a mers mai departe cu introducerea Limbajul de programare Q# (pronunțat ca) care poate rula Visual Studio și poate rula pe un laptop. Programatorii au un instrument pentru a modela algoritmi cuantici și pentru a crea o punte software între calculul clasic și cel cuantic.

Cu toate acestea, întrebarea este: pentru ce sunt utile computerele și puterea lor de calcul? Într-un studiu publicat în octombrie anul trecut în revista Science, oamenii de știință de la IBM, de la Universitatea din Waterloo și de la Universitatea Tehnică din München au încercat să aproximeze tipurile de probleme pentru care calculatoarele cuantice par cele mai potrivite.

Potrivit studiului, astfel de dispozitive vor fi capabile să rezolve complexe algebră liniară și probleme de optimizare. Sună vag, dar pot exista oportunități pentru soluții mai ușoare și mai ieftine la probleme care în prezent necesită mult efort, resurse și timp și, uneori, sunt dincolo de atingerea noastră.

5. IBM Quantum Computer

Calcul cuantic util schimba diametral domeniul criptografiei. Datorită acestora, codurile de criptare ar putea fi sparte rapid și posibil tehnologia blockchain va fi distrusă. Criptarea RSA pare acum a fi o securitate fiabilă și de neîntrerupt, care protejează majoritatea datelor și comunicațiilor din lume. Cu toate acestea, un computer cuantic suficient de puternic poate face cu ușurință crack criptarea RSA via Algoritmul Shora.

Cum să previi asta? Unii susțin creșterea lungimii cheilor publice de criptare la dimensiunea necesară pentru a depăși decriptarea cuantică. Potrivit altora, ar trebui folosit singur pentru a asigura securitatea comunicațiilor. Datorită criptografiei cuantice, însuși actul de a intercepta datele le-ar corupe, după care persoana care manipulează particula nu ar putea obține informații utile de la ea, iar destinatarul ar fi avertizat cu privire la încercarea de a asculta.

Potențialele aplicații ale calculului cuantic sunt, de asemenea, adesea menționate. analiza si prognoza economica. Cu sistemele cuantice, modelele complexe ale comportamentului pieței pot fi extinse pentru a include mai multe variabile decât înainte, ceea ce duce la diagnostice și prognoze mai precise. Prin procesarea simultană a mii de variabile cu un computer cuantic, ar fi posibilă și reducerea timpului și costurilor necesare dezvoltării. medicamente noi, soluții de transport și logistică, lanțuri de aprovizionare, modele climaticeprecum şi pentru rezolvarea multor alte probleme de o complexitate enormă.

Legea galbenelelor

Lumea computerelor vechi avea propria lege a lui Moore, în timp ce calculatoarele cuantice trebuie să fie ghidate de așa-numitele Legea galbenelelor. Își datorează numele unuia dintre cei mai importanți specialiști cuantici ai Google, Hartmut Nevena (6), care afirmă că în prezent se fac progrese în tehnologia de calcul cuantic rata exponenţială dublă.

Aceasta înseamnă că, în loc să dubleze productivitatea prin iterații succesive, așa cum a fost cazul computerelor clasice și Legea lui Moore, tehnologia cuantică crește productivitatea mult mai rapid.

Experții prevăd apariția superiorității cuantice, care poate fi tradusă nu numai în superioritatea computerelor cuantice față de orice metode clasice, ci și în alte moduri - ca începutul erei calculatoarelor cuantice utile. Acest lucru va deschide calea pentru descoperiri în chimie, astrofizică, medicină, securitate, comunicații și multe altele.

Cu toate acestea, există și opinia că o astfel de superioritate nu va exista niciodată, cel puțin în viitorul apropiat. O versiune mai blândă a scepticismului este aceea Calculatoarele cuantice nu vor înlocui niciodată computerele clasice, deoarece nu sunt concepute pentru a face acest lucru. Nu poți înlocui un iPhone sau un PC cu o mașină cuantică, la fel cum nu poți înlocui pantofii de tenis... cu un portavion nuclear. Calculatoarele clasice vă permit să jucați jocuri, să verificați e-mailul, să navigați pe web și să rulați programe. Calculatoarele cuantice rulează în cea mai mare parte simulări care sunt prea complexe pentru sistemele binare care rulează pe biți de computer. Cu alte cuvinte, consumatorii individuali nu vor primi aproape niciun beneficiu de pe urma propriului computer cuantic, dar adevărații beneficiari ai invenției vor fi, de exemplu, NASA sau Massachusetts Institute of Technology.

Timpul va spune care abordare are mai mult sens - IBM sau Google. Conform Legii lui Neven, suntem la doar câteva luni până să vedem o demonstrație cu drepturi depline a supremației cuantice de către o echipă sau alta. Și aceasta nu mai este perspectiva „de acum în zece ani, adică cine știe când”.