O desať rokov neskôr nikto nevie kedy

Menej informovaný človek, ktorý si prečítal množstvo publikácií o kvantových počítačoch, môže nadobudnúť dojem, že ide o „bežné“ stroje, ktoré fungujú rovnako ako bežné počítače. Nič nemôže byť chybnejšie. Niektorí dokonca veria, že ešte neexistujú kvantové počítače. A iní sa čudujú, na čo sa budú používať, keďže nie sú navrhnuté tak, aby nahradili systémy nula jedna.

Často počúvame, že prvé skutočné a správne fungujúce kvantové počítače sa objavia približne o desaťročie. Ako však v článku poznamenal Linley Gwennap, hlavný analytik Linley Group, „keď ľudia hovoria, že o desať rokov sa objaví kvantový počítač, nevedia, kedy sa tak stane.

Napriek tejto nejasnej situácii vládne atmosféra súťaže o tzv. kvantová dominancia. Americká administratíva, znepokojená kvantovou prácou a úspechom Číňanov, vlani v decembri schválila zákon o národnej kvantovej iniciatíve (1). Cieľom dokumentu je poskytnúť federálnu podporu pre výskum, vývoj, demonštráciu a aplikáciu kvantových počítačov a technológií. Za magických desať rokov minie americká vláda miliardy na budovanie kvantovej počítačovej infraštruktúry, ekosystémov a náboru ľudí. Uvítali to všetci hlavní vývojári kvantových počítačov – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft a Rigetti, ako aj tvorcovia kvantových algoritmov 1QBit a Zapata. Národná kvantová iniciatíva.

Priekopníci D-WAve

V roku 2007 spoločnosť D-Wave Systems predstavila 128-qubitový čip (2), sa nazýva prvý kvantový počítač na svete. Nebolo však isté, či sa to tak dá nazvať – zobrazené bolo len jeho dielo, bez detailov jeho konštrukcie. V roku 2009 spoločnosť D-Wave Systems vyvinula „kvantový“ vyhľadávací nástroj obrázkov pre Google. V máji 2011 spoločnosť Lockheed Martin získala kvantový počítač od spoločnosti D-Wave Systems. D-vlna jedna za 10 miliónov dolárov pri podpise viacročnej zmluvy na jej prevádzku a vývoj súvisiacich algoritmov.

V roku 2012 tento stroj demonštroval proces hľadania špirálovej proteínovej molekuly s najnižšou energiou. Výskumníci z D-Wave Systems používajú systémy s rôznymi číslami qubity, vykonal množstvo matematických výpočtov, z ktorých niektoré boli ďaleko za možnosťami klasických počítačov. Začiatkom roku 2014 však John Smolin a Graham Smith publikovali článok, v ktorom tvrdili, že stroj D-Wave Systems nebol stroj. Krátko nato Physics of Nature predstavila výsledky experimentov dokazujúcich, že D-Wave One je stále ...

Ďalší test v júni 2014 nepreukázal žiadny rozdiel medzi klasickým počítačom a strojom D-Wave Systems, no spoločnosť odpovedala, že rozdiel je badateľný len pri úlohách zložitejších, než boli tie, ktoré sa riešili v teste. Začiatkom roka 2017 spoločnosť predstavila stroj, ktorý sa zdanlivo skladá z 2 tisíc qubitovktorý bol 2500-krát rýchlejší ako najrýchlejšie klasické algoritmy. A opäť, o dva mesiace neskôr, skupina vedcov dokázala, že toto porovnanie nebolo presné. Pre mnohých skeptikov systémy D-Wave stále nie sú kvantové počítače, ale ich simulácie pomocou klasických metód.

Systém D-Wave štvrtej generácie využíva kvantové žíhaniaa stavy qubitu sa realizujú supravodivými kvantovými obvodmi (na základe tzv. Josephsonových spojov). Fungujú v prostredí blízkom absolútnej nule a pýšia sa systémom 2048 qubitov. Koncom roka 2018 bol D-Wave uvedený na trh ODKÁZAŤ, teda tvoj kvantové aplikačné prostredie v reálnom čase (KAE). Cloudové riešenie umožňuje externým klientom prístup ku kvantovej výpočtovej technike v reálnom čase.

Vo februári 2019 spoločnosť D-Wave oznámila ďalšiu generáciu  Pegas. Bol vyhlásený za „najrozsiahlejší komerčný kvantový systém na svete“ s pätnástimi pripojeniami na qubit namiesto šiestich, pričom viac ako 5 qubitov a zapnutie redukcie šumu na predtým neznámej úrovni. Zariadenie by sa malo objaviť v predaji v polovici budúceho roka.

Qubity alebo superpozície plus zapletenie

Štandardné počítačové procesory sa spoliehajú na pakety alebo časti informácií, z ktorých každý predstavuje jednu odpoveď áno alebo nie. Kvantové procesory sú iné. Nefungujú vo svete nula jedna. lakťová kosť, najmenšou a nedeliteľnou jednotkou kvantovej informácie je opísaný dvojrozmerný systém Hilbertov priestor. Od klasického beatu sa preto líši tým, že môže byť in akúkoľvek superpozíciu dva kvantové stavy. Fyzikálny model qubitu sa najčastejšie uvádza ako príklad častice so spinom ½, ako je elektrón, alebo polarizácia jedného fotónu.

Ak chcete využiť silu qubitov, musíte ich prepojiť prostredníctvom procesu tzv zmätok. S každým pridaným qubitom je výpočtový výkon procesora štvorhra sami, keďže počet zapletení je sprevádzaný zapletením nového qubitu so všetkými stavmi, ktoré sú už v procesore k dispozícii (3). Vytváranie a kombinovanie qubitov a následné prikázanie im vykonávať zložité výpočty však nie je ľahká úloha. Oni zostávajú mimoriadne citlivý na vonkajšie vplyvyčo môže viesť k chybám vo výpočtoch a v horšom prípade k rozpadu zapletených qubitov, t.j. dekoherenciačo je skutočné prekliatie kvantových systémov. Keď sa pridávajú ďalšie qubity, nepriaznivé účinky vonkajších síl sa zvyšujú. Jedným zo spôsobov, ako sa s týmto problémom vysporiadať, je povoliť ďalšie qubity "OVLÁDANIE"ktorého jedinou funkciou je kontrola a oprava výstupu.

3. Symbolické znázornenie 50-qubitového systému IBM

To však znamená, že budú potrebné výkonnejšie kvantové počítače, užitočné na riešenie zložitých problémov, ako je určovanie spôsobu skladania proteínových molekúl alebo simulácia fyzikálnych procesov vo vnútri atómov. veľa qubitov. Tom Watson z University of Delft v Holandsku nedávno pre BBC News povedal:

-

Stručne povedané, ak sa majú kvantové počítače rozbehnúť, musíte prísť s jednoduchým spôsobom výroby veľkých a stabilných qubitových procesorov.

Keďže qubity sú nestabilné, je mimoriadne ťažké vytvoriť systém s mnohými z nich. Takže ak nakoniec qubits ako koncept pre kvantové výpočty zlyhá, vedci majú alternatívu: qubitové kvantové brány.

Tím z Purdue University publikoval štúdiu v npj Quantum Information podrobne o ich vytvorení. Vedci tomu veria kuditsna rozdiel od qubitov môžu existovať vo viac ako dvoch stavoch, ako napríklad 0, 1 a 2, a pre každý pridaný stav sa zvyšuje výpočtový výkon jedného quditu. Inými slovami, musíte zakódovať a spracovať rovnaké množstvo informácií. menšia sláva než qubity.

Na vytvorenie kvantovej brány obsahujúcej qudit tím Purdue zakódoval štyri qudity do dvoch zapletených fotónov z hľadiska frekvencie a času. Tím si vybral fotóny, pretože neovplyvňujú prostredie tak ľahko a použitie viacerých domén umožnilo väčšie zapletenie s menším počtom fotónov. Hotová brána mala výpočtový výkon 20 qubitov, hoci si vyžadovala iba štyri qudity, s dodatočnou stabilitou vďaka použitiu fotónov, čo z nej robí sľubný systém pre budúce kvantové počítače.

Silikónové alebo iónové pasce

Hoci nie všetci zdieľajú tento názor, zdá sa, že použitie kremíka na stavbu kvantových počítačov má obrovské výhody, pretože kremíková technológia je dobre zavedená a už je s ňou spojený veľký priemysel. Kremík sa používa v kvantových procesoroch Google a IBM, hoci sa v nich chladí na veľmi nízke teploty. Nie je to ideálny materiál pre kvantové systémy, ale vedci na tom pracujú.

Podľa nedávnej publikácie v Nature tím výskumníkov použil mikrovlnnú energiu na zarovnanie dvoch elektrónových častíc suspendovaných v kremíku a potom ich použil na vykonanie série testovacích výpočtov. Skupina, do ktorej patrili najmä vedci z University of Wisconsin-Madison, „zavesila“ jednotlivé elektrónové qubity do kremíkovej štruktúry, ktorej spin určovala energia mikrovlnného žiarenia. V superpozícii sa elektrón súčasne otáča okolo dvoch rôznych osí. Tieto dva qubity boli potom skombinované a naprogramované tak, aby vykonali testovacie výpočty, po ktorých výskumníci porovnali dáta generované systémom s dátami získanými zo štandardného počítača, ktorý vykonával rovnaké testovacie výpočty. Po oprave údajov programovateľný dvojbitový kvantový kremíkový procesor.

Hoci percento chýb je stále oveľa vyššie ako v takzvaných iónových pasciach (zariadenia, v ktorých sú na určitý čas uložené nabité častice ako ióny, elektróny, protóny) alebo počítačoch  založené na supravodičoch, ako je D-Wave, tento úspech zostáva pozoruhodný, pretože izolácia qubitov od vonkajšieho hluku je mimoriadne náročná. Špecialisti vidia príležitosti na škálovanie a zlepšenie systému. A práve použitie kremíka má z technologického a ekonomického hľadiska kľúčový význam.

Pre mnohých výskumníkov však kremík nie je budúcnosťou kvantových počítačov. V decembri minulého roku sa objavili informácie, že inžinieri americkej spoločnosti IonQ použili ytterbium na vytvorenie najproduktívnejšieho kvantového počítača na svete, ktorý prekonal systémy D-Wave a IBM.

Výsledkom bol stroj, ktorý obsahoval jediný atóm v iónovej pasci (4) používa na kódovanie jeden qubit dát a qubity sú riadené a merané pomocou špeciálnych laserových impulzov. Počítač má pamäť, ktorá dokáže uložiť 160 qubitov dát. Môže tiež vykonávať výpočty súčasne na 79 qubitoch.

4. Schéma iónovej pasce IonQ

Vedci z IonQ vykonali štandardný test tzv Bernsteinov-Vaziranov algoritmus. Úlohou stroja bolo uhádnuť číslo medzi 0 a 1023. Klasické počítače berú na 10-bitové číslo jedenásť tipov. Kvantové počítače používajú dva prístupy na uhádnutie výsledku so 100% istotou. Na prvý pokus kvantový počítač IonQ uhádol v priemere 73 % daných čísel. Keď je algoritmus spustený pre ľubovoľné číslo medzi 1 a 1023, miera úspešnosti pre typický počítač je 0,2 %, zatiaľ čo pre IonQ je to 79 %.

Odborníci na IonQ sa domnievajú, že systémy založené na iónových pasciach sú lepšie ako kremíkové kvantové počítače, ktoré stavia Google a ďalšie spoločnosti. Ich 79-qubitová matica prekonáva kvantový procesor Bristlecone od Google o 7 qubitov. Výsledok IonQ je tiež senzačný, pokiaľ ide o dostupnosť systému. Podľa tvorcov stroja pri jedinom qubite zostáva na úrovni 99,97 %, čo znamená chybovosť 0,03 %, pričom najlepšie výsledky konkurencie dosahovali v priemere okolo 0,5 %. 99,3-bitová chybovosť pre IonQ zariadenie by mala byť 95 %, pričom väčšina konkurencie nepresahuje XNUMX %.

Stojí za to dodať, že podľa výskumníkov spoločnosti Google kvantová prevaha – bod, v ktorom kvantový počítač prekoná všetky ostatné dostupné stroje – sa dá dosiahnuť už s kvantovým počítačom so 49 qubitmi za predpokladu, že chybovosť na dvojqubitových hradlách je nižšia ako 0,5 %. Metóda iónovej pasce v kvantových výpočtoch však stále čelí veľkým prekážkam, ktoré je potrebné prekonať: pomalý čas vykonávania a obrovská veľkosť, ako aj presnosť a škálovateľnosť technológie.

Pevnosť šifier v troskách a ďalšie dôsledky

V januári 2019 na CES 2019 generálna riaditeľka IBM Ginni Rometty oznámila, že IBM už ponúka integrovaný kvantový výpočtový systém na komerčné využitie. Kvantové počítače IBM5) sa fyzicky nachádzajú v New Yorku ako súčasť systému IBM Q System One. Pomocou Q Network a Q Quantum Computational Center môžu vývojári jednoducho použiť softvér Qiskit na zostavenie kvantových algoritmov. Výpočtový výkon kvantových počítačov IBM je teda dostupný ako cloud computing služba, rozumne ocenený.

Aj D-Wave poskytuje takéto služby už nejaký ten piatok a podobné ponuky kvantových cloudov plánujú aj ďalší veľkí hráči (napríklad Amazon). Microsoft zašiel s predstavením ešte ďalej Programovací jazyk Q# (vyslovuje sa ako), ktorý môže pracovať s Visual Studio a bežať na prenosnom počítači. Programátori majú nástroj na simuláciu kvantových algoritmov a vytvorenie softvérového mosta medzi klasickým a kvantovým výpočtom.

Otázkou však je, na čo vlastne môžu byť počítače a ich výpočtový výkon užitočné? V štúdii zverejnenej v októbri minulého roku v časopise Science sa vedci z IBM, University of Waterloo a Technickej univerzity v Mníchove pokúsili priblížiť typy problémov, na vyriešenie ktorých sa najlepšie hodia kvantové počítače.

Podľa štúdie budú takéto zariadenia schopné riešiť komplexne lineárna algebra a optimalizačné úlohy. Znie to neurčito, ale môžu existovať príležitosti na jednoduchšie a lacnejšie riešenia problémov, ktoré si v súčasnosti vyžadujú veľa úsilia, zdrojov a času a niekedy sú mimo náš dosah.

5. Kvantový počítač IBM

Užitočné kvantové výpočty diametrálne zmeniť oblasť kryptografie. Vďaka nim sa dali rýchlo prelomiť šifrovacie kódy a príp. technológia blockchain bude zničená. Šifrovanie RSA sa teraz javí ako silná a nezničiteľná obrana, ktorá chráni väčšinu údajov a komunikácie na svete. Dostatočne výkonný kvantový počítač však hravo zvládne crack šifrovanie RSA skrz Shoraov algoritmus.

Ako tomu zabrániť? Niektorí obhajujú zvýšenie dĺžky verejných šifrovacích kľúčov na veľkosť potrebnú na prekonanie kvantového dešifrovania. Pre ostatných by sa mal používať samostatne na zabezpečenie bezpečnej komunikácie. Vďaka kvantovej kryptografii by ich pokazil už samotný akt zachytenia dát, po ktorom by z nich osoba zasahujúca do častice nemohla získať užitočné informácie a príjemca by bol upozornený na pokus o odpočúvanie.

Často sa spomínajú aj potenciálne aplikácie kvantových počítačov. ekonomické analýzy a prognózy. Vďaka kvantovým systémom možno komplexné modely trhového správania rozšíriť tak, aby zahŕňali oveľa viac premenných ako doteraz, čo vedie k presnejším diagnózam a predpovediam. Súčasným spracovaním tisícok premenných kvantovým počítačom by bolo tiež možné znížiť čas a náklady potrebné na vývoj. nové lieky, dopravné a logistické riešenia, dodávateľské reťazce, klimatické modelyako aj na riešenie mnohých iných problémov gigantickej zložitosti.

Nevenin zákon

Svet starých počítačov mal svoj vlastný Mooreov zákon, pričom kvantové počítače sa musia riadiť tzv. Nevenin zákon. Za svoje meno vďačí jednému z najvýznamnejších kvantových špecialistov v spoločnosti Google, Hartmut Nevena (6), v ktorom sa uvádza, že v súčasnosti dochádza k pokroku v oblasti kvantovej výpočtovej techniky dvojnásobná exponenciálna rýchlosť.

To znamená, že namiesto zdvojnásobenia výkonu postupnými iteráciami, ako to bolo v prípade klasických počítačov a Moorovho zákona, kvantová technológia zlepšuje výkon oveľa rýchlejšie.

Odborníci predpovedajú nástup kvantovej prevahy, ktorá sa dá preložiť nielen do prevahy kvantových počítačov nad akýmikoľvek klasickými, ale aj inak – ako začiatok éry užitočných kvantových počítačov. To pripraví cestu pre objavy v chémii, astrofyzike, medicíne, bezpečnosti, komunikáciách a ďalších.

Existuje však aj názor, že takáto nadradenosť nikdy existovať nebude, aspoň nie v dohľadnej dobe. To je miernejšia verzia skepticizmu kvantové počítače nikdy nenahradia klasické počítače, pretože na to nie sú navrhnuté. iPhone alebo PC nemôžete nahradiť kvantovým strojom, rovnako ako nemôžete nahradiť tenisky jadrovou lietadlovou loďou.. Klasické počítače vám umožňujú hrať hry, kontrolovať e-maily, surfovať na webe a spúšťať programy. Kvantové počítače vo väčšine prípadov vykonávajú simulácie, ktoré sú príliš zložité pre binárne systémy bežiace na počítačových bitoch. Inými slovami, jednotliví spotrebitelia nezískajú z vlastného kvantového počítača takmer žiadny úžitok, no skutočnými príjemcami vynálezu budú napríklad NASA alebo Massachusettský technologický inštitút.

Čas ukáže, ktorý prístup je vhodnejší – IBM alebo Google. Podľa Nevenovho zákona nás delí už len pár mesiacov od toho, aby sme videli úplnú demonštráciu kvantovej prevahy jedného alebo druhého tímu. A to už nie je perspektíva „o desať rokov, to znamená, nikto nevie, kedy“.