Deset godina kasnije nitko ne zna kada

Manje informiranoj osobi koja je pročitala gomilu publikacija o kvantnim računalima, mogao bi se steći dojam da se radi o strojevima koji su “gotovi” koji rade na isti način kao i obična računala. Ništa ne može biti lošije. Neki čak vjeruju da još ne postoje kvantna računala. A drugi se pitaju za što će se koristiti, budući da nisu dizajnirani da zamijene nula-jedan sustave.

Često čujemo da će se prva stvarna i ispravno funkcionalna kvantna računala pojaviti za otprilike desetljeće. Međutim, kako je u članku primijetio Linley Gwennap, glavni analitičar Linley Grupe, "kada ljudi kažu da će se kvantno računalo pojaviti za deset godina, ne znaju kada će se to dogoditi."

Unatoč ovoj nejasnoj situaciji, atmosfera natjecanja za tzv. kvantna dominacija. Zabrinuta zbog kvantnog rada i napretka Kineza, američka administracija je prošlog prosinca donijela Zakon o nacionalnoj kvantnoj inicijativi.1). Dokument je namijenjen pružanju savezne potpore istraživanju, razvoju, demonstraciji i primjeni kvantnog računanja i tehnologija. U čarobnih deset godina američka vlada potrošit će milijarde na izgradnju infrastrukture za kvantno računanje, ekosustave i zapošljavanje ljudi. Svi glavni programeri kvantnih računala - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft i Rigetti, kao i kreatori kvantnih algoritama 1QBit i Zapata su to pozdravili. Nacionalna kvantna inicijativa.

D-WAve pioniri

Godine 2007. D-Wave Systems je predstavio čip od 128 kubita (2) Zove se prvo kvantno računalo na svijetu. No, nije bilo sigurno može li se tako nazvati - prikazan je samo njegov rad bez detalja o njegovoj konstrukciji. D-Wave Systems je 2009. godine za Google razvio "kvantnu" tražilicu slika. U svibnju 2011. Lockheed Martin je kupio kvantno računalo od D-Wave Systemsa. D-val jedan za 10 milijuna dolara, uz potpisivanje višegodišnjeg ugovora o svom radu i razvoju povezanih algoritama.

2012. godine ovaj stroj je demonstrirao proces pronalaženja spiralne proteinske molekule s najnižom energijom. Istraživači iz D-Wave Systemsa koriste sustave s različitim brojevima kubiti, izvršio niz matematičkih izračuna, od kojih su neki bili daleko izvan mogućnosti klasičnih računala. Međutim, početkom 2014. John Smolin i Graham Smith objavili su članak u kojem tvrde da stroj D-Wave Systems nije stroj. Ubrzo nakon toga, Physics of Nature predstavila je rezultate eksperimenata koji dokazuju da je D-Wave One još uvijek ...

Drugi test u lipnju 2014. nije pokazao nikakvu razliku između klasičnog računala i stroja D-Wave Systems, no iz tvrtke su odgovorili da je razlika vidljiva samo kod složenijih zadataka od onih riješenih u testu. Početkom 2017. godine tvrtka je predstavila stroj koji se navodno sastoji od 2 tisuće kubitakoji je bio 2500 puta brži od najbržih klasičnih algoritama. I opet, dva mjeseca kasnije, skupina znanstvenika dokazala je da ova usporedba nije točna. Za mnoge skeptike D-Wave sustavi još uvijek nisu kvantna računala, već njihova simulacije koristeći klasične metode.

Koristi se četvrta generacija D-Wave sustava kvantna žarenjaa stanja kubita realiziraju se supravodljivim kvantnim krugovima (temeljeni na tzv. Josephsonovim spojevima). Oni rade u okruženju blizu apsolutne nule i mogu se pohvaliti sustavom od 2048 kubita. Krajem 2018. na tržište je uveden D-Wave ODSKAKIVATI, odnosno tvoj kvantno aplikacijsko okruženje u stvarnom vremenu (KAE). Rješenje u oblaku omogućuje vanjskim klijentima pristup kvantnom računalstvu u stvarnom vremenu.

U veljači 2019. D-Wave je najavio sljedeću generaciju  Pegaz. Najavljeno je da je to "najopsežniji komercijalni kvantni sustav na svijetu" s petnaest veza po kubitu umjesto šest, s preko 5 kubita i uključivanje smanjenja buke na prethodno nepoznatoj razini. Uređaj bi se u prodaji trebao pojaviti sredinom iduće godine.

Kubiti ili superpozicije plus isprepletenost

Standardni računalni procesori oslanjaju se na pakete ili dijelove informacija, od kojih svaki predstavlja jedan odgovor s da ili ne. Kvantni procesori su različiti. Oni ne rade u svijetu nula jedan. kost lakta, najmanja i nedjeljiva jedinica kvantne informacije je opisani dvodimenzionalni sustav Hilbertov prostor. Stoga se razlikuje od klasičnog beata po tome što može biti in bilo superpozicije dva kvantna stanja. Fizički model kubita najčešće se navodi kao primjer čestice sa spinom ½, kao što je elektron, ili polarizacija jednog fotona.

Da biste iskoristili snagu kubita, morate ih povezati kroz proces tzv zbunjenost. Sa svakim dodanim qubitom, procesorska snaga procesora parovi sama, budući da je broj zapleta popraćen isprepletenošću novog kubita sa svim stanjima koja su već dostupna u procesoru (3). Ali stvaranje i kombiniranje kubita i zatim im reći da izvrše zamršene izračune nije lak zadatak. Oni ostaju izuzetno osjetljiva na vanjske utjecaješto može dovesti do pogrešaka u proračunu i, u najgorem slučaju, do raspada zapetljanih kubita, t.j. dekoherencijašto je pravo prokletstvo kvantnih sustava. Kako se dodaju dodatni kubiti, povećavaju se štetni učinci vanjskih sila. Jedan od načina rješavanja ovog problema je omogućavanje dodatnih kubiti "Kontrolirati"čija je jedina funkcija provjera i ispravljanje izlaza.

3. Simbolički prikaz 50-kubitnog IBM sustava

Međutim, to znači da će biti potrebna snažnija kvantna računala, korisna za rješavanje složenih problema, kao što je određivanje načina na koji se proteinske molekule savijaju ili simulacija fizičkih procesa unutar atoma. mnogo kubita. Tom Watson sa Sveučilišta Delft u Nizozemskoj nedavno je rekao za BBC News:

-

Ukratko, ako kvantna računala trebaju krenuti, morate smisliti jednostavan način za proizvodnju velikih i stabilnih qubit procesora.

Budući da su kubiti nestabilni, iznimno je teško stvoriti sustav s mnogima od njih. Dakle, ako, na kraju, kubiti kao koncept kvantnog računanja propadnu, znanstvenici imaju alternativu: kubitna kvantna vrata.

Tim sa Sveučilišta Purdue objavio je studiju u npj Quantum Information u kojoj je detaljno opisano njihovo stvaranje. Znanstvenici vjeruju da kuditsza razliku od kubita, oni mogu postojati u više od dva stanja, kao što su 0, 1 i 2, a za svako dodano stanje povećava se računska snaga jednog qudita. Drugim riječima, trebate kodirati i obraditi istu količinu informacija. manje slave nego kubiti.

Kako bi stvorio kvantna vrata koja sadrže qudit, Purdueov tim je kodirao četiri qudita u dva zapletena fotona u smislu frekvencije i vremena. Tim je odabrao fotone jer ne utječu na okoliš tako lako, a korištenje više domena omogućilo je više isprepletenosti s manje fotona. Gotova kapija imala je procesorsku snagu od 20 kubita, iako je zahtijevala samo četiri qudita, uz dodatnu stabilnost zbog upotrebe fotona, što ga čini obećavajućim sustavom za buduća kvantna računala.

Silikonske ili ionske zamke

Iako ne dijele svi ovo mišljenje, čini se da korištenje silicija za izgradnju kvantnih računala ima velike prednosti, budući da je tehnologija silicija dobro uspostavljena i već postoji velika industrija povezana s njom. Silicij se koristi u kvantnim procesorima Google-a i IBM-a, iako se u njima hladi na vrlo niske temperature. To nije idealan materijal za kvantne sustave, ali znanstvenici rade na tome.

Prema nedavnoj publikaciji u časopisu Nature, tim istraživača koristio je mikrovalnu energiju da poravna dvije čestice elektrona suspendirane u siliciju, a zatim ih upotrijebio za izvođenje niza testnih izračuna. Skupina, koja je uključivala, posebice, znanstvenike sa Sveučilišta Wisconsin-Madison "ovjesila" je pojedinačne elektronske kubite u silicijsku strukturu, čiji je spin bio određen energijom mikrovalnog zračenja. U superpoziciji, elektron se istovremeno rotirao oko dvije različite osi. Dva kubita su zatim kombinirana i programirana za izvođenje testnih izračuna, nakon čega su istraživači usporedili podatke koje je generirao sustav s podacima dobivenim od standardnog računala koje je izvodilo iste testne izračune. Nakon ispravljanja podataka, programabilni dvobitni kvantni silikonski procesor.

Iako je postotak pogrešaka još uvijek puno veći nego u tzv. ionskim zamkama (uređajima u kojima se nabijene čestice poput iona, elektrona, protona pohranjuju neko vrijeme) ili računalima  temeljeno na supravodnicima kao što je D-Wave, postignuće ostaje izvanredno jer je izolacija kubita od vanjske buke iznimno teška. Stručnjaci vide mogućnosti za skaliranje i poboljšanje sustava. A korištenje silicija, s tehnološke i ekonomske točke gledišta, ovdje je od ključne važnosti.

Međutim, za mnoge istraživače silicij nije budućnost kvantnih računala. U prosincu prošle godine pojavila se informacija da su inženjeri američke tvrtke IonQ pomoću iterbija stvorili najproduktivnije kvantno računalo na svijetu, nadmašujući D-Wave i IBM sustave.

Rezultat je bio stroj koji je sadržavao jedan atom u ionskoj zamci (4) koristi jedan podatkovni kubit za kodiranje, a kubiti se kontroliraju i mjere pomoću posebnih laserskih impulsa. Računalo ima memoriju koja može pohraniti 160 kubita podataka. Također može izvoditi izračune istovremeno na 79 kubita.

4. Shema ionske zamke IonQ

Znanstvenici iz IonQ-a proveli su standardni test tzv Bernstein-Vaziranski algoritam. Zadatak stroja bio je pogoditi broj između 0 i 1023. Klasična računala uzimaju jedanaest pogađanja za 10-bitni broj. Kvantna računala koriste dva pristupa da pogode rezultat sa 100% sigurnošću. U prvom pokušaju kvantno računalo IonQ pogodilo je u prosjeku 73% zadanih brojeva. Kada se algoritam pokrene za bilo koji broj između 1 i 1023, stopa uspjeha za tipično računalo je 0,2%, dok je za IonQ 79%.

IonQ stručnjaci vjeruju da su sustavi bazirani na ionskim zamkama superiorniji od silicijskih kvantnih računala koje grade Google i druge tvrtke. Njihova matrica od 79 kubita nadmašuje Googleov Bristlecone kvantni procesor za 7 kubita. IonQ rezultat je također senzacionalan kada je u pitanju vrijeme neprekidnog rada sustava. Prema tvorcima stroja, za jedan kubit ostaje na 99,97%, što znači stopu pogreške od 0,03%, dok su najbolji rezultati natjecanja u prosjeku iznosili oko 0,5%. Dvobitna stopa pogreške za IonQ uređaj trebala bi biti 99,3%, dok većina konkurenata ne prelazi 95%.

Vrijedno je to dodati, smatraju Googleovi istraživači kvantna nadmoć – točka u kojoj kvantno računalo nadmašuje sve ostale dostupne strojeve – već se može doseći s kvantnim računalom s 49 qubita, pod uvjetom da je stopa pogreške na dvokubitnim vratima ispod 0,5%. Međutim, metoda ionske zamke u kvantnom računalstvu i dalje se suočava s velikim preprekama koje treba prevladati: sporo vrijeme izvršenja i ogromna veličina, kao i točnost i skalabilnost tehnologije.

Uporište šifri u ruševinama i druge posljedice

U siječnju 2019. na CES 2019, izvršni direktor IBM-a Ginni Rometty najavio je da IBM već nudi integrirani kvantni računalni sustav za komercijalnu upotrebu. IBM kvantna računala5) fizički se nalaze u New Yorku kao dio sustava IBM Q System One. Koristeći Q Network i Q Quantum Computational Center, programeri mogu jednostavno koristiti Qiskit softver za kompiliranje kvantnih algoritama. Dakle, računalna snaga IBM kvantnih računala dostupna je kao usluga računalstva u oblaku, razumna cijena.

D-Wave također pruža takve usluge već neko vrijeme, a drugi veliki igrači (kao što je Amazon) planiraju slične ponude u kvantnom oblaku. Microsoft je otišao dalje s uvodom Q# programski jezik (izgovara se kao) koji može raditi s Visual Studio i raditi na prijenosnom računalu. Programeri imaju alat za simulaciju kvantnih algoritama i stvaranje softverskog mosta između klasičnog i kvantnog računalstva.

Međutim, postavlja se pitanje čemu zapravo mogu biti korisna računala i njihova računalna snaga? U studiji objavljenoj prošlog listopada u časopisu Science, znanstvenici s IBM-a, Sveučilišta Waterloo i Tehničkog sveučilišta u Münchenu pokušali su približiti vrste problema za koje se čini da su kvantna računala najprikladnija za rješavanje.

Prema studiji, takvi uređaji će moći riješiti složene linearna algebra i problemi optimizacije. Zvuči nejasno, ali možda postoje prilike za jednostavnija i jeftinija rješenja za probleme koji trenutno zahtijevaju puno truda, sredstava i vremena, a ponekad su i izvan našeg dosega.

5. IBM kvantno računalo

Korisno kvantno računanje dijametralno promijeniti polje kriptografije. Zahvaljujući njima, kodovi za šifriranje mogli bi se brzo razbiti i, eventualno, blockchain tehnologija će biti uništena. Čini se da je RSA enkripcija snažna i neuništiva obrana koja štiti većinu podataka i komunikacija u svijetu. Međutim, dovoljno moćno kvantno računalo može lako provaliti RSA enkripciju uz pomoć Shorin algoritam.

Kako to spriječiti? Neki zagovaraju povećanje duljine javnih ključeva za šifriranje do veličine potrebne za prevladavanje kvantne dešifriranja. Za druge bi se trebao koristiti samostalno kako bi se osigurala sigurna komunikacija. Zahvaljujući kvantnoj kriptografiji, sam čin presretanja podataka bi ih pokvario, nakon čega osoba koja ometa česticu od nje ne bi mogla dobiti korisne informacije, a primatelj bi bio upozoren na pokušaj prisluškivanja.

Često se spominju i potencijalne primjene kvantnog računanja. ekonomske analize i prognoze. Zahvaljujući kvantnim sustavima, složeni modeli tržišnog ponašanja mogu se proširiti na mnogo više varijabli nego prije, što dovodi do točnijih dijagnoza i predviđanja. Istodobnom obradom tisuća varijabli kvantnim računalom također bi bilo moguće smanjiti vrijeme i troškove potrebne za razvoj. novi lijekovi, transportna i logistička rješenja, lanci opskrbe, klimatski modelikao i za rješavanje mnogih drugih problema gigantske složenosti.

Nevenin zakon

Svijet starih računala imao je svoj Mooreov zakon, dok se kvantna računala moraju voditi tzv. Nevenin zakon. Svoje ime duguje jednom od najistaknutijih stručnjaka za kvantne nauke u Googleu, Hartmut Nevena (6), koji navodi da se trenutno ostvaruje napredak u tehnologiji kvantnog računanja dvostruka eksponencijalna brzina.

To znači da umjesto udvostručenja performansi uzastopnim iteracijama, kao što je bio slučaj s klasičnim računalima i Mooreovim zakonom, kvantna tehnologija poboljšava performanse puno brže.

Stručnjaci predviđaju pojavu kvantne superiornosti, koja se može prevesti ne samo u superiornost kvantnih računala nad bilo kojim klasičnim, već i na druge načine - kao početak ere korisnih kvantnih računala. To će utrti put za napredak u kemiji, astrofizici, medicini, sigurnosti, komunikacijama i još mnogo toga.

No, postoji i mišljenje da takve superiornosti nikada neće postojati, barem ne u dogledno vrijeme. Blaže verzija skepticizma je to kvantna računala nikada neće zamijeniti klasična računala jer nisu dizajnirana za to. Ne možete zamijeniti iPhone ili PC kvantnim strojem, kao što ne možete zamijeniti tenisice... s nuklearnim nosačem zrakoplova.. Klasična računala omogućuju vam igranje igrica, provjeru e-pošte, surfanje internetom i pokretanje programa. Kvantna računala u većini slučajeva izvode simulacije koje su previše složene za binarne sustave koji rade na računalnim bitovima. Drugim riječima, pojedini potrošači neće imati gotovo nikakvu korist od vlastitog kvantnog računala, ali stvarni korisnici izuma bit će, na primjer, NASA ili Massachusetts Institute of Technology.

Vrijeme će pokazati koji je pristup prikladniji - IBM ili Google. Prema Nevenovom zakonu, udaljeni smo samo nekoliko mjeseci od potpune demonstracije kvantne superiornosti jednog ili drugog tima. A to više nije perspektiva “za deset godina, odnosno ne zna se kada”.