Kümme aastat hiljem ei tea keegi millal

Vähem informeeritud inimesele, kes on lugenud terve hunniku kvantarvutite teemalisi väljaandeid, võib jääda mulje, et tegemist on “riiulilt” masinatega, mis töötavad samamoodi nagu tavalised arvutid. Midagi ei saaks rohkem valesti olla. Mõned isegi usuvad, et kvantarvuteid veel pole. Ja teised mõtlevad, milleks neid kasutatakse, kuna need ei ole mõeldud null-ükssüsteemide asendamiseks.

Tihti kuuleme, et esimesed päris ja korralikult töötavad kvantarvutid ilmuvad umbes kümne aasta pärast. Kuid nagu Linley Groupi peaanalüütik Linley Gwennap artiklis märkis: "Kui inimesed ütlevad, et kvantarvuti ilmub kümne aasta pärast, ei tea nad, millal see juhtub."

Vaatamata sellele ebamäärasele olukorrale on konkurentsiõhkkond nn. kvant domineerimine. Olles mures kvanttöö ja hiinlaste edu pärast, võttis USA administratsioon mullu detsembris vastu riikliku kvantalgatuse seaduse ( National Quantum Initiative Act ).1). Dokumendi eesmärk on pakkuda föderaalset toetust kvantarvutite ja -tehnoloogiate uurimisele, arendustegevusele, tutvustamisele ja rakendamisele. Maagilise kümne aasta jooksul kulutab USA valitsus miljardeid kvantarvutite infrastruktuuri, ökosüsteemide ehitamisele ja inimeste värbamisele. Kõik suuremad kvantarvutite arendajad – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft ja Rigetti, aga ka kvantalgoritmide 1QBit ja Zapata loojad tervitasid seda. Rahvuslik kvantalgatus.

D-WAve pioneerid

2007. aastal tutvustas D-Wave Systems 128-kubitist kiipi (2), kutsutakse maailma esimene kvantarvuti. Siiski polnud kindlust, kas seda saab nii nimetada - näidati ainult tema tööd, ilma tema ehituse üksikasjadeta. 2009. aastal töötas D-Wave Systems Google'i jaoks välja "kvant" pildiotsingumootori. 2011. aasta mais omandas Lockheed Martin D-Wave Systemsilt kvantarvuti. D-laine üks 10 miljoni dollari eest, allkirjastades samal ajal mitmeaastase lepingu selle käitamiseks ja sellega seotud algoritmide arendamiseks.

2012. aastal demonstreeris see masin madalaima energiaga spiraalse valgu molekuli leidmise protsessi. D-Wave Systemsi teadlased kasutavad erinevate numbritega süsteeme kubitid, sooritas mitmeid matemaatilisi arvutusi, millest mõned ületasid palju klassikaliste arvutite võimalusi. 2014. aasta alguses avaldasid John Smolin ja Graham Smith aga artikli, milles väitsid, et D-Wave Systemsi masin ei ole masin. Varsti pärast seda tutvustas Physics of Nature katsete tulemusi, mis tõestasid, et D-Wave One on endiselt ...

Teine test 2014. aasta juunis ei näidanud erinevust klassikalise arvuti ja D-Wave Systemsi masina vahel, kuid ettevõte vastas, et erinevus oli märgatav vaid keerukamate ülesannete puhul, kui testis lahendatud. 2017. aasta alguses avalikustas ettevõte masina, mis näiliselt koosnes 2 tuhat kubittimis oli 2500 korda kiirem kui kiireimad klassikalised algoritmid. Ja jälle, kaks kuud hiljem, tõestas rühm teadlasi, et see võrdlus ei olnud täpne. Paljude skeptikute jaoks pole D-Wave süsteemid ikka veel mitte kvantarvutid, vaid nende omad simulatsioonid kasutades klassikalisi meetodeid.

Neljanda põlvkonna D-Wave süsteem kasutab kvantlõõmutusedja kubiidi olekud realiseeritakse ülijuhtivate kvantahelate abil (nn Josephsoni üleminekute alusel). Need töötavad absoluutse nulli lähedases keskkonnas ja nende süsteem on 2048 kubitist. 2018. aasta lõpus tuli D-Wave turule JUMP, see tähendab sinu reaalajas kvantrakenduste keskkond (KAE). Pilvelahendus võimaldab välisklientidel reaalajas juurde pääseda kvantandmetöötlusele.

2019. aasta veebruaris kuulutas D-Wave välja järgmise põlvkonna  Pegasus. Kuulutati, et see on "maailma kõige ulatuslikum kommertskvantsüsteem", millel on kuue asemel viisteist ühendust kubiti kohta. üle 5 kubiti ja müra vähendamise sisselülitamine varem teadmata tasemel. Müügile peaks seade jõudma järgmise aasta keskel.

Kubitid ehk superpositsioonid pluss takerdumine

Tavalised arvutiprotsessorid toetuvad pakettidele või teabetükkidele, millest igaüks esindab ühte jah või ei vastust. Kvantprotsessorid on erinevad. Need ei tööta null-üks maailmas. küünarnuki luu, on kvantinformatsiooni väikseim ja jagamatu ühik kirjeldatud kahemõõtmeline süsteem Hilberti ruum. Seetõttu erineb see klassikalisest biidist selle poolest, et see võib olla sees igasugune superpositsioon kaks kvantseisundit. Kbiidi füüsikalist mudelit tuuakse kõige sagedamini näitena osakesest, mille spinn on ½, näiteks elektronist või ühe footoni polarisatsioonist.

Kubitite võimsuse kasutamiseks peate need ühendama protsessi nimega segasus. Iga lisatud kubitiga protsessori töötlemisvõimsus kahekohalised ise, kuna põimumiste arvuga kaasneb uue kubiti põimumine kõigi protsessoris juba olemasolevate olekutega (3). Kuid kubittide loomine ja kombineerimine ning seejärel keerukate arvutuste tegemiseks käskimine pole lihtne ülesanne. Nad jäävad äärmiselt tundlik välismõjude suhtesmis võib kaasa tuua arvutusvigu ja halvimal juhul takerdunud qubittide lagunemiseni, s.o. dekoherentsusmis on kvantsüsteemide tõeline needus. Kui lisanduvad täiendavad kubitid, suureneb välisjõudude kahjulik mõju. Üks võimalus selle probleemiga tegelemiseks on lubada täiendavaid kubitid "KONTROLL"mille ainus ülesanne on väljundit kontrollida ja parandada.

3. 50-kubitise IBMi süsteemi sümboolne esitus

See aga tähendab, et vaja on võimsamaid kvantarvuteid, mis on kasulikud keerukate probleemide lahendamiseks, näiteks valgu molekulide voltimise määramiseks või aatomite sees toimuvate füüsikaliste protsesside simuleerimiseks. palju kubitte. Tom Watson Hollandi Delfti ülikoolist ütles hiljuti BBC Newsile:

-

Lühidalt, kui kvantarvutid hakkavad õhku tõusma, peate leidma lihtsa viisi suurte ja stabiilsete kubitiprotsessorite tootmiseks.

Kuna kubitid on ebastabiilsed, on paljude neist süsteemi loomine äärmiselt keeruline. Nii et kui lõpuks kubiidid kui kvantarvutuse kontseptsioon ebaõnnestuvad, on teadlastel alternatiiv: kubiti kvantväravad.

Purdue ülikooli meeskond avaldas ajakirjas npj Quantum Information uuringu, milles kirjeldatakse üksikasjalikult nende loomist. Teadlased usuvad seda kuditsErinevalt kubitidest võivad need eksisteerida rohkem kui kahes olekus – näiteks 0, 1 ja 2 – ning iga lisatud oleku korral suureneb ühe quditi arvutusvõimsus. Teisisõnu, peate kodeerima ja töötlema sama palju teavet. vähem au kui kubitid.

Kvadite sisaldavate kvantväravate loomiseks kodeeris Purdue meeskond neli quditi sageduse ja aja poolest kaheks takerdunud footoniks. Meeskond valis footonid, kuna need ei mõjuta keskkonda nii lihtsalt ja mitme domeeni kasutamine võimaldas vähemate footonitega rohkem takerduda. Valmis värava töötlemisvõimsus oli 20 kubitti, kuigi see nõudis ainult nelja quaditi, millel oli footonite kasutamise tõttu täiendav stabiilsus, muutes selle tulevaste kvantarvutite jaoks paljutõotavaks süsteemiks.

Räni- või ioonilõksud

Kuigi kõik seda arvamust ei jaga, näib räni kasutamisel kvantarvutite loomiseks tohutuid eeliseid, kuna ränitehnoloogia on hästi välja kujunenud ja sellega on seotud juba suur tööstus. Räni kasutatakse Google'i ja IBMi kvantprotsessorites, kuigi see jahutatakse neis väga madalale temperatuurile. See ei ole kvantsüsteemide jaoks ideaalne materjal, kuid teadlased töötavad selle kallal.

Ajakirjas Nature avaldatud hiljutise väljaande kohaselt kasutas teadlaste meeskond mikrolaineenergiat kahe ränis hõljunud elektronosakese joondamiseks ja kasutas neid seejärel testarvutuste tegemiseks. Rühm, kuhu kuulusid eelkõige Wisconsini-Madisoni ülikooli teadlased, "suspendeeris" üksikute elektronide kubitid ränistruktuuris, mille spinni määras mikrolainekiirguse energia. Superpositsioonis pöörles elektron samaaegselt ümber kahe erineva telje. Seejärel ühendati need kaks kubitti ja programmeeriti testarvutuste tegemiseks, misjärel võrdlesid teadlased süsteemi genereeritud andmeid andmetega, mis saadi samu testarvutusi sooritavast tavalisest arvutist. Pärast andmete parandamist programmeeritav kahebitine kvanträni protsessor.

Kuigi vigade protsent on endiselt palju suurem kui nn ioonlõksudes (seadmed, milles hoitakse mõnda aega laetud osakesi nagu ioonid, elektronid, prootonid) või arvutites.  Ülijuhtidel nagu D-Wave põhinedes on saavutus märkimisväärne, kuna kubittide eraldamine välismürast on äärmiselt keeruline. Spetsialistid näevad võimalusi süsteemi skaleerimiseks ja täiustamiseks. Ja räni kasutamine tehnoloogilisest ja majanduslikust seisukohast on siin võtmetähtsusega.

Paljude teadlaste jaoks pole räni aga kvantarvutite tulevik. Eelmise aasta detsembris ilmus info, et Ameerika ettevõtte IonQ insenerid kasutasid ytterbiumit maailma tootlikuma kvantarvuti loomisel, edestades D-Wave’i ja IBMi süsteeme.

Tulemuseks oli masin, mis sisaldas ioonilõksus ühte aatomit (4) kasutab kodeerimiseks ühte andmekubitti ning kubitte juhitakse ja mõõdetakse spetsiaalsete laserimpulsside abil. Arvutil on mälu, mis mahutab 160 qubiti andmeid. Samuti saab see teha arvutusi üheaegselt 79 kubiti peal.

4. IonQ ioonilõksu skeem

IonQ teadlased viisid läbi standardse testi nn Bernsteini-Vazirani algoritm. Masina ülesandeks oli arvata arv vahemikus 0 kuni 1023. Klassikalised arvutid arvavad 10-bitise arvu kohta üksteist. Kvantarvutid kasutavad tulemuse 100% kindlusega ära arvamiseks kahte lähenemisviisi. Esimesel katsel arvas IonQ kvantarvuti keskmiselt 73% etteantud arvudest. Kui algoritmi käitatakse mis tahes arvu jaoks vahemikus 1 kuni 1023, on tüüpilise arvuti õnnestumise määr 0,2%, samas kui IonQ puhul on see 79%.

IonQ eksperdid usuvad, et ioonilõksudel põhinevad süsteemid on paremad kui ränikvantarvutid, mida Google ja teised ettevõtted ehitavad. Nende 79-kubitine maatriks ületab Google'i Bristlecone'i kvantprotsessorit 7 kubiti võrra. IonQ tulemus on sensatsiooniline ka süsteemi tööaega. Masina loojate sõnul jääb see ühe kubiti kohta 99,97% juurde, mis tähendab 0,03% veamäära, samas kui võistluse parimad tulemused olid keskmiselt umbes 0,5%. IonQ seadme 99,3-bitine veamäär peaks olema 95%, samas kui suurem osa konkurentsist ei ületa XNUMX%.

Tasub lisada, et Google’i teadlaste sõnul kvant ülimuslikkus – punkti, kus kvantarvuti ületab kõik teised saadaolevad masinad – on saavutatav juba 49 kubitiga kvantarvutiga, eeldusel, et kahe kubitise värava veamäär on alla 0,5%. Siiski seisavad ioonilõksu meetod kvantarvutuses silmitsi suurte takistustega, mida tuleb ületada: aeglane täitmisaeg ja tohutu suurus, samuti tehnoloogia täpsus ja mastaapsus.

Varemetes šifrite kindlus ja muud tagajärjed

2019. aasta jaanuaris CES 2019 konverentsil teatas IBMi tegevjuht Ginni Rometty, et IBM pakub juba integreeritud kvantarvutussüsteemi kommertskasutuseks. IBMi kvantarvutid5) asuvad süsteemi osana füüsiliselt New Yorgis IBM Q System One. Q Networki ja Q Quantum Computational Centeri abil saavad arendajad hõlpsasti kasutada Qiskiti tarkvara kvantalgoritmide koostamiseks. Seega on IBMi kvantarvutite arvutusvõimsus saadaval järgmiselt pilvandmetöötlusteenus, mõistliku hinnaga.

Ka D-Wave on juba mõnda aega selliseid teenuseid pakkunud ja teised suuremad tegijad (näiteks Amazon) plaanivad sarnaseid kvantpilvepakkumisi. Microsoft läks sissejuhatusega kaugemale Q# programmeerimiskeel (hääldatakse nagu), mis töötab Visual Studioga ja töötab sülearvutis. Programmeerijatel on tööriist kvantalgoritmide simuleerimiseks ja tarkvaralise silla loomiseks klassikalise ja kvantarvutuse vahel.

Küsimus on aga selles, milleks saavad arvutid ja nende arvutusvõimsus tegelikult kasulikud olla? Möödunud aasta oktoobris ajakirjas Science avaldatud uuringus püüdsid IBMi, Waterloo ülikooli ja Müncheni tehnikaülikooli teadlased lähendada probleemide tüüpe, mille lahendamiseks kvantarvutid tunduvad kõige sobivamad.

Uuringu kohaselt suudavad sellised seadmed lahendada keerulisi lineaaralgebra ja optimeerimisülesanded. Kõlab ebamääraselt, kuid praegu palju pingutust, ressursse ja aega nõudvatele probleemidele, mis mõnikord ei ole meile jõukohane, võib leida võimalusi lihtsamaks ja odavamaks lahenduseks.

5. IBM-i kvantarvuti

Kasulik kvantarvutus diametraalselt muuta krüptograafia valdkonda. Tänu neile saab krüpteerimiskoode kiiresti lahti murda ja võib-olla plokiahela tehnoloogia hävitatakse. RSA-krüptimine näib nüüd olevat tugev ja hävimatu kaitse, mis kaitseb enamikku maailmas olevatest andmetest ja sidest. Piisavalt võimas kvantarvuti saab aga lihtsalt murda RSA krüpteering abiga Shora algoritm.

Kuidas seda ennetada? Mõned pooldavad avalike krüpteerimisvõtmete pikkuse suurendamist kvantdekrüpteerimisest ülesaamiseks vajaliku suuruseni. Teiste jaoks tuleks seda turvalise side tagamiseks kasutada üksinda. Tänu kvantkrüptograafiale rikuks neid juba ainuüksi andmete pealtkuulamine, misjärel ei saaks osakese sekkuja sealt kasulikku infot ning vastuvõtjat hoiatatakse pealtkuulamiskatse eest.

Sageli mainitakse ka kvantarvutuse võimalikke rakendusi. majandusanalüüs ja prognoosimine. Tänu kvantsüsteemidele saab turukäitumise keerulisi mudeleid laiendada, hõlmates senisest palju rohkem muutujaid, mis toob kaasa täpsemad diagnoosid ja prognoosid. Kvantarvutiga tuhandeid muutujaid samaaegselt töödeldes oleks võimalik vähendada ka arenduseks kuluvat aega ja kulusid. uued ravimid, transpordi- ja logistikalahendused, tarneahelad, kliimamudelidsamuti paljude muude hiiglasliku keerukusega probleemide lahendamiseks.

Nevena seadus

Vanade arvutite maailmas kehtis oma Moore’i seadus, kvantarvutitel tuleb aga juhinduda nn. Nevena seadus. Ta võlgneb oma nime Google'i ühele silmapaistvamale kvantspetsialistile, Hartmut Nevena (6), milles öeldakse, et praegu tehakse kvantarvutustehnoloogia edusamme topelt eksponentsiaalne kiirus.

See tähendab, et selle asemel, et kahekordistada jõudlust järjestikuste iteratsioonidega, nagu see oli klassikaliste arvutite ja Moore'i seaduse puhul, parandab kvanttehnoloogia jõudlust palju kiiremini.

Eksperdid ennustavad kvantüleoleku tulekut, mida saab tõlkida mitte ainult kvantarvutite paremusse klassikaliste ees, vaid ka muul viisil - kasulike kvantarvutite ajastu algusena. See sillutab teed läbimurreteks keemias, astrofüüsikas, meditsiinis, turvalisuses, sides ja mujal.

Siiski on ka arvamus, et sellist üleolekut ei tule kunagi, vähemalt mitte nähtavas tulevikus. Skeptismi leebem versioon on see kvantarvutid ei asenda kunagi klassikalisi arvuteid, sest need pole selleks loodud. Sa ei saa asendada iPhone'i ega arvutit kvantmasinaga, nagu ei saa asendada tenniseid tuumalennukikandjaga.. Klassikalised arvutid võimaldavad teil mängida mänge, vaadata e-kirju, surfata veebis ja käivitada programme. Kvantarvutid teostavad enamikul juhtudel simulatsioone, mis on arvutibittidel töötavate binaarsüsteemide jaoks liiga keerulised. Teisisõnu, üksiktarbijad ei saa oma kvantarvutist peaaegu mingit kasu, kuid tegelikud kasusaajad on leiutisest näiteks NASA või Massachusettsi tehnoloogiainstituut.

Aeg näitab, kumb lähenemine on sobivam – IBM või Google. Neveni seaduse kohaselt oleme vaid mõne kuu kaugusel, et näha ühe või teise meeskonna kvantüleoleku täielikku demonstratsiooni. Ja see pole enam väljavaade "kümne aasta pärast, see tähendab, et keegi ei tea, millal".