Pēc desmit gadiem neviens nezina, kad

Mazāk informētam cilvēkam, kurš izlasījis veselu kaudzi publikāciju par kvantu datoriem, var rasties iespaids, ka tās ir “noliktas” mašīnas, kas darbojas tāpat kā parastie datori. Nekas nevarētu būt vairāk nepareizs. Daži pat uzskata, ka kvantu datoru vēl nav. Un citi brīnās, kam tie tiks izmantoti, jo tie nav paredzēti nulles viena sistēmas aizstāšanai.

Mēs bieži dzirdam, ka pirmie īstie un pareizi funkcionējošie kvantu datori parādīsies apmēram pēc desmit gadiem. Tomēr, kā Linley Gwennap, Linley Group galvenā analītiķe, atzīmēja rakstā, "kad cilvēki saka, ka kvantu dators parādīsies pēc desmit gadiem, viņi nezina, kad tas notiks."

Neskatoties uz šo neskaidro situāciju, konkurences gaisotne par t.s. kvantu dominēšana. Raizējoties par kvantu darbu un ķīniešu panākumiem, ASV administrācija pagājušā gada decembrī pieņēma Nacionālās kvantu iniciatīvas likumu (1). Dokuments ir paredzēts, lai sniegtu federālu atbalstu kvantu skaitļošanas un tehnoloģiju izpētei, attīstībai, demonstrēšanai un pielietošanai. Maģiskos desmit gados ASV valdība iztērēs miljardus, veidojot kvantu skaitļošanas infrastruktūru, ekosistēmas un vervējot cilvēkus. Visi lielākie kvantu datoru izstrādātāji - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft un Rigetti, kā arī kvantu algoritmu veidotāji 1QBit un Zapata to atzinīgi novērtēja. Nacionālā kvantu iniciatīva.

D-WAve pionieri

2007. gadā D-Wave Systems ieviesa 128 kubitu mikroshēmu (2), tiek saukts pasaulē pirmais kvantu dators. Taču, vai to tā varētu nosaukt, nebija pārliecības – tika rādīts tikai viņa darbs, bez jebkādām viņa uzbūves detaļām. 2009. gadā D-Wave Systems izstrādāja Google "kvantu" attēlu meklētājprogrammu. 2011. gada maijā Lockheed Martin iegādājās kvantu datoru no D-Wave Systems. D-viļņu viens par 10 miljoniem USD, vienlaikus parakstot vairāku gadu līgumu par tā darbību un saistīto algoritmu izstrādi.

2012. gadā šī iekārta demonstrēja spirālveida proteīna molekulas ar viszemāko enerģiju atrašanas procesu. Pētnieki no D-Wave Systems izmanto sistēmas ar dažādiem skaitļiem kubīti, veica vairākus matemātiskos aprēķinus, no kuriem daži krietni pārsniedza klasisko datoru iespējas. Tomēr 2014. gada sākumā Džons Smolins un Greiems Smits publicēja rakstu, apgalvojot, ka D-Wave Systems iekārta nav mašīna. Neilgi pēc tam Physics of Nature iepazīstināja ar eksperimentu rezultātiem, kas pierādīja, ka D-Wave One joprojām ir ...

Vēl viens tests, kas tika veikts 2014. gada jūnijā, neuzrādīja atšķirību starp klasisko datoru un D-Wave Systems iekārtu, taču uzņēmums atbildēja, ka atšķirība bija pamanāma tikai sarežģītākiem uzdevumiem, nekā tie, kas tika atrisināti testā. 2017. gada sākumā uzņēmums prezentēja mašīnu, kas šķietami sastāv no 2 tūkstoši kubitukas bija 2500 reižu ātrāks par ātrākajiem klasiskajiem algoritmiem. Un atkal, divus mēnešus vēlāk, zinātnieku grupa pierādīja, ka šis salīdzinājums nav precīzs. Daudziem skeptiķiem D-Wave sistēmas joprojām nav kvantu datori, bet gan viņu simulācijas izmantojot klasiskās metodes.

Tiek izmantota ceturtās paaudzes D-Wave sistēma kvantu rūdīšanaun kubitu stāvokļi tiek realizēti ar supravadošām kvantu shēmām (pamatojoties uz tā sauktajiem Džozefsona savienojumiem). Tie darbojas vidē, kas ir tuvu absolūtai nullei, un lepojas ar 2048 kubitu sistēmu. 2018. gada beigās D-Wave tika ieviests tirgū BUNCE, tas ir, jūsu reāllaika kvantu lietojumprogrammu vide (KAE). Mākoņa risinājums ļauj ārējiem klientiem piekļūt kvantu skaitļošanai reāllaikā.

2019. gada februārī D-Wave paziņoja par nākamo paaudzi  Pegasus. Tika paziņots, ka tā ir "pasaulē plašākā komerciālā kvantu sistēma" ar piecpadsmit savienojumiem uz kubitu, nevis sešiem. vairāk nekā 5 kubiti un ieslēdzot trokšņu samazināšanu iepriekš nezināmā līmenī. Tirdzniecībā ierīcei vajadzētu parādīties nākamā gada vidū.

Kubiti jeb superpozīcijas plus sapīšanās

Standarta datoru procesori paļaujas uz paketēm vai informācijas daļām, no kurām katra pārstāv vienu atbildi jā vai nē. Kvantu procesori ir atšķirīgi. Viņi nedarbojas nulles vienā pasaulē. elkoņa kauls, mazākā un nedalāmā kvantu informācijas vienība ir aprakstītā divdimensiju sistēma Hilberta telpa. Tāpēc tas atšķiras no klasiskā bīta ar to, ka var būt iekšā jebkura superpozīcija divi kvantu stāvokļi. Kubīta fiziskais modelis visbiežāk tiek dots kā piemērs daļiņai ar spin ½, piemēram, elektronam vai viena fotona polarizācijai.

Lai izmantotu kubitu spēku, tie ir jāsavieno, izmantojot procesu, ko sauc apjukums. Ar katru pievienoto kubitu procesora apstrādes jauda dubultspēlēs sevi, jo sapīšanās skaitu pavada jauna kubita sapīšanās ar visiem procesorā jau pieejamajiem stāvokļiem (3). Taču kubitu izveide un apvienošana un pēc tam likt tiem veikt sarežģītus aprēķinus nav viegls uzdevums. Viņi paliek ļoti jutīgs pret ārējām ietekmēmkas var izraisīt aprēķinu kļūdas un sliktākajā gadījumā sapinušos kubitu sabrukšanu, t.i. dekoherencekas ir īstais kvantu sistēmu lāsts. Pievienojot papildu kubitus, palielinās ārējo spēku nelabvēlīgā ietekme. Viens veids, kā risināt šo problēmu, ir iespējot papildu kubīti "Kontrole"kuru vienīgā funkcija ir pārbaudīt un labot izvadi.

3. 50 kubitu IBM sistēmas simbolisks attēlojums

Tomēr tas nozīmē, ka būs nepieciešami jaudīgāki kvantu datori, kas ir noderīgi sarežģītu problēmu risināšanai, piemēram, lai noteiktu, kā proteīna molekulas salokās, vai imitējot fiziskos procesus atomu iekšienē. ļoti qubit. Toms Vatsons no Delftas universitātes Nīderlandē nesen sacīja BBC News:

-

Īsāk sakot, ja kvantu datori sāks darboties, jums ir jāizdomā vienkāršs veids, kā ražot lielus un stabilus kubitu procesorus.

Tā kā kubiti ir nestabili, ir ārkārtīgi grūti izveidot sistēmu ar daudziem no tiem. Tātad, ja galu galā kubiti kā kvantu skaitļošanas koncepcija neizdodas, zinātniekiem ir alternatīva: kubitu kvantu vārti.

Purdue universitātes komanda publicēja pētījumu npj Quantum Information, kurā sīki aprakstīta to izveide. Zinātnieki uzskata, ka kuditsatšķirībā no kubitiem, tie var pastāvēt vairāk nekā divos stāvokļos, piemēram, 0, 1 un 2, un katram pievienotajam stāvoklim palielinās viena qudit skaitļošanas jauda. Citiem vārdiem sakot, jums ir jākodē un jāapstrādā tāds pats informācijas apjoms. mazāk godības nekā kubiti.

Lai izveidotu kvantu vārtus, kas satur quditus, Purdue komanda iekodēja četrus quditus divos sapinušos fotonos frekvences un laika ziņā. Komanda izvēlējās fotonus, jo tie tik viegli neietekmē vidi, un vairāku domēnu izmantošana ļāva vairāk sapīties ar mazāku fotonu skaitu. Gatavo vārtu apstrādes jauda bija 20 kubiti, lai gan tam bija nepieciešami tikai četri quditi, ar papildu stabilitāti fotonu izmantošanas dēļ, padarot to par daudzsološu sistēmu nākotnes kvantu datoriem.

Silīcija vai jonu slazdi

Lai gan ne visi piekrīt šim viedoklim, šķiet, ka silīcija izmantošanai kvantu datoru radīšanā ir milzīgas priekšrocības, jo silīcija tehnoloģija ir labi izveidota un ar to jau ir saistīta liela nozare. Silīciju izmanto Google un IBM kvantu procesoros, lai gan tas tiek atdzesēts tajos līdz ļoti zemai temperatūrai. Tas nav ideāls materiāls kvantu sistēmām, taču zinātnieki pie tā strādā.

Saskaņā ar neseno publikāciju Nature, pētnieku komanda izmantoja mikroviļņu enerģiju, lai izlīdzinātu divas silīcijā suspendētas elektronu daļiņas, un pēc tam izmantoja tās, lai veiktu virkni testa aprēķinu. Grupa, kurā jo īpaši bija Viskonsinas-Medisonas Universitātes zinātnieki, "apturēja" atsevišķu elektronu kubitus silīcija struktūrā, kuras spinu noteica mikroviļņu starojuma enerģija. Superpozīcijā elektrons vienlaikus griezās ap divām dažādām asīm. Pēc tam abi kubiti tika apvienoti un ieprogrammēti, lai veiktu testa aprēķinus, pēc tam pētnieki salīdzināja sistēmas ģenerētos datus ar datiem, kas saņemti no standarta datora, kas veic tādus pašus testa aprēķinus. Pēc datu labošanas programmējams divu bitu kvantu silīcija procesors.

Lai gan kļūdu līmenis joprojām ir daudz augstāks nekā tā sauktajos jonu slazdos (ierīcēs, kurās kādu laiku tiek glabātas lādētas daļiņas, piemēram, joni, elektroni, protoni) vai datoros.  pamatojoties uz supravadītājiem, piemēram, D-Wave, sasniegums joprojām ir ievērojams, jo kubitu izolēšana no ārējā trokšņa ir ārkārtīgi sarežģīta. Speciālisti saskata iespējas mērogot un uzlabot sistēmu. Un no tehnoloģiskā un ekonomiskā viedokļa silīcija izmantošanai šeit ir galvenā nozīme.

Tomēr daudziem pētniekiem silīcijs nav kvantu datoru nākotne. Pagājušā gada decembrī parādījās informācija, ka amerikāņu kompānijas IonQ inženieri izmantojuši iterbiju, lai izveidotu pasaulē produktīvāko kvantu datoru, pārspējot D-Wave un IBM sistēmas.

Rezultāts bija mašīna, kas saturēja vienu atomu jonu slazdā (4) izmanto vienu datu kubitu kodēšanai, un kubiti tiek kontrolēti un mērīti, izmantojot īpašus lāzera impulsus. Datoram ir atmiņa, kurā var saglabāt 160 kubitus datu. Tas var arī veikt aprēķinus vienlaicīgi ar 79 kubitiem.

4. IonQ jonu slazda shēma

Zinātnieki no IonQ veica standarta testu tā sauktajai Bernstein-Waziraniego algoritms. Iekārtas uzdevums bija uzminēt skaitli no 0 līdz 1023. Klasiskie datori veic vienpadsmit minējumus 10 bitu skaitlim. Kvantu datori izmanto divas pieejas, lai uzminētu rezultātu ar 100% pārliecību. Pirmajā mēģinājumā IonQ kvantu dators uzminēja vidēji 73% no dotajiem skaitļiem. Kad algoritms tiek izpildīts jebkuram skaitlim no 1 līdz 1023, parasta datora panākumu līmenis ir 0,2%, savukārt IonQ tas ir 79%.

IonQ eksperti uzskata, ka sistēmas, kuru pamatā ir jonu slazdi, ir pārākas par silīcija kvantu datoriem, ko būvē Google un citi uzņēmumi. Viņu 79 kubitu matrica par 7 kubitiem pārspēj Google Bristlecone kvantu procesoru. IonQ rezultāts ir arī sensacionāls, runājot par sistēmas darbības laiku. Pēc mašīnas veidotāju domām, uz vienu kubitu tas saglabājas 99,97%, kas nozīmē 0,03% kļūdu līmeni, savukārt konkursa labākie rezultāti vidēji bija aptuveni 0,5%. Divu bitu bezkļūdu attiecībai IonQ ierīcei jābūt 99,3%, savukārt lielākā daļa konkurentu nepārsniedz 95%.

Ir vērts piebilst, ka saskaņā ar Google pētniekiem kvantu pārākums – punktu, kurā kvantu dators pārspēj visas pārējās pieejamās mašīnas – jau var sasniegt ar kvantu datoru ar 49 kubitiem, ja kļūdu līmenis divu kubitu vārtos ir mazāks par 0,5%. Tomēr jonu slazda metode kvantu skaitļošanā joprojām saskaras ar lieliem šķēršļiem, kas jāpārvar: lēns izpildes laiks un milzīgs izmērs, kā arī tehnoloģijas precizitāte un mērogojamība.

Šifru cietoksnis drupās un citas sekas

2019. gada janvārī CES 2019 izstādē IBM izpilddirektors Džinijs Rometijs paziņoja, ka IBM jau piedāvā integrētu kvantu skaitļošanas sistēmu komerciālai lietošanai. IBM kvantu datori5) fiziski atrodas Ņujorkā kā sistēmas daļa IBM Q System One. Izmantojot Q Network un Q Quantum Computational Center, izstrādātāji var viegli izmantot Qiskit programmatūru, lai apkopotu kvantu algoritmus. Tādējādi IBM kvantu datoru skaitļošanas jauda ir pieejama kā mākoņdatošanas pakalpojums, par saprātīgu cenu.

Arī D-Wave jau kādu laiku sniedz šādus pakalpojumus, un citi lielākie spēlētāji (piemēram, Amazon) plāno līdzīgus kvantu mākoņu piedāvājumus. Ar ievadu Microsoft gāja tālāk Q# programmēšanas valoda (izrunā kā), kas var darboties ar Visual Studio un darboties klēpjdatorā. Programmētājiem ir rīks, lai modelētu kvantu algoritmus un izveidotu programmatūras tiltu starp klasisko un kvantu skaitļošanu.

Tomēr jautājums ir, kam patiesībā var būt noderīgi datori un to skaitļošanas jauda? Pētījumā, kas tika publicēts pagājušā gada oktobrī žurnālā Science, zinātnieki no IBM, Vaterlo universitātes un Minhenes Tehniskās universitātes mēģināja tuvināt to problēmu veidus, kuru risināšanai kvantu datori šķiet vispiemērotākie.

Saskaņā ar pētījumu, šādas ierīces spēs atrisināt sarežģītus lineārā algebra un optimizācijas problēmas. Tas izklausās neskaidri, taču var būt iespējas vienkāršākiem un lētākiem risinājumiem problēmām, kas šobrīd prasa daudz pūļu, resursu un laika un dažkārt mums nav sasniedzamas.

5. IBM kvantu dators

Noderīga kvantu skaitļošana diametrāli mainīt kriptogrāfijas jomu. Pateicoties viņiem, šifrēšanas kodus varēja ātri uzlauzt un, iespējams, blokķēdes tehnoloģija tiks iznīcināta. Tagad šķiet, ka RSA šifrēšana ir spēcīga un neiznīcināma aizsardzība, kas aizsargā lielāko daļu datu un sakaru pasaulē. Tomēr pietiekami jaudīgs kvantu dators var viegli uzlauzt RSA šifrēšanu via Algoritms Shora.

Kā to novērst? Daži atbalsta publisko šifrēšanas atslēgu garuma palielināšanu līdz tādam izmēram, kāds nepieciešams, lai pārvarētu kvantu atšifrēšanu. Citiem tas ir jāizmanto atsevišķi, lai nodrošinātu drošus sakarus. Pateicoties kvantu kriptogrāfijai, pats datu pārtveršanas akts tos sabojātu, pēc tam persona, kas iejaucas daļiņā, nevarētu no tās iegūt noderīgu informāciju, un saņēmējs tiktu brīdināts par noklausīšanās mēģinājumu.

Bieži tiek pieminēti arī potenciālie kvantu skaitļošanas pielietojumi. ekonomiskā analīze un prognozēšana. Pateicoties kvantu sistēmām, sarežģītos tirgus uzvedības modeļus var paplašināt, iekļaujot daudz vairāk mainīgo nekā iepriekš, tādējādi nodrošinot precīzākas diagnozes un prognozes. Vienlaicīgi apstrādājot tūkstošiem mainīgo ar kvantu datoru, būtu iespējams arī samazināt izstrādei nepieciešamo laiku un izmaksas. jaunas zāles, transporta un loģistikas risinājumi, piegādes ķēdes, klimata modeļikā arī daudzu citu gigantiskas sarežģītības problēmu risināšanai.

Kliņģerīšu likums

Veco datoru pasaulei bija savs Mūra likums, savukārt kvantu datoriem jāvadās pēc t.s. Kliņģerīšu likums. Viņš ir parādā savu vārdu vienam no Google ievērojamākajiem kvantu speciālistiem, Hartmuts Nevena (6), kurā teikts, ka kvantu skaitļošanas tehnoloģijā pašlaik tiek panākts progress dubults eksponenciālais ātrums.

Tas nozīmē, ka tā vietā, lai dubultotu veiktspēju ar secīgām iterācijām, kā tas bija klasisko datoru un Mūra likuma gadījumā, kvantu tehnoloģija uzlabo veiktspēju daudz ātrāk.

Speciālisti prognozē kvantu pārākuma parādīšanos, ko var tulkot ne tikai kvantu datoru pārākumā pār jebkuriem klasiskajiem, bet arī citos veidos - kā noderīgo kvantu datoru laikmeta sākumu. Tas pavērs ceļu sasniegumiem ķīmijā, astrofizikā, medicīnā, drošībā, komunikācijās un citās jomās.

Tomēr pastāv arī viedoklis, ka šāds pārākums nekad nepastāvēs, vismaz ne pārskatāmā nākotnē. Maigāka skepticisma versija ir tāda kvantu datori nekad neaizstās klasiskos datorus, jo tie nav paredzēti tam. Jūs nevarat aizstāt iPhone vai datoru ar kvantu mašīnu, tāpat kā jūs nevarat aizstāt tenisa kurpes ar kodolieroču lidmašīnu bāzes kuģi.. Klasiskie datori ļauj spēlēt spēles, pārbaudīt e-pastu, sērfot tīmeklī un palaist programmas. Kvantu datori vairumā gadījumu veic simulācijas, kas ir pārāk sarežģītas binārajām sistēmām, kas darbojas ar datora bitiem. Citiem vārdiem sakot, individuālie patērētāji no sava kvantu datora gandrīz nekādu labumu negūs, bet patiesie ieguvēji no izgudrojuma būs, piemēram, NASA vai Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts.

Laiks rādīs, kura pieeja ir piemērotāka – IBM vai Google. Saskaņā ar Nevena likumu mums ir tikai daži mēneši, lai redzētu, ka viena vai otra komanda pilnībā demonstrēs kvantu pārākumu. Un tas vairs nav izredzes "pēc desmit gadiem, tas ir, neviens nezina, kad".