Десет година касније нико не зна када

За мање обавештену особу која је прочитала гомилу публикација о квантним рачунарима, могао би се стећи утисак да су то „готове” машине које раде на исти начин као и обични рачунари. Ништа не може бити лошије. Неки чак верују да још не постоје квантни рачунари. А други се питају за шта ће се користити, пошто нису дизајнирани да замене системе нула-један.

Често чујемо да ће се први прави и исправно функционални квантни рачунари појавити за отприлике деценију. Међутим, како је у чланку приметио Линли Гвенап, главни аналитичар Линли групе, „када људи кажу да ће се квантни рачунар појавити за десет година, не знају када ће се то догодити.

И поред ове нејасне ситуације, атмосфера такмичења за тзв. квантна доминација. Забринута због квантног рада и напретка Кинеза, америчка администрација је прошлог децембра усвојила Закон о националној квантној иницијативи.1). Документ има за циљ да пружи федералну подршку истраживању, развоју, демонстрацији и примени квантног рачунарства и технологија. У магичних десет година, америчка влада ће потрошити милијарде на изградњу инфраструктуре квантне рачунарства, екосистема и регрутовање људи. Сви главни програмери квантних рачунара - Д-Ваве, Хонеивелл, ИБМ, Интел, ИонК, Мицрософт и Ригетти, као и креатори квантних алгоритама 1КБит и Запата су то поздравили. Национална квантна иницијатива.

Д-ВАве пионири

Године 2007, Д-Ваве Системс је представио чип од 128 кубита (2), се зове први квантни рачунар на свету. Међутим, није било извесности да ли се то тако може назвати – приказан је само његов рад, без икаквих детаља о његовој конструкцији. Д-Ваве Системс је 2009. развио "квантни" претраживач слика за Гугл. У мају 2011. Лоцкхеед Мартин је купио квантни рачунар од Д-Ваве Системс. Д-талас један за 10 милиона долара, уз потписивање вишегодишњег уговора о свом раду и развоју повезаних алгоритама.

Ова машина је 2012. године демонстрирала процес проналажења спиралног протеинског молекула са најнижом енергијом. Истраживачи из Д-Ваве Системс-а користе системе са различитим бројевима кубити, извршио низ математичких прорачуна, од којих су нека била далеко изван могућности класичних рачунара. Међутим, почетком 2014. Џон Смолин и Грејем Смит објавили су чланак у којем тврде да машина Д-Ваве Системс није машина. Убрзо након тога, Пхисицс оф Натуре представила је резултате експеримената који доказују да је Д-Ваве Оне још увек ...

Још један тест у јуну 2014. није показао никакву разлику између класичног рачунара и машине Д-Ваве Системс, али је компанија одговорила да је разлика приметна само код сложенијих задатака од оних решених у тесту. Почетком 2017. године компанија је представила машину која се наводно састоји од 2 хиљаде кубитакоји је био 2500 пута бржи од најбржих класичних алгоритама. И опет, два месеца касније, група научника је доказала да ово поређење није тачно. За многе скептике, Д-Ваве системи још увек нису квантни рачунари, већ њихови симулације користећи класичне методе.

Д-Ваве систем четврте генерације користи квантна жарењаа стања кубита се реализују суперпроводним квантним колима (заснованим на тзв. Џозефсоновим спојевима). Они раде у окружењу близу апсолутне нуле и могу се похвалити системом од 2048 кубита. Крајем 2018. године, Д-Ваве је уведен на тржиште БОУНЦЕ, односно ваш окружење квантних апликација у реалном времену (КАЕ). Решење у облаку пружа спољним клијентима приступ квантном рачунарству у реалном времену.

У фебруару 2019, Д-Ваве је најавио следећу генерацију  Пегасус. Најављено је да је то „најобимнији комерцијални квантни систем на свету“ са петнаест веза по кубиту уместо шест, са преко 5 кубита и укључивање смањења буке на претходно непознатом нивоу. Уређај би требало да се појави у продаји средином следеће године.

Кубити, или суперпозиције плус заплетање

Стандардни рачунарски процесори се ослањају на пакете или делове информација, од којих сваки представља један одговор са да или не. Квантни процесори су различити. Они не раде у свету нула један. кост лакта, најмања и недељива јединица квантне информације је описани дводимензионални систем Хилбертов простор. Стога се разликује од класичног ритма по томе што може бити ин било суперпозиције два квантна стања. Физички модел кубита се најчешће наводи као пример честице са спином ½, као што је електрон, или поларизација једног фотона.

Да бисте искористили моћ кубита, морате их повезати кроз процес који се зове забуна. Са сваким додатим кубитом, процесорска снага процесора дубл себе, пошто је број заплета праћен преплетањем новог кубита са свим стањима која су већ доступна у процесору (3). Али стварање и комбиновање кубита, а затим им рећи да изврше замршене прорачуне није лак задатак. Остају изузетно осетљив на спољашње утицајешто може довести до грешака у прорачуну и, у најгорем случају, до распада уплетених кубита, тј. декохеренцијашто је право проклетство квантних система. Како се додају додатни кубити, штетни ефекти спољашњих сила се повећавају. Један од начина да се решите овог проблема је да омогућите додатне кубити "ЦОНТРОЛ"чија је једина функција да проверава и исправља излаз.

3. Симболичко представљање 50-кубитног ИБМ система

Међутим, то значи да ће бити потребни моћнији квантни рачунари, корисни за решавање сложених проблема, као што је одређивање начина на који се протеински молекули савијају или симулација физичких процеса унутар атома. много кубита. Том Вотсон са Универзитета Делфт у Холандији је недавно рекао за ББЦ Невс:

-

Укратко, ако квантни рачунари треба да полете, морате смислити једноставан начин за производњу великих и стабилних кубит процесора.

Пошто су кубити нестабилни, изузетно је тешко направити систем са многим од њих. Дакле, ако, на крају, кубити као концепт квантног рачунарства пропадну, научници имају алтернативу: кубит квантне капије.

Тим са Универзитета Пурдуе објавио је студију у нпј Куантум Информатион у којој је детаљно описано њихово стварање. Научници верују да кудитсза разлику од кубита, они могу постојати у више од два стања — на пример, 0, 1 и 2 — и за свако додато стање се повећава рачунарска снага једног кудита. Другим речима, потребно је да кодирате и обрадите исту количину информација. мање славе него кубити.

Да би створио квантне капије које садрже кудите, тим Пурдуе је кодирао четири кудита у два заплетена фотона у смислу фреквенције и времена. Тим је одабрао фотоне јер они не утичу тако лако на околину, а коришћење више домена омогућило је више заплетања са мање фотона. Готова капија имала је процесорску снагу од 20 кубита, иако су јој била потребна само четири квита, уз додатну стабилност због употребе фотона, што га чини обећавајућим системом за будуће квантне рачунаре.

Силицијумске или јонске замке

Иако не деле сви ово мишљење, чини се да употреба силицијума за прављење квантних рачунара има огромне предности, пошто је технологија силикона добро успостављена и већ постоји велика индустрија повезана са њом. Силицијум се користи у квантним процесорима Гугла и ИБМ-а, иако се у њима хлади на веома ниске температуре. То није идеалан материјал за квантне системе, али научници раде на томе.

Према недавној публикацији у часопису Натуре, тим истраживача је користио микроталасну енергију да поравна две електронске честице суспендоване у силицијуму, а затим их употребио да изврши серију тестних прорачуна. Група, која је укључивала, посебно, научнике са Универзитета Висконсин-Медисон "овисила" је појединачне електронске кубите у силицијумској структури, чији је спин одређен енергијом микроталасног зрачења. У суперпозицији, електрон се истовремено ротирао око две различите осе. Два кубита су затим комбинована и програмирана за извођење тестних прорачуна, након чега су истраживачи упоредили податке које је генерисао систем са подацима добијеним од стандардног рачунара који је обављао исте тест прорачуне. Након исправљања података, програмабилни двобитни квантни силицијумски процесор.

Иако је проценат грешака и даље много већи него у тзв. јонским замкама (уређаји у којима се наелектрисане честице као што су јони, електрони, протони чувају неко време) или компјутерима.  засновано на суперпроводницима као што је Д-Ваве, достигнуће остаје изванредно јер је изоловање кубита од спољашње буке изузетно тешко. Специјалисти виде могућности за скалирање и побољшање система. А употреба силицијума, са технолошке и економске тачке гледишта, овде је од кључног значаја.

Међутим, за многе истраживаче, силицијум није будућност квантних рачунара. У децембру прошле године појавиле су се информације да су инжењери америчке компаније ИонК користили итербијум за стварање најпродуктивнијег квантног рачунара на свету, надмашујући Д-Ваве и ИБМ системе.

Резултат је била машина која је садржала један атом у јонској замци (4) користи један кубит података за кодирање, а кубити се контролишу и мере помоћу специјалних ласерских импулса. Рачунар има меморију која може да ускладишти 160 кубита података. Такође може да врши прорачуне истовремено на 79 кубита.

4. Шема јонске замке ИонК

Научници из ИонК-а спровели су стандардни тест тзв Бернштајн-Вазирански алгоритам. Задатак машине је био да погоди број између 0 и 1023. Класични рачунари узимају једанаест погађања за 10-битни број. Квантни рачунари користе два приступа да погоде резултат са 100% сигурношћу. У првом покушају, ИонК квантни рачунар је погодио у просеку 73% датих бројева. Када се алгоритам покрене за било који број између 1 и 1023, стопа успеха за нормалан рачунар је 0,2%, док је за ИонК 79%.

ИонК стручњаци верују да су системи засновани на јонским замкама супериорнији од силицијумских квантних рачунара које граде Гугл и друге компаније. Њихова матрица од 79 кубита надмашује Гоогле-ов Бристлецоне квантни процесор за 7 кубита. ИонК резултат је такође сензационалан када је у питању време непрекидног рада система. Према речима креатора машине, за један кубит остаје на 99,97%, што значи стопу грешке од 0,03%, док су најбољи резултати такмичења у просеку износили око 0,5%. Стопа 99,3-битне грешке за ИонК уређај би требало да буде 95%, док већина конкуренције не прелази XNUMX%.

Вреди то додати, сматрају истраживачи Гугла квантна надмоћ – тачка у којој квантни рачунар надмашује све остале доступне машине – већ се може постићи са квантним рачунаром са 49 кубита, под условом да је стопа грешке на двокубитним гејтовима испод 0,5%. Међутим, метода замке јона у квантном рачунарству и даље се суочава са великим препрекама које треба превазићи: споро време извршења и огромна величина, као и тачност и скалабилност технологије.

Упориште шифри у рушевинама и друге последице

У јануару 2019. на ЦЕС 2019, извршни директор ИБМ-а Гинни Рометти најавио је да ИБМ већ нуди интегрисани квантни рачунарски систем за комерцијалну употребу. ИБМ квантни рачунари5) се физички налазе у Њујорку као део система ИБМ К Систем Оне. Користећи К Нетворк и К Куантум Цомпутатионал Центер, програмери могу лако да користе Кискит софтвер за компајлирање квантних алгоритама. Дакле, рачунарска снага ИБМ квантних рачунара је доступна као услуга рачунарства у облаку, разумној цени.

Д-Ваве такође пружа такве услуге већ неко време, а други велики играчи (као што је Амазон) планирају сличне понуде у квантном облаку. Мицрософт је отишао даље са уводом К# програмски језик (изговара се као) који може да ради са Висуал Студио-ом и да ради на лаптопу. Програмери имају алат за симулацију квантних алгоритама и креирање софтверског моста између класичног и квантног рачунарства.

Међутим, поставља се питање за шта заправо рачунари и њихова рачунарска снага могу бити корисни? У студији објављеној прошлог октобра у часопису Сциенце, научници са ИБМ-а, Универзитета Ватерло и Техничког универзитета у Минхену покушали су да апроксимирају типове проблема за које се квантни рачунари чине најпогоднијим за решавање.

Према студији, такви уређаји ће моћи да решавају сложене линеарна алгебра и проблеми оптимизације. Звучи нејасно, али можда постоје могућности за једноставнија и јефтинија решења за питања која тренутно захтевају много труда, ресурса и времена, а понекад су ван нашег домашаја.

5. ИБМ квантни рачунар

Корисно квантно рачунарство дијаметрално променити област криптографије. Захваљујући њима, кодови за шифровање могу бити брзо разбијени и, евентуално, блоцкцхаин технологија ће бити уништена. Чини се да је РСА енкрипција снажна и неуништива одбрана која штити већину података и комуникација у свету. Међутим, довољно моћан квантни рачунар може лако разбити РСА енкрипцију уз помоћ Шорин алгоритам.

Како то спречити? Неки заговарају повећање дужине јавних кључева за шифровање до величине потребне за превазилажење квантне дешифровања. За друге, требало би да се користи сам да би се обезбедила сигурна комуникација. Захваљујући квантној криптографији, сам чин пресретања података би их покварио, након чега особа која омета честицу не би могла од ње да добије корисне информације, а прималац би био упозорен на покушај прислушкивања.

Често се помињу и потенцијалне примене квантног рачунарства. економске анализе и прогнозе. Захваљујући квантним системима, сложени модели тржишног понашања могу се проширити и укључити много више варијабли него раније, што доводи до прецизнијих дијагноза и предвиђања. Истовременом обрадом хиљада варијабли помоћу квантног рачунара, такође би било могуће смањити време и трошкове потребне за развој. нови лекови, транспортна и логистичка решења, ланци снабдевања, климатски моделикао и за решавање многих других проблема гигантске сложености.

Невенин закон

Свет старих компјутера имао је свој Муров закон, док квантни рачунари морају да се руководе тзв. Невенин закон. Своје име дугује једном од најистакнутијих квантних стручњака у Гуглу, Хартмут Невена (6), који наводи да се тренутно остварује напредак у технологији квантног рачунара двострука експоненцијална брзина.

То значи да уместо удвостручавања перформанси узастопним итерацијама, као што је био случај са класичним рачунарима и Муровим законом, квантна технологија побољшава перформансе много брже.

Стручњаци предвиђају појаву квантне супериорности, која се може превести не само у супериорност квантних рачунара над било којим класичним, већ и на друге начине – као почетак ере корисних квантних рачунара. Ово ће утрти пут за напредак у хемији, астрофизици, медицини, безбедности, комуникацијама и још много тога.

Међутим, постоји и мишљење да такве супериорности никада неће бити, бар не у догледно време. Блажа верзија скептицизма је то квантни рачунари никада неће заменити класичне рачунаре јер нису дизајнирани за то. Не можете заменити иПхоне или ПЦ квантном машином, као што не можете заменити тенисице... са нуклеарним носачем авиона.. Класични рачунари вам омогућавају да играте игрице, проверавате е-пошту, сурфујете вебом и покрећете програме. Квантни рачунари у већини случајева изводе симулације које су превише сложене за бинарне системе који раде на компјутерским битовима. Другим речима, појединачни потрошачи неће имати скоро никакву корист од сопственог квантног рачунара, али ће стварни корисници проналаска бити, на пример, НАСА или Масачусетски институт за технологију.

Време ће показати који је приступ прикладнији - ИБМ или Гугл. Према Невеновом закону, само неколико месеци нас дели од потпуне демонстрације квантне супериорности једног или другог тима. А то више није перспектива „за десет година, односно нико не зна када“.