Kymmenen vuotta myöhemmin kukaan ei tiedä milloin

Vähemmän perillä olevalle ihmiselle, joka on lukenut koko joukon kvanttitietokoneita käsitteleviä julkaisuja, saattaa muodostua vaikutelma, että nämä ovat "valmiita" koneita, jotka toimivat samalla tavalla kuin tavalliset tietokoneet. Mikään ei voisi olla enempää pielessä. Jotkut jopa uskovat, että kvanttitietokoneita ei ole vielä olemassa. Ja toiset ihmettelevät, mihin niitä käytetään, koska niitä ei ole suunniteltu korvaamaan nolla yksi -järjestelmiä.

Kuulemme usein, että ensimmäiset todelliset ja kunnolla toimivat kvanttitietokoneet ilmestyvät noin vuosikymmenen kuluttua. Kuitenkin, kuten Linley Gwennap, Linley Groupin pääanalyytikko, huomautti artikkelissa, "kun ihmiset sanovat, että kvanttitietokone ilmestyy kymmenen vuoden kuluttua, he eivät tiedä, milloin se tapahtuu."

Tästä epämääräisestä tilanteesta huolimatta kilpailun ilmapiiri ns. kvanttidominanssi. Huolissaan kvanttityöstä ja kiinalaisten menestyksestä Yhdysvaltain hallinto hyväksyi viime joulukuussa National Quantum Initiative Act -lain (National Quantum Initiative Act).1). Asiakirjan tarkoituksena on tarjota liittovaltion tukea kvanttilaskennan ja -teknologioiden tutkimukselle, kehitykselle, esittelylle ja soveltamiselle. Taianomaisen kymmenen vuoden aikana Yhdysvaltain hallitus käyttää miljardeja rakentaakseen kvanttilaskentainfrastruktuuria, ekosysteemejä ja rekrytoidakseen ihmisiä. Kaikki suuret kvanttitietokoneiden kehittäjät - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft ja Rigetti sekä kvanttialgoritmien 1QBit ja Zapata luojat pitivät tätä tervetulleena. Kansallinen kvanttialoite.

D-WAve Pioneers

Vuonna 2007 D-Wave Systems esitteli 128 kubitin sirun (2), kutsutaan maailman ensimmäinen kvanttitietokone. Ei kuitenkaan ollut varmuutta, voidaanko sitä kutsua sellaiseksi - vain hänen teoksensa esitettiin ilman mitään yksityiskohtia hänen rakentamisestaan. Vuonna 2009 D-Wave Systems kehitti "kvantti"-kuvahakukoneen Googlelle. Toukokuussa 2011 Lockheed Martin osti kvanttitietokoneen D-Wave Systemsiltä. D-aalto yksi 10 miljoonalla dollarilla allekirjoittaessaan monivuotisen sopimuksen sen toiminnasta ja siihen liittyvien algoritmien kehittämisestä.

Vuonna 2012 tämä kone esitteli prosessia, jolla löydettiin spiraalimainen proteiinimolekyyli, jolla on pienin energia. D-Wave Systemsin tutkijat käyttävät järjestelmiä eri numeroilla qubits, suoritti joukon matemaattisia laskelmia, joista osa ylitti paljon klassisten tietokoneiden kyvyt. Kuitenkin vuoden 2014 alussa John Smolin ja Graham Smith julkaisivat artikkelin, jossa väittivät, että D-Wave Systems -kone ei ollut kone. Pian tämän jälkeen Physics of Nature esitteli tulokset kokeista, jotka osoittivat, että D-Wave One on edelleen ...

Toinen testi kesäkuussa 2014 ei osoittanut eroa klassisen tietokoneen ja D-Wave Systems -koneen välillä, mutta yritys vastasi, että ero oli havaittavissa vain testissä ratkaistua monimutkaisemmissa tehtävissä. Vuoden 2017 alussa yhtiö esitteli koneen, joka näennäisesti koostui 2 tuhatta kubittiajoka oli 2500 kertaa nopeampi kuin nopeimmat klassiset algoritmit. Ja jälleen, kaksi kuukautta myöhemmin, ryhmä tutkijoita osoitti, että tämä vertailu ei ollut tarkka. Monille skeptikoille D-Wave-järjestelmät eivät edelleenkään ole kvanttitietokoneita, vaan niitä simulaatioita käyttämällä klassisia menetelmiä.

Neljännen sukupolven D-Wave-järjestelmä käyttää kvanttihehkutuksetja kubittitilat toteutetaan suprajohtavilla kvanttipiireillä (ns. Josephson-risteyksien perusteella). Ne toimivat ympäristössä, joka on lähellä absoluuttista nollaa, ja niissä on 2048 kubitin järjestelmä. Vuoden 2018 lopussa D-Wave tuli markkinoille JUMP, eli sinun reaaliaikainen kvanttisovellusympäristö (KAE). Pilviratkaisun avulla ulkoiset asiakkaat voivat käyttää kvanttilaskentaa reaaliajassa.

Helmikuussa 2019 D-Wave julkisti seuraavan sukupolven  pegasus. Sen ilmoitettiin olevan "maailman laajin kaupallinen kvanttijärjestelmä", jossa on viisitoista yhteyttä kubittia kohden kuuden sijasta. yli 5 qubittiä ja kohinanvaimennus kytketään päälle aiemmin tuntemattomalla tasolla. Laitteen pitäisi tulla myyntiin ensi vuoden puolivälissä.

Qubits tai superpositiot ja sotkeutuminen

Tavalliset tietokoneprosessorit luottavat paketeihin tai tietoihin, joista jokainen edustaa yhtä kyllä ​​tai ei vastausta. Kvanttiprosessorit ovat erilaisia. Ne eivät toimi nolla-yksimaailmassa. kyynärpään luu, kvanttitiedon pienin ja jakamaton yksikkö on kuvattu kaksiulotteinen järjestelmä hilbertin tilaa. Siksi se eroaa klassisesta rytmistä siinä, että se voi olla sisään mikä tahansa superpositio kaksi kvanttitilaa. Kubitin fyysinen malli annetaan useimmiten esimerkkinä hiukkasesta, jonka spin ½, kuten elektronista tai yksittäisen fotonin polarisaatiosta.

Valjastaaksesi kubittien voiman, sinun on yhdistettävä ne prosessin kautta sekaannus. Jokaisella lisätyllä kubitilla prosessorin prosessointiteho tuplaa itse, koska sotkeutumisten määrään liittyy uuden kubitin sotkeutuminen kaikkiin prosessorissa jo oleviin tiloihin (3). Mutta kubittien luominen ja yhdistäminen ja sitten niiden käskeminen suorittaa monimutkaisia ​​laskelmia ei ole helppo tehtävä. He jäävät erittäin herkkä ulkoisille vaikutuksillemikä voi johtaa laskentavirheisiin ja pahimmassa tapauksessa sotkeutuneiden kubittien hajoamiseen, ts. epäkoherenssimikä on kvanttijärjestelmien todellinen kirous. Kun lisää kubitteja lisätään, ulkoisten voimien haitalliset vaikutukset lisääntyvät. Yksi tapa käsitellä tätä ongelmaa on ottaa käyttöön lisää qubits "CONTROL"jonka ainoa tehtävä on tarkistaa ja korjata tulos.

3. Symbolinen esitys 50 kubitin IBM-järjestelmästä

Tämä tarkoittaa kuitenkin, että tarvitaan tehokkaampia kvanttitietokoneita, jotka ovat hyödyllisiä monimutkaisten ongelmien ratkaisemisessa, kuten proteiinimolekyylien laskostumisen määrittämisessä tai atomien sisällä olevien fysikaalisten prosessien simuloinnissa. hyvin qubit. Tom Watson Delftin yliopistosta Alankomaista kertoi äskettäin BBC Newsille:

-

Lyhyesti sanottuna, jos kvanttitietokoneiden on määrä lähteä nousuun, sinun on keksittävä helppo tapa tuottaa suuria ja vakaita qubit-prosessoreja.

Koska kubitit ovat epävakaita, on äärimmäisen vaikeaa luoda järjestelmää monilla niistä. Joten jos lopulta kubitit kvanttilaskennan konseptina epäonnistuvat, tiedemiehillä on vaihtoehto: kubitin kvanttiportit.

Purduen yliopiston tiimi julkaisi tutkimuksen npj Quantum Information -julkaisussa, jossa kerrottiin niiden luomisesta. Tiedemiehet uskovat sen kuditstoisin kuin kubitit, ne voivat esiintyä useammassa kuin kahdessa tilassa, kuten 0, 1 ja 2, ja jokaista lisättyä tilaa kohti yhden quditin laskentateho kasvaa. Toisin sanoen sinun täytyy koodata ja käsitellä sama määrä tietoa. vähemmän kunniaa kuin kubitit.

Kvaditin sisältävän kvanttiportin luomiseksi Purdue-tiimi koodasi neljä quditia kahdeksi kietoutuvaksi fotoniksi taajuuden ja ajan suhteen. Tiimi valitsi fotonit, koska ne eivät vaikuta ympäristöön yhtä helposti, ja useiden verkkotunnusten käyttö mahdollisti enemmän sotkeutumisen vähemmällä fotoneilla. Valmiin portin prosessointiteho oli 20 kubittia, vaikka se vaati vain neljä quditia, ja lisävakautta fotonien käytön ansiosta, mikä teki siitä lupaavan järjestelmän tuleville kvanttitietokoneille.

Pii- tai ioniloukut

Vaikka kaikki eivät ole samaa mieltä, piin käytöllä kvanttitietokoneiden rakentamisessa näyttää olevan valtavia etuja, koska piiteknologia on vakiintunutta ja siihen liittyy jo suuri teollisuus. Piitä käytetään Googlen ja IBM:n kvanttiprosessoreissa, vaikka se jäähdytetään niissä hyvin alhaisiin lämpötiloihin. Se ei ole ihanteellinen materiaali kvanttijärjestelmille, mutta tutkijat työskentelevät sen parissa.

Nature-lehdessä äskettäin julkaistun julkaisun mukaan tutkijaryhmä käytti mikroaaltoenergiaa kahden piissä suspendoituneen elektronihiukkasen kohdistamiseen ja käytti niitä sitten sarjan testilaskelmien suorittamiseen. Ryhmä, johon kuului erityisesti Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijoita, "suspendoi" yksittäisen elektronin kubitit piirakenteeseen, jonka spinin määräytyi mikroaaltosäteilyn energia. Superpositiossa elektroni pyörii samanaikaisesti kahden eri akselin ympäri. Tämän jälkeen nämä kaksi kubittia yhdistettiin ja ohjelmoitiin suorittamaan testilaskelmia, minkä jälkeen tutkijat vertasivat järjestelmän tuottamaa dataa samat testilaskelmat suorittavalta tavalliselta tietokoneelta saatuihin tietoihin. Tietojen korjaamisen jälkeen ohjelmoitava kaksibittinen kvanttipii-prosessori.

Vaikka virheiden prosenttiosuus on edelleen paljon suurempi kuin niin sanotuissa ioniloukuissa (laitteet, joissa varautuneita hiukkasia, kuten ioneja, elektroneja, protoneja säilytetään jonkin aikaa) tai tietokoneissa  Suprajohtimien, kuten D-Waven, perusteella saavutus on edelleen merkittävä, koska kubittien eristäminen ulkoisesta kohinasta on erittäin vaikeaa. Asiantuntijat näkevät mahdollisuuksia järjestelmän skaalaamiseen ja parantamiseen. Ja piin käyttö on teknologisesta ja taloudellisesta näkökulmasta avainasemassa.

Monille tutkijoille pii ei kuitenkaan ole kvanttitietokoneiden tulevaisuus. Viime vuoden joulukuussa ilmestyi tieto, että amerikkalaisen IonQ-yhtiön insinöörit loivat ytterbiumin avulla maailman tuottavimman kvanttitietokoneen, joka ohitti D-Wave- ja IBM-järjestelmät.

Tuloksena oli kone, joka sisälsi yhden atomin ioniloukussa (4) käyttää yhtä datakubittia koodaukseen, ja kubitit ohjataan ja mitataan erityisillä laserpulsseilla. Tietokoneessa on muisti, johon mahtuu 160 qubittiä tietoa. Se voi myös suorittaa laskelmia samanaikaisesti 79 qubitillä.

4. IonQ-ioniloukun kaavio

IonQ:n tutkijat suorittivat standarditestin ns Bernstein-Waziraniego-algoritmi. Koneen tehtävänä oli arvata luku väliltä 0 - 1023. Klassiset tietokoneet arvaavat 10 100-bittistä lukua. Kvanttitietokoneet käyttävät kahta lähestymistapaa tuloksen arvaamiseen 73% varmuudella. Ensimmäisellä yrityksellä IonQ-kvanttitietokone arvasi keskimäärin 1% annetuista luvuista. Kun algoritmi suoritetaan mille tahansa numerolle väliltä 1023–0,2, normaalin tietokoneen onnistumisprosentti on 79 %, kun taas IonQ:n se on XNUMX %.

IonQ-asiantuntijat uskovat, että ioniloukkuihin perustuvat järjestelmät ovat parempia kuin Googlen ja muiden yritysten rakentamat piikvanttitietokoneet. Niiden 79 kubitin matriisi ylittää Googlen Bristlecone-kvanttiprosessorin 7 kubitilla. IonQ-tulos on myös sensaatiomainen, kun kyse on järjestelmän käytettävyydestä. Koneen tekijöiden mukaan yhdelle kubitille se pysyy 99,97 %:ssa, mikä tarkoittaa 0,03 %:n virheprosenttia, kun kilpailun parhaat tulokset olivat keskimäärin noin 0,5 %. IonQ-laitteen 99,3-bittisen virheprosentin tulisi olla 95%, kun taas suurin osa kilpailusta ei ylitä XNUMX%.

Googlen tutkijoiden mukaan se kannattaa lisätä kvanttiylivalta – piste, jossa kvanttitietokone ylittää kaikki muut saatavilla olevat koneet – voidaan saavuttaa jo 49 qubitin kvanttitietokoneella, mikäli virheprosentti kahden kubitin porteissa on alle 0,5 %. Kvanttilaskennan ioniloukkumenetelmällä on kuitenkin edelleen suuria esteitä voitettavana: hidas suoritusaika ja valtava koko sekä tekniikan tarkkuus ja skaalautuvuus.

Salausten linnoitus raunioina ja muita seurauksia

Tammikuussa 2019 CES 2019 -messuilla IBM:n toimitusjohtaja Ginni Rometty ilmoitti, että IBM tarjoaa jo integroidun kvanttilaskentajärjestelmän kaupalliseen käyttöön. IBM:n kvanttitietokoneet5) sijaitsevat fyysisesti New Yorkissa osana järjestelmää IBM Q System One. Q Networkin ja Q Quantum Computational Centerin avulla kehittäjät voivat helposti käyttää Qiskit-ohjelmistoa kvanttialgoritmien kokoamiseen. Siten IBM:n kvanttitietokoneiden laskentateho on saatavilla muodossa pilvipalvelu, järkevästi hinnoiteltu.

Myös D-Wave on tarjonnut tällaisia ​​palveluita jo jonkin aikaa, ja muut suuret toimijat (kuten Amazon) suunnittelevat vastaavia kvanttipilvipalveluita. Microsoft meni pidemmälle esittelyssä Q# ohjelmointikieli (lausutaan kuten), joka voi toimia Visual Studion kanssa ja toimia kannettavassa tietokoneessa. Ohjelmoijat voivat simuloida kvanttialgoritmeja ja luoda ohjelmistosillan klassisen ja kvanttilaskennan välille.

Kysymys kuuluu kuitenkin, mitä hyötyä tietokoneista ja niiden laskentatehosta voi olla? Tutkimuksessa, joka julkaistiin viime lokakuussa Science-lehdessä, IBM:n, Waterloon yliopiston ja Münchenin teknillisen yliopiston tutkijat yrittivät arvioida ongelmatyyppejä, joiden ratkaisemiseen kvanttitietokoneet näyttävät parhaiten sopivan.

Tutkimuksen mukaan tällaiset laitteet pystyvät ratkaisemaan monimutkaisia lineaarialgebra ja optimointitehtävät. Se kuulostaa epämääräiseltä, mutta voi olla mahdollisuuksia yksinkertaisempiin ja halvempiin ratkaisuihin ongelmiin, jotka vaativat tällä hetkellä paljon vaivaa, resursseja ja aikaa ja jotka ovat joskus ulottumattomissamme.

5. IBM:n kvanttitietokone

Hyödyllinen kvanttilaskenta muuttaa täysin kryptografian alaa. Niiden ansiosta salauskoodit voitiin murtaa nopeasti ja mahdollisesti blockchain-tekniikka tuhotaan. RSA-salaus näyttää nyt olevan vahva ja tuhoutumaton suoja, joka suojaa suurimman osan datasta ja viestinnästä maailmassa. Kuitenkin riittävän tehokas kvanttitietokone voi helposti murtaa RSA-salaus kautta Algoritmi Shora.

Kuinka estää se? Jotkut puoltavat julkisten salausavainten pituuden pidentämistä kvanttisalauksen voittamiseksi tarvittavaan kokoon. Muille sitä tulisi käyttää yksinään turvallisen viestinnän varmistamiseksi. Kvanttisalauksen ansiosta jo tietojen sieppaus turmelisi ne, minkä jälkeen hiukkaseen puuttuva henkilö ei saisi siitä hyödyllistä tietoa ja vastaanottaja varoittaisi salakuunteluyrityksestä.

Kvanttilaskennan mahdolliset sovellukset mainitaan myös usein. taloudellinen analyysi ja ennustaminen. Kvanttijärjestelmien ansiosta monimutkaisia ​​markkinakäyttäytymismalleja voidaan laajentaa sisältämään paljon enemmän muuttujia kuin ennen, mikä johtaa tarkempiin diagnoosiin ja ennusteisiin. Käsittelemällä samanaikaisesti tuhansia muuttujia kvanttitietokoneella, olisi myös mahdollista vähentää kehitykseen kuluvaa aikaa ja kustannuksia. uudet lääkkeet, kuljetus- ja logistiikkaratkaisut, toimitusketjut, ilmastomallitsekä monien muiden valtavan monimutkaisten ongelmien ratkaisemiseen.

Kehäkukkalaki

Vanhojen tietokoneiden maailmassa oli oma Mooren lakinsa, kun taas kvanttitietokoneita on ohjattava ns. Kehäkukkalaki. Hän on nimensä velkaa yhdelle Googlen merkittävimmistä kvanttiasiantuntijoista, Hartmut Nevena (6), jossa todetaan, että kvanttilaskentateknologiassa edistytään parhaillaan kaksinkertainen eksponentiaalinen nopeus.

Tämä tarkoittaa, että sen sijaan, että suorituskyky kaksinkertaistuisi peräkkäisillä iteraatioilla, kuten klassisten tietokoneiden ja Mooren lain tapauksessa, kvanttitekniikka parantaa suorituskykyä paljon nopeammin.

Asiantuntijat ennustavat kvanttiylivoiman tuloa, joka voidaan kääntää paitsi kvanttitietokoneiden paremmuudeksi klassisiin verrattuna, myös muilla tavoilla - hyödyllisten kvanttitietokoneiden aikakauden alkuna. Tämä tasoittaa tietä läpimurroille kemian, astrofysiikan, lääketieteen, turvallisuuden, viestinnän ja muiden aloilla.

Kuitenkin ollaan myös sitä mieltä, että tällaista ylivoimaa ei tule koskaan olemaan, ei ainakaan lähitulevaisuudessa. Se on lievempi versio skeptisyydestä kvanttitietokoneet eivät koskaan korvaa klassisia tietokoneita, koska niitä ei ole suunniteltu siihen. Et voi korvata iPhonea tai PC:tä kvanttikoneella, kuten et voi korvata tenniskenkiä... ydinlentokoneella.. Klassisilla tietokoneilla voit pelata pelejä, tarkistaa sähköpostin, surffata verkossa ja suorittaa ohjelmia. Kvanttitietokoneet suorittavat useimmissa tapauksissa simulaatioita, jotka ovat liian monimutkaisia ​​tietokonebiteillä toimiville binäärijärjestelmille. Toisin sanoen yksittäiset kuluttajat eivät saa juuri mitään hyötyä omasta kvanttitietokoneestaan, mutta todellisia hyötyjöitä keksinnöstä ovat esimerkiksi NASA tai Massachusetts Institute of Technology.

Aika näyttää, kumpi lähestymistapa on sopivampi - IBM vai Google. Nevenin lain mukaan olemme vain muutaman kuukauden päässä näkemään yhden joukkueen täydellisen kvanttiylivoiman esityksen. Ja tämä ei ole enää mahdollinen "kymmenen vuoden kuluttua, eli kukaan ei tiedä milloin".