Tio år senare vet ingen när

För en mindre kunnig person som har läst en hel drös publikationer om kvantdatorer kan man få intrycket av att det är "hylla" maskiner som fungerar på samma sätt som vanliga datorer. Inget kan vara mer fel. Vissa tror till och med att det inte finns några kvantdatorer ännu. Och andra undrar vad de ska användas till, eftersom de inte är designade för att ersätta noll-ett-system.

Vi hör ofta att de första riktiga och väl fungerande kvantdatorerna kommer att dyka upp om ungefär ett decennium. Men som Linley Gwennap, chefsanalytiker vid Linley Group, noterade i artikeln, "när människor säger att en kvantdator kommer att dyka upp om tio år, vet de inte när det kommer att hända."

Trots denna vaga situation, atmosfären av konkurrens för den sk. kvantdominans. Bekymrad över kvantarbete och kinesernas framgång antog den amerikanska administrationen i december förra året National Quantum Initiative Act (1). Dokumentet är avsett att ge federalt stöd för forskning, utveckling, demonstration och tillämpning av kvantberäkningar och teknologier. På magiska tio år kommer den amerikanska regeringen att spendera miljarder på att bygga kvantdatorinfrastruktur, ekosystem och rekrytera människor. Alla de stora utvecklarna av kvantdatorer - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft och Rigetti, såväl som skaparna av kvantalgoritmerna 1QBit och Zapata välkomnade detta. Nationellt kvantinitiativ.

D-WAve pionjärer

2007 introducerade D-Wave Systems ett 128-qubit-chip (2), kallas världens första kvantdator. Det fanns dock ingen säkerhet om det kunde kallas så - bara hans verk visades utan några detaljer om hans konstruktion. 2009 utvecklade D-Wave Systems en "kvant" bildsökmotor för Google. I maj 2011 förvärvade Lockheed Martin en kvantdator från D-Wave Systems. D-våg ett för 10 miljoner dollar, samtidigt som man undertecknade ett flerårigt kontrakt för dess drift och utveckling av relaterade algoritmer.

2012 visade den här maskinen processen att hitta den spiralformade proteinmolekylen med lägst energi. Forskare från D-Wave Systems använder system med olika nummer qubits, utförde ett antal matematiska beräkningar, varav några var långt bortom kapaciteten hos klassiska datorer. Men i början av 2014 publicerade John Smolin och Graham Smith en artikel som hävdade att D-Wave Systems-maskinen inte var en maskin. Kort därefter presenterade Physics of Nature resultaten av experiment som bevisade att D-Wave One fortfarande är ...

Ett annat test som genomfördes i juni 2014 visade ingen skillnad mellan en klassisk dator och en D-Wave Systems-maskin, men företaget svarade att skillnaden bara var märkbar för mer komplexa uppgifter än de som löstes i testet. I början av 2017 presenterade företaget en maskin som skenbart består av 2 tusen qubitsvilket var 2500 gånger snabbare än de snabbaste klassiska algoritmerna. Och igen, två månader senare, visade en grupp forskare att denna jämförelse inte var korrekt. För många skeptiker är D-Wave-system fortfarande inte kvantdatorer utan deras simuleringar med klassiska metoder.

Den fjärde generationens D-Wave-system använder kvantglödgningoch qubit-tillstånden realiseras av supraledande kvantkretsar (baserade på de så kallade Josephson-övergångarna). De verkar i en miljö nära absolut noll och har ett system på 2048 qubits. I slutet av 2018 introducerades D-Wave på marknaden HOPPA, det vill säga din kvantapplikationsmiljö i realtid (KAE). Molnlösningen ger externa kunder tillgång till kvantdatorer i realtid.

I februari 2019 tillkännagav D-Wave nästa generation  Pegasus. Det tillkännagavs vara "världens mest omfattande kommersiella kvantsystem" med femton anslutningar per kvantbit istället för sex, med över 5 qubits och slå på brusreducering på en tidigare okänd nivå. Enheten bör finnas till försäljning i mitten av nästa år.

Qubits, eller superpositioner plus intrassling

Standarddatorprocessorer förlitar sig på paket eller bitar av information, som var och en representerar ett enda ja eller nej-svar. Quantumprocessorer är olika. De fungerar inte i en noll-ett-värld. armbågsben, är den minsta och odelbara enheten av kvantinformation det beskrivna tvådimensionella systemet Hilbert utrymme. Därför skiljer det sig från det klassiska beatet genom att det kan vara i någon överlagring två kvanttillstånd. Den fysiska modellen av en qubit ges oftast som ett exempel på en partikel med spin ½, såsom en elektron, eller polariseringen av en enskild foton.

För att utnyttja kraften i qubits måste du koppla dem genom en process som kallas förvirring. Med varje tillagd qubit, processorkraften dubbel själva, eftersom antalet förvecklingar åtföljs av intrasslingen av en ny qubit med alla tillstånd som redan är tillgängliga i processorn (3). Men att skapa och kombinera qubits och sedan säga åt dem att utföra intrikata beräkningar är ingen lätt uppgift. De stannar extremt känslig för yttre påverkanvilket kan leda till räknefel och i värsta fall till sönderfall av intrasslade qubits, d.v.s. dekoherenssom är kvantsystemens verkliga förbannelse. När ytterligare qubits läggs till ökar de negativa effekterna av yttre krafter. Ett sätt att hantera detta problem är att aktivera ytterligare qubits "KONTROLLERA"vars enda funktion är att kontrollera och korrigera utgången.

3. Symbolisk representation av 50-qubit IBM-systemet

Detta innebär dock att det kommer att behövas mer kraftfulla kvantdatorer, användbara för att lösa komplexa problem, som att bestämma hur proteinmolekyler viker sig eller simulera de fysiska processerna inuti atomer. många qubits. Tom Watson vid University of Delft i Nederländerna berättade nyligen för BBC News:

-

Kort sagt, om kvantdatorer ska ta fart måste du komma på ett enkelt sätt att producera stora och stabila qubit-processorer.

Eftersom qubits är instabila är det extremt svårt att skapa ett system med många av dem. Så om, i slutändan, qubits som ett koncept för kvantberäkning misslyckas, har forskare ett alternativ: qubit-kvantportar.

Ett team från Purdue University publicerade en studie i npj Quantum Information som beskriver deras skapelse. Det tror forskare kuditstill skillnad från qubits kan de existera i mer än två tillstånd, såsom 0, 1 och 2, och för varje adderat tillstånd ökar beräkningskraften för en qudit. Du behöver med andra ord koda och bearbeta samma mängd information. mindre ära än qubits.

För att skapa kvantportar som innehåller qudits kodade Purdue-teamet fyra qudits till två intrasslade fotoner vad gäller frekvens och tid. Teamet valde fotoner eftersom de inte påverkar miljön lika lätt, och att använda flera domäner möjliggjorde mer intrassling med färre fotoner. Den färdiga grinden hade en processorkraft på 20 qubits, även om den bara krävde fyra qudits, med ytterligare stabilitet på grund av användningen av fotoner, vilket gör det till ett lovande system för framtida kvantdatorer.

Kisel- eller jonfällor

Även om inte alla delar denna åsikt verkar användningen av kisel för att bygga kvantdatorer ha enorma fördelar, eftersom kiselteknologin är väletablerad och det redan finns en stor industri förknippad med den. Kisel används i Google och IBMs kvantprocessorer, även om det kyls till mycket låga temperaturer i dem. Det är inte idealiskt material för kvantsystem, men forskare arbetar på det.

Enligt en nyligen publicerad publikation i Nature använde ett team av forskare mikrovågsenergi för att rikta in två elektronpartiklar suspenderade i kisel och använde dem sedan för att utföra en serie testberäkningar. Gruppen, som i synnerhet inkluderade forskare från University of Wisconsin-Madison, "suspenderade" enstaka elektroniska qubits i en kiselstruktur, vars spinn bestämdes av energin från mikrovågsstrålning. I en superposition roterade en elektron samtidigt runt två olika axlar. De två qubits kombinerades sedan och programmerades för att utföra testberäkningar, varefter forskarna jämförde data som genererades av systemet med data som tagits emot från en standarddator som utförde samma testberäkningar. Efter att ha korrigerat data, en programmerbar tvåbitars kvantkiselprocessor.

Även om andelen fel fortfarande är mycket högre än i så kallade jonfällor (enheter där laddade partiklar som joner, elektroner, protoner lagras under en tid) eller datorer  Baserat på supraledare som D-Wave är prestationen fortfarande anmärkningsvärd eftersom det är extremt svårt att isolera qubits från externt brus. Specialister ser möjligheter att skala och förbättra systemet. Och användningen av kisel, ur teknisk och ekonomisk synvinkel, är här av central betydelse.

Men för många forskare är kisel inte framtiden för kvantdatorer. I december förra året dök det upp information om att ingenjörerna från det amerikanska företaget IonQ använde ytterbium för att skapa världens mest produktiva kvantdator, som överträffade D-Wave och IBM-system.

Resultatet var en maskin som innehöll en enda atom i en jonfälla (4) använder en enda data-qubit för kodning, och qubits styrs och mäts med hjälp av speciella laserpulser. Datorn har ett minne som kan lagra 160 qubits data. Den kan också utföra beräkningar samtidigt på 79 qubits.

4. Schema för IonQ-jonfällan

Forskare från IonQ genomförde ett standardtest av den så kallade Bernstein-Vaziransk algoritm. Maskinens uppgift var att gissa ett tal mellan 0 och 1023. Klassiska datorer tar elva gissningar för ett 10-bitars tal. Kvantdatorer använder två metoder för att gissa resultatet med 100 % säkerhet. Vid första försöket gissade IonQ-kvantdatorn i genomsnitt 73 % av de givna siffrorna. När algoritmen körs för valfritt tal mellan 1 och 1023 är framgångsfrekvensen för en normal dator 0,2 %, medan den för IonQ är 79 %.

IonQ-experter anser att system baserade på jonfällor är överlägsna de kiselkvantdatorer som Google och andra företag bygger. Deras 79-qubit-matris överträffar Googles Bristlecone-kvantprocessor med 7 qubits. IonQ-resultatet är också sensationellt när det kommer till systemupptid. Enligt skaparna av maskinen, för en enda qubit, ligger den kvar på 99,97%, vilket innebär en felfrekvens på 0,03%, medan de bästa resultaten av tävlingen var i genomsnitt cirka 0,5%. 99,3-bitars felfrekvensen för IonQ-enheten bör vara 95 %, medan de flesta av konkurrenterna inte överstiger XNUMX %.

Det är värt att tillägga det, enligt Googles forskare kvantöverlägsenhet – punkten där en kvantdator överträffar alla andra tillgängliga maskiner – kan redan nås med en kvantdator med 49 qubits, förutsatt att felfrekvensen på två-qubit-grindar är under 0,5 %. Men jonfällningsmetoden inom kvantberäkning står fortfarande inför stora hinder att övervinna: långsam exekveringstid och enorm storlek, såväl som teknikens noggrannhet och skalbarhet.

Högborg av chiffer i ruiner och andra konsekvenser

I januari 2019 vid CES 2019 meddelade IBM:s vd Ginni Rometty att IBM redan erbjuder ett integrerat kvantberäkningssystem för kommersiellt bruk. IBM kvantdatorer5) är fysiskt belägna i New York som en del av systemet IBM Q System One. Genom att använda Q Network och Q Quantum Computational Center kan utvecklare enkelt använda Qiskit-mjukvaran för att kompilera kvantalgoritmer. Således är beräkningskraften hos IBM kvantdatorer tillgänglig som cloud computing-tjänst, Rimligt prissatt.

D-Wave har också tillhandahållit sådana tjänster sedan en tid tillbaka, och andra stora aktörer (som Amazon) planerar liknande kvantmolnerbjudanden. Microsoft gick längre med introduktionen Q# programmeringsspråk (uttalas som) som kan fungera med Visual Studio och köras på en bärbar dator. Programmerare har ett verktyg för att simulera kvantalgoritmer och skapa en mjukvarubrygga mellan klassisk och kvantberäkning.

Frågan är dock, vad kan datorer och deras datorkraft egentligen vara användbara för? I en studie som publicerades i oktober förra året i tidskriften Science, försökte forskare från IBM, University of Waterloo och Technical University of München att approximera de typer av problem som kvantdatorer verkar vara bäst lämpade att lösa.

Enligt studien kommer sådana enheter att kunna lösa komplexa linjär algebra och optimeringsproblem. Det låter vagt, men det kan finnas möjligheter till enklare och billigare lösningar på frågor som i dagsläget kräver mycket ansträngning, resurser och tid, och ibland ligger utanför vår räckhåll.

5. IBM kvantdator

Användbar kvantberäkning diametralt förändra kryptografiområdet. Tack vare dem kunde krypteringskoder snabbt knäckas och ev. blockchain-teknik kommer att förstöras. RSA-kryptering verkar nu vara ett starkt och oförstörbart försvar som skyddar det mesta av data och kommunikation i världen. Men en tillräckligt kraftfull kvantdator kan lätt knäcka RSA-kryptering via Shoras algoritm.

Hur kan man förhindra det? Vissa förespråkar att längden på offentliga krypteringsnycklar ökar till den storlek som behövs för att övervinna kvantdekryptering. För andra bör den användas ensam för att säkerställa säker kommunikation. Tack vare kvantkryptografin skulle själva handlingen att avlyssna data korrumpera dem, varefter personen som stör partikeln inte skulle kunna få användbar information från den, och mottagaren skulle varnas för avlyssningsförsöket.

Potentiella tillämpningar av kvantberäkning nämns också ofta. ekonomisk analys och prognoser. Tack vare kvantsystem kan komplexa modeller av marknadsbeteende utökas till att omfatta många fler variabler än tidigare, vilket leder till mer exakta diagnoser och förutsägelser. Genom att samtidigt bearbeta tusentals variabler av en kvantdator skulle det också vara möjligt att minska den tid och kostnad som krävs för utveckling. nya läkemedel, transport- och logistiklösningar, leveranskedjor, klimatmodellersamt för att lösa många andra problem av gigantisk komplexitet.

Nevenas lag

De gamla datorernas värld hade sin egen Moores lag medan kvantdatorer måste styras av s.k. Nevenas lag. Han har sitt namn att tacka för en av de mest framstående kvantspecialisterna på Google, Hartmut Nevena (6), som säger att framsteg inom kvantdatorteknik för närvarande görs i dubbel exponentiell hastighet.

Detta innebär att istället för att fördubbla prestandan med successiva iterationer, som var fallet med klassiska datorer och Moores lag, förbättrar kvantteknologi prestandan mycket snabbare.

Experter förutspår tillkomsten av kvantöverlägsenhet, som inte bara kan översättas till kvantdatorers överlägsenhet över alla klassiska, utan också på andra sätt - som början på en era av användbara kvantdatorer. Detta kommer att bana väg för genombrott inom kemi, astrofysik, medicin, säkerhet, kommunikation och mer.

Det finns dock också en uppfattning att sådan överlägsenhet aldrig kommer att existera, åtminstone inte inom överskådlig framtid. En mildare version av skepsis är det kvantdatorer kommer aldrig att ersätta klassiska datorer eftersom de inte är designade för att göra det. Du kan inte ersätta en iPhone eller en PC med en kvantmaskin, precis som du inte kan ersätta tennisskor med ett atomflygfartyg.. Klassiska datorer låter dig spela spel, kolla e-post, surfa på webben och köra program. Kvantdatorer utför i de flesta fall simuleringar som är för komplexa för binära system som körs på datorbitar. Med andra ord kommer enskilda konsumenter nästan inte att få någon nytta av sin egen kvantdator, men de verkliga förmånstagarna av uppfinningen kommer att vara till exempel NASA eller Massachusetts Institute of Technology.

Tiden får utvisa vilket tillvägagångssätt som är lämpligast – IBM eller Google. Enligt Nevens lag är vi bara några månader från att se en fullständig demonstration av kvantöverlägsenhet av ett eller annat lag. Och detta är inte längre ett perspektiv "om tio år, det vill säga ingen vet när."