Tien jaar later weet niemand wanneer nie

Vir 'n minder ingeligte persoon wat 'n hele klomp publikasies oor kwantumrekenaars gelees het, kan 'n mens dalk die indruk kry dat dit "van die rak af" masjiene is wat op dieselfde manier as gewone rekenaars werk. Niks kan meer verkeerd wees nie. Sommige glo selfs dat daar nog geen kwantumrekenaars is nie. En ander wonder waarvoor hulle gebruik sal word, aangesien hulle nie ontwerp is om nul-een-stelsels te vervang nie.

Ons hoor dikwels dat die eerste werklike en behoorlik funksionerende kwantumrekenaars oor ongeveer 'n dekade sal verskyn. Soos Linley Gwennap, hoofontleder by die Linley Group, egter in die artikel opgemerk het, "wanneer mense sê dat 'n kwantumrekenaar oor tien jaar sal verskyn, weet hulle nie wanneer dit sal gebeur nie."

Ten spyte van hierdie vae situasie, die atmosfeer van mededinging vir die sg. kwantumoorheersing. Bekommerd oor kwantumwerk en die sukses van die Chinese, het die Amerikaanse administrasie verlede Desember die Nasionale Kwantum-inisiatiefwet goedgekeur (1). Die dokument is bedoel om federale ondersteuning te bied vir die navorsing, ontwikkeling, demonstrasie en toepassing van kwantumrekenaars en tegnologieë. Oor 'n magiese tien jaar sal die Amerikaanse regering miljarde bestee aan die bou van kwantumrekenaarinfrastruktuur, ekosisteme en die werwing van mense. Al die groot ontwikkelaars van kwantumrekenaars - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft en Rigetti, sowel as die skeppers van kwantumalgoritmes 1QBit en Zapata het dit verwelkom. Nasionale Quantum-inisiatief.

D-WAve Pioneers

In 2007 het D-Wave Systems 'n 128-kwbit-skyfie (2) is genoem wêreld se eerste kwantumrekenaar. Daar was egter geen sekerheid of dit so genoem kon word nie – slegs sy werk is vertoon sonder enige besonderhede van sy konstruksie. In 2009 het D-Wave Systems 'n "kwantum" beeldsoekenjin vir Google ontwikkel. In Mei 2011 het Lockheed Martin 'n kwantumrekenaar van D-Wave Systems verkry. D-golf een vir $ 10 miljoen, terwyl hy 'n meerjarige kontrak onderteken het vir die werking en ontwikkeling van verwante algoritmes.

In 2012 het hierdie masjien die proses gedemonstreer om die heliese proteïenmolekule met die laagste energie te vind. Navorsers van D-Wave Systems gebruik stelsels met verskillende getalle qubits, het 'n aantal wiskundige berekeninge uitgevoer, waarvan sommige ver bo die vermoëns van klassieke rekenaars was. John Smolin en Graham Smith het egter vroeg in 2014 'n artikel gepubliseer waarin hulle beweer dat die D-Wave Systems-masjien nie 'n masjien was nie. Kort daarna het Physics of Nature die resultate van eksperimente aangebied wat bewys het dat D-Wave One steeds ...

Nog 'n toets in Junie 2014 het geen verskil tussen 'n klassieke rekenaar en 'n D-Wave Systems-masjien getoon nie, maar die maatskappy het geantwoord dat die verskil net merkbaar is vir take wat meer kompleks is as dié wat in die toets opgelos is. Vroeg in 2017 het die maatskappy 'n masjien onthul wat oënskynlik bestaan ​​uit 2 duisend qubitswat 2500 keer vinniger was as die vinnigste klassieke algoritmes. En weer, twee maande later, het 'n groep wetenskaplikes bewys dat hierdie vergelyking nie akkuraat was nie. Vir baie skeptici is D-Wave-stelsels steeds nie kwantumrekenaars nie, maar hul simulasies klassieke metodes te gebruik.

Die vierde generasie D-Wave stelsel gebruik kwantumgloeiingsen die qubit-toestande word gerealiseer deur supergeleidende kwantumkringe (gebaseer op die sogenaamde Josephson-aansluitings). Hulle werk in 'n omgewing naby aan absolute nul en spog met 'n stelsel van 2048 qubits. Aan die einde van 2018 het D-Wave aan die mark bekendgestel JUMP, dit is jou intydse kwantumtoepassingsomgewing (KAE). Die wolkoplossing bied eksterne kliënte intydse toegang tot kwantumrekenaars.

In Februarie 2019 het D-Wave die volgende generasie aangekondig  Pegasus. Dit is aangekondig as "die wêreld se mees uitgebreide kommersiële kwantumstelsel" met vyftien verbindings per kwant in plaas van ses, met meer as 5 qubits en die aanskakel van geraasvermindering op 'n voorheen onbekende vlak. Die toestel behoort in die middel van volgende jaar te koop te wees.

Qubits, of superposisies plus verstrengeling

Standaard rekenaarverwerkers maak staat op pakkies of stukke inligting, wat elkeen 'n enkele ja of nee antwoord verteenwoordig. Kwantumverwerkers is anders. Hulle werk nie in 'n nul-een wêreld nie. elmboogbeen, die kleinste en ondeelbare eenheid van kwantuminligting is die beskryfde tweedimensionele stelsel Hilbert spasie. Daarom verskil dit van die klassieke maatslag deurdat dit in kan wees enige superposisie twee kwantumtoestande. Die fisiese model van 'n kwbit word meestal gegee as 'n voorbeeld van 'n deeltjie met spin ½, soos 'n elektron, of die polarisasie van 'n enkele foton.

Om die krag van qubits te benut, moet jy hulle verbind deur 'n proses genaamd verwarring. Met elke bygevoegde qubit, die verwerkingskrag van die verwerker verdubbel hulself, aangesien die aantal verstrengeling gepaard gaan met die verstrengeling van 'n nuwe kwbit met al die toestande wat reeds in die verwerker beskikbaar is (3). Maar om qubits te skep en te kombineer, en dan vir hulle te sê om ingewikkelde berekeninge uit te voer, is nie 'n maklike taak nie. Hulle bly uiters sensitief vir eksterne invloedewat kan lei tot berekeningsfoute en, in die ergste geval, tot die verval van verstrengelde qubits, m.a.w. dekoherensiewat die ware vloek van kwantumstelsels is. Soos bykomende kwbits bygevoeg word, neem die nadelige effekte van eksterne kragte toe. Een manier om hierdie probleem te hanteer, is om bykomende te aktiveer qubits "BEHEER"wie se enigste funksie is om die uitset na te gaan en reg te stel.

3. Simboliese voorstelling van die 50-kwbit IBM-stelsel

Dit beteken egter dat kragtiger kwantumrekenaars nodig sal wees, nuttig om komplekse probleme op te los, soos om te bepaal hoe proteïenmolekules vou of die fisiese prosesse binne atome te simuleer. baie qubits. Tom Watson van die Universiteit van Delft in Nederland het onlangs aan BBC News gesê:

-

Kortliks, as kwantumrekenaars moet opstyg, moet jy 'n maklike manier vind om groot en stabiele qubit-verwerkers te produseer.

Aangesien qubits onstabiel is, is dit uiters moeilik om 'n stelsel met baie van hulle te skep. So as qubits as 'n konsep vir kwantumberekening uiteindelik misluk, het wetenskaplikes 'n alternatief: qubit kwantumhekke.

'n Span van die Purdue Universiteit het 'n studie gepubliseer in npj Quantum Information wat hul skepping uiteensit. Wetenskaplikes glo dit kuditsanders as qubits, kan hulle in meer as twee toestande bestaan, soos 0, 1 en 2, en vir elke bygevoegde toestand neem die rekenkrag van een qudit toe. Met ander woorde, jy moet dieselfde hoeveelheid inligting enkodeer en verwerk. minder glorie as qubits.

Om kwantumhekke te skep wat qudits bevat, het die Purdue-span vier qudits in twee verstrengelde fotone geënkodeer in terme van frekwensie en tyd. Die span het fotone gekies omdat hulle nie die omgewing so maklik beïnvloed nie, en die gebruik van veelvuldige domeine het meer verstrengeling met minder fotone moontlik gemaak. Die voltooide hek het 'n verwerkingskrag van 20 qubits gehad, hoewel dit slegs vier qudits benodig het, met bykomende stabiliteit as gevolg van die gebruik van fotone, wat dit 'n belowende stelsel vir toekomstige kwantumrekenaars maak.

Silikon of ioon lokvalle

Alhoewel nie almal hierdie mening deel nie, blyk die gebruik van silikon om kwantumrekenaars te bou groot voordele inhou, aangesien silikontegnologie goed gevestig is en daar reeds 'n groot industrie daarmee geassosieer is. Silikon word in die kwantumverwerkers van Google en IBM gebruik, hoewel dit tot baie lae temperature daarin afgekoel word. Dit is nie ideale materiaal vir kwantumstelsels nie, maar wetenskaplikes werk daaraan.

Volgens 'n onlangse publikasie in Nature het 'n span navorsers mikrogolfenergie gebruik om twee elektrondeeltjies wat in silikon gesuspendeer is in lyn te bring en dit dan gebruik om 'n reeks toetsberekeninge uit te voer. Die groep, wat veral wetenskaplikes van die Universiteit van Wisconsin-Madison ingesluit het, het enkel-elektron-kwbits in 'n silikonstruktuur "gesuspendeer", waarvan die spin deur die energie van mikrogolfstraling bepaal is. In 'n superposisie het 'n elektron gelyktydig om twee verskillende asse geroteer. Die twee kwbits is toe gekombineer en geprogrammeer om toetsberekeninge uit te voer, waarna die navorsers die data wat deur die stelsel gegenereer word vergelyk het met data wat ontvang is van 'n standaardrekenaar wat dieselfde toetsberekeninge uitvoer. Na die regstelling van die data, 'n programmeerbare twee-bis kwantum silikon verwerker.

Alhoewel die persentasie foute steeds baie hoër is as in sogenaamde ioonvalle (toestelle waarin gelaaide deeltjies soos ione, elektrone, protone vir 'n geruime tyd gestoor word) of rekenaars  gebaseer op supergeleiers soos D-Wave, bly die prestasie merkwaardig aangesien dit uiters moeilik is om qubits van eksterne geraas te isoleer. Spesialiste sien geleenthede om die stelsel te skaal en te verbeter. En die gebruik van silikon, vanuit 'n tegnologiese en ekonomiese oogpunt, is hier van sleutelbelang.

Vir baie navorsers is silikon egter nie die toekoms van kwantumrekenaars nie. In Desember verlede jaar het inligting verskyn dat die ingenieurs van die Amerikaanse maatskappy IonQ ytterbium gebruik het om die wêreld se produktiefste kwantumrekenaar te skep, wat D-Wave en IBM-stelsels oortref het.

Die resultaat was 'n masjien wat 'n enkele atoom in 'n ioonval bevat (4) gebruik 'n enkele data-kwbit vir enkodering, en die qubits word beheer en gemeet met behulp van spesiale laserpulse. Die rekenaar het 'n geheue wat 160 qubits data kan stoor. Dit kan ook gelyktydig berekeninge uitvoer op 79 qubits.

4. Skema van die IonQ-ioonval

Wetenskaplikes van IonQ het 'n standaardtoets van die sg Bernstein-Vaziraniese algoritme. Die taak van die masjien was om 'n getal tussen 0 en 1023 te raai. Klassieke rekenaars neem elf raaiskote vir 'n 10-bis-getal. Kwantumrekenaars gebruik twee benaderings om die resultaat met 100% sekerheid te raai. Met die eerste poging het die IonQ-kwantumrekenaar gemiddeld 73% van die gegewe getalle geraai. Wanneer die algoritme vir enige getal tussen 1 en 1023 uitgevoer word, is die sukseskoers vir 'n tipiese rekenaar 0,2%, terwyl dit vir IonQ 79% is.

IonQ-kundiges glo dat stelsels wat op ioonvalletjies gebaseer is, beter is as die silikon-kwantumrekenaars wat Google en ander maatskappye bou. Hul 79-qubit-matriks vaar beter as Google se Bristlecone-kwantumverwerker met 7 qubits. Die IonQ-resultaat is ook sensasioneel wanneer dit kom by stelsel-uptyd. Volgens die skeppers van die masjien bly dit vir 'n enkele kwbit op 99,97%, wat 'n foutkoers van 0,03% beteken, terwyl die beste resultate van die kompetisie gemiddeld sowat 0,5% was. Die tweebis-foutkoers vir die IonQ-toestel behoort op 99,3% te wees, terwyl die meeste mededingers nie 95% oorskry nie.

Dit is die moeite werd om dit by te voeg, volgens Google-navorsers kwantum oppergesag – die punt waarop ’n kwantumrekenaar beter as alle ander beskikbare masjiene presteer – kan reeds bereik word met ’n kwantumrekenaar met 49 qubits, mits die foutkoers op twee-kwbit-hekke onder 0,5% is. Die ioonvalmetode in kwantumrekenaars staar egter steeds groot struikelblokke in die gesig om te oorkom: stadige uitvoeringstyd en groot grootte, sowel as die akkuraatheid en skaalbaarheid van die tegnologie.

Vesting van syfers in puin en ander gevolge

In Januarie 2019 by CES 2019 het Ginni Rometty, uitvoerende hoof van IBM, aangekondig dat IBM reeds 'n geïntegreerde kwantumrekenaarstelsel vir kommersiële gebruik aanbied. IBM kwantumrekenaars5) is fisies in New York geleë as deel van die stelsel IBM Q System One. Deur die Q Network en Q Quantum Computational Center te gebruik, kan ontwikkelaars maklik die Qiskit-sagteware gebruik om kwantumalgoritmes saam te stel. Dus, die rekenaarkrag van IBM kwantumrekenaars is beskikbaar as wolkrekenaardiens, billik geprys.

D-Wave verskaf ook al 'n geruime tyd sulke dienste, en ander groot rolspelers (soos Amazon) beplan soortgelyke kwantumwolkaanbiedinge. Microsoft het verder gegaan met die inleiding Q# programmeertaal (uitgespreek as) wat met Visual Studio kan werk en op 'n skootrekenaar kan werk. Programmeerders het 'n instrument om kwantumalgoritmes te simuleer en 'n sagteware-brug tussen klassieke en kwantumrekenaars te skep.

Die vraag is egter, waarvoor kan rekenaars en hul rekenaarkrag eintlik nuttig wees? In 'n studie wat verlede Oktober in die vaktydskrif Science gepubliseer is, het wetenskaplikes van IBM, die Universiteit van Waterloo en die Tegniese Universiteit van München probeer om die tipe probleme wat kwantumrekenaars blykbaar die beste geskik is om op te los, te benader.

Volgens die studie sal sulke toestelle komplekse kan oplos lineêre algebra en optimeringsprobleme. Dit klink vaag, maar daar is dalk geleenthede vir eenvoudiger en goedkoper oplossings vir kwessies wat tans baie moeite, hulpbronne en tyd verg, en soms buite ons bereik is.

5. IBM kwantumrekenaar

Nuttige kwantumberekening die veld van kriptografie diametraal verander. Danksy hulle kon enkripsiekodes vinnig gekraak word en, moontlik, blockchain-tegnologie sal vernietig word. RSA-kodering blyk nou 'n sterk en onvernietigbare verdediging te wees wat die meeste van die data en kommunikasie in die wêreld beskerm. 'N voldoende kragtige kwantumrekenaar kan egter maklik kraak RSA enkripsie met die hulp Shora se algoritme.

Hoe om dit te voorkom? Sommige bepleit die verhoging van die lengte van publieke enkripsiesleutels tot die grootte wat nodig is om kwantumdekripsie te oorkom. Vir ander moet dit alleen gebruik word om veilige kommunikasie te verseker. Danksy kwantumkriptografie sou die einste daad om die data te onderskep hulle korrupteer, waarna die persoon wat met die deeltjie inmeng nie nuttige inligting daaruit sou kon kry nie, en die ontvanger sou gewaarsku word oor die afluisterpoging.

Potensiële toepassings van kwantumberekening word ook gereeld genoem. ekonomiese ontleding en vooruitskatting. Danksy kwantumstelsels kan komplekse modelle van markgedrag uitgebrei word om baie meer veranderlikes as voorheen in te sluit, wat lei tot meer akkurate diagnoses en voorspellings. Deur gelyktydig duisende veranderlikes deur 'n kwantumrekenaar te verwerk, sou dit ook moontlik wees om die tyd en koste wat benodig word vir ontwikkeling te verminder. nuwe medisyne, vervoer- en logistieke oplossings, voorsieningskettings, klimaatmodellesowel as vir die oplossing van baie ander probleme van reusagtige kompleksiteit.

Nevena se wet

Die wêreld van ou rekenaars het sy eie Moore se wet gehad, terwyl kwantumrekenaars gelei moet word deur die sg. Nevena se wet. Hy het sy naam te danke aan een van die mees prominente kwantumspesialiste by Google, Hartmut Nevena (6), wat verklaar dat vooruitgang in kwantumrekenaartegnologie tans gemaak word dubbele eksponensiële spoed.

Dit beteken dat in plaas daarvan om prestasie met opeenvolgende iterasies te verdubbel, soos die geval was met klassieke rekenaars en Moore se wet, verbeter kwantumtegnologie werkverrigting baie vinniger.

Kenners voorspel die koms van kwantum-meerderwaardigheid, wat nie net vertaal kan word in die meerderwaardigheid van kwantumrekenaars bo enige klassieke nie, maar ook op ander maniere – as die begin van ’n era van nuttige kwantumrekenaars. Dit sal die weg baan vir deurbrake in chemie, astrofisika, medisyne, sekuriteit, kommunikasie, en meer.

Daar is egter ook 'n mening dat sulke meerderwaardigheid nooit sal bestaan ​​nie, ten minste nie in die afsienbare toekoms nie. ’n Sagter weergawe van skeptisisme is dit kwantumrekenaars sal nooit klassieke rekenaars vervang nie, want hulle is nie ontwerp om dit te doen nie. Jy kan nie 'n iPhone of 'n rekenaar met 'n kwantummasjien vervang nie, net soos jy nie tennisskoene kan vervang nie... met 'n kernvliegdekskip.. Met klassieke rekenaars kan jy speletjies speel, e-pos nagaan, op die web blaai en programme laat loop. Kwantumrekenaars voer in die meeste gevalle simulasies uit wat te kompleks is vir binêre stelsels wat op rekenaarbisse loop. Met ander woorde, individuele verbruikers sal byna geen voordeel uit hul eie kwantumrekenaar kry nie, maar die werklike begunstigdes van die uitvinding sal byvoorbeeld NASA of die Massachusetts Institute of Technology wees.

Tyd sal leer watter benadering meer gepas is - IBM of Google. Volgens Neven se wet is ons net 'n paar maande weg daarvan om 'n volledige demonstrasie van kwantummeerderwaardigheid deur een of ander span te sien. En dit is nie meer 'n vooruitsig "oor tien jaar, dit wil sê, niemand weet wanneer nie."