Ti år senere vet ingen når

For en mindre informert person som har lest en hel haug med publikasjoner om kvantedatamaskiner, kan man få inntrykk av at dette er "hyllevare" maskiner som fungerer på samme måte som vanlige datamaskiner. Ingenting kan være mer galt. Noen tror til og med at det ikke finnes kvantedatamaskiner ennå. Og andre lurer på hva de skal brukes til, siden de ikke er laget for å erstatte null-ett-systemer.

Vi hører ofte at de første virkelige og riktig fungerende kvantedatamaskinene vil dukke opp om omtrent et tiår. Imidlertid, som Linley Gwennap, sjefanalytiker ved Linley Group, bemerket i artikkelen, "når folk sier at en kvantedatamaskin vil dukke opp om ti år, vet de ikke når det vil skje."

Til tross for denne vage situasjonen, atmosfæren av konkurranse for den såkalte. kvantedominans. Bekymret for kvantearbeid og kinesernes suksess vedtok den amerikanske administrasjonen i desember i fjor National Quantum Initiative Act (1). Dokumentet er ment å gi føderal støtte til forskning, utvikling, demonstrasjon og anvendelse av kvantedatabehandling og teknologier. Om magiske ti år vil den amerikanske regjeringen bruke milliarder på å bygge kvantedatainfrastruktur, økosystemer og rekruttere folk. Alle de store utviklerne av kvantedatamaskiner - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft og Rigetti, samt skaperne av kvantealgoritmene 1QBit og Zapata ønsket dette velkommen. Nasjonalt kvanteinitiativ.

D-WAve pionerer

I 2007 introduserte D-Wave Systems en 128-qubit-brikke (2), er kalt verdens første kvantedatamaskin. Det var imidlertid ingen sikkerhet om det kunne kalles det - bare hans arbeid ble vist, uten noen detaljer om hans konstruksjon. I 2009 utviklet D-Wave Systems en "kvante" bildesøkemotor for Google. I mai 2011 kjøpte Lockheed Martin en kvantedatamaskin fra D-Wave Systems. D-bølge en for 10 millioner dollar, mens han signerte en flerårig kontrakt for drift og utvikling av relaterte algoritmer.

I 2012 demonstrerte denne maskinen prosessen med å finne det spiralformede proteinmolekylet med lavest energi. Forskere fra D-Wave Systems bruker systemer med forskjellige tall qubits, utførte en rekke matematiske beregninger, hvorav noen var langt utenfor evnene til klassiske datamaskiner. Imidlertid publiserte John Smolin og Graham Smith tidlig i 2014 en artikkel som hevdet at D-Wave Systems-maskinen ikke var en maskin. Kort tid etter presenterte Physics of Nature resultatene av eksperimenter som beviste at D-Wave One fortsatt er ...

En annen test i juni 2014 viste ingen forskjell mellom en klassisk datamaskin og en D-Wave Systems-maskin, men selskapet svarte at forskjellen bare var merkbar for oppgaver mer komplekse enn de som ble løst i testen. Tidlig i 2017 avduket selskapet en maskin som tilsynelatende består av 2 tusen qubitssom var 2500 ganger raskere enn de raskeste klassiske algoritmene. Og igjen, to måneder senere, beviste en gruppe forskere at denne sammenligningen ikke var nøyaktig. For mange skeptikere er D-Wave-systemer fortsatt ikke kvantedatamaskiner, men deres simuleringer ved bruk av klassiske metoder.

Fjerde generasjon D-Wave-systemet bruker kvanteutglødningerog qubit-tilstandene realiseres av superledende kvantekretser (basert på de såkalte Josephson-kryssene). De opererer i et miljø nær absolutt null og har et system på 2048 qubits. På slutten av 2018 introduserte D-Wave til markedet SPRETTE, det vil si din sanntids kvanteapplikasjonsmiljø (KAE). Skyløsningen gjør det mulig for eksterne klienter å få tilgang til kvantedatabehandling i sanntid.

I februar 2019 annonserte D-Wave neste generasjon  Pegasus. Det ble annonsert å være "verdens mest omfattende kommersielle kvantesystem" med femten tilkoblinger per qubit i stedet for seks, med over 5 qubits og slå på støyreduksjon på et tidligere ukjent nivå. Enheten skal komme i salg i midten av neste år.

Qubits, eller superposisjoner pluss sammenfiltring

Standard dataprosessorer er avhengige av pakker eller deler av informasjon, som hver representerer et enkelt ja eller nei-svar. Kvanteprosessorer er forskjellige. De fungerer ikke i en null-en verden. albuebein, den minste og udelelige enheten av kvanteinformasjon er det beskrevne todimensjonale systemet Hilbert plass. Derfor skiller den seg fra den klassiske beaten ved at den kan være i enhver superposisjon to kvantetilstander. Den fysiske modellen av en qubit er oftest gitt som et eksempel på en partikkel med spin ½, for eksempel et elektron, eller polarisasjonen av et enkelt foton.

For å utnytte kraften til qubits, må du koble dem gjennom en prosess som kalles forvirring. Med hver lagt til qubit, prosessorkraften til prosessoren dobler selv, siden antallet sammenfiltringer er ledsaget av sammenfiltringen av en ny qubit med alle tilstandene som allerede er tilgjengelige i prosessoren (3). Men å lage og kombinere qubits, og deretter fortelle dem om å utføre intrikate beregninger, er ikke en lett oppgave. De blir ekstremt følsom for ytre påvirkningersom kan føre til regnefeil og i verste fall til forfall av sammenfiltrede qubits, dvs. dekoherenssom er kvantesystemenes virkelige forbannelse. Etter hvert som ytterligere qubits legges til, øker de negative effektene av ytre krefter. En måte å håndtere dette problemet på er å aktivere ytterligere qubits "KONTROLL"hvis eneste funksjon er å kontrollere og korrigere utgangen.

3. Symbolsk representasjon av 50-qubit IBM-systemet

Dette betyr imidlertid at det vil være behov for kraftigere kvantedatamaskiner, nyttige for å løse komplekse problemer, for eksempel å bestemme hvordan proteinmolekyler folder seg eller simulere de fysiske prosessene inne i atomer. mange qubits. Tom Watson fra University of Delft i Nederland fortalte nylig BBC News:

-

Kort sagt, hvis kvantedatamaskiner skal ta av, må du finne en enkel måte å produsere store og stabile qubit-prosessorer på.

Siden qubits er ustabile, er det ekstremt vanskelig å lage et system med mange av dem. Så hvis qubits som et konsept for kvanteberegning til slutt mislykkes, har forskerne et alternativ: qubit kvanteporter.

Et team fra Purdue University publiserte en studie i npj Quantum Information som beskriver deres opprettelse. Forskere tror det kuditsi motsetning til qubits, kan de eksistere i mer enn to tilstander, for eksempel 0, 1 og 2, og for hver addert tilstand øker beregningskraften til en qudit. Du må med andre ord kode og behandle samme mengde informasjon. mindre ære enn qubits.

For å lage kvanteporter som inneholder qudits, kodet Purdue-teamet fire qudits til to sammenfiltrede fotoner når det gjelder frekvens og tid. Teamet valgte fotoner fordi de ikke påvirker miljøet like lett, og bruk av flere domener muliggjorde mer sammenfiltring med færre fotoner. Den ferdige porten hadde en prosessorkraft på 20 qubits, selv om den bare krevde fire qudits, med ekstra stabilitet på grunn av bruken av fotoner, noe som gjorde den til et lovende system for fremtidige kvantedatamaskiner.

Silisium- eller ionefeller

Selv om ikke alle deler denne oppfatningen, ser det ut til at bruken av silisium for å lage kvantedatamaskiner har store fordeler, siden silisiumteknologi er veletablert og en stor industri allerede er knyttet til den. Silisium brukes i kvanteprosessorene til Google og IBM, selv om det avkjøles i dem til svært lave temperaturer. Det er ikke ideelt materiale for kvantesystemer, men forskere jobber med det.

I følge en fersk publikasjon i Nature brukte et team av forskere mikrobølgeenergi for å justere to elektronpartikler suspendert i silisium og deretter brukte dem til å utføre en serie testberegninger. Gruppen, som spesielt inkluderte forskere fra University of Wisconsin-Madison "suspenderte" enkeltelektron-qubits i en silisiumstruktur, hvis spinn ble bestemt av energien til mikrobølgestråling. I en superposisjon roterte et elektron samtidig rundt to forskjellige akser. De to qubitene ble deretter kombinert og programmert til å utføre testberegninger, hvoretter forskerne sammenlignet dataene generert av systemet med data mottatt fra en standard datamaskin som utførte de samme testberegningene. Etter å ha korrigert dataene, en programmerbar to-bits kvantesilisiumprosessor.

Selv om prosentandelen av feil fortsatt er mye høyere enn i såkalte ionefeller (enheter der ladede partikler som ioner, elektroner, protoner er lagret en stund) eller datamaskiner  basert på superledere som D-Wave, er prestasjonen fortsatt bemerkelsesverdig ettersom det er ekstremt vanskelig å isolere qubits fra ekstern støy. Spesialister ser muligheter for å skalere og forbedre systemet. Og bruken av silisium, fra et teknologisk og økonomisk synspunkt, er sentralt her.

For mange forskere er imidlertid ikke silisium fremtiden til kvantedatamaskiner. I desember i fjor dukket det opp informasjon om at ingeniørene i det amerikanske selskapet IonQ brukte ytterbium for å lage verdens mest produktive kvantedatamaskin, som overgikk D-Wave og IBM-systemer.

Resultatet var en maskin som inneholdt et enkelt atom i en ionefelle (4) bruker en enkelt data-qubit for koding, og qubits blir kontrollert og målt ved hjelp av spesielle laserpulser. Datamaskinen har et minne som kan lagre 160 qubits med data. Den kan også utføre beregninger samtidig på 79 qubits.

4. Opplegg for IonQ ionefelle

Forskere fra IonQ gjennomførte en standardtest av den såkalte Bernstein-Vaziransk algoritme. Maskinens oppgave var å gjette et tall mellom 0 og 1023. Klassiske datamaskiner tar elleve gjetninger for et 10-bits tall. Kvantedatamaskiner bruker to tilnærminger for å gjette resultatet med 100 % sikkerhet. På det første forsøket gjettet IonQ kvantedatamaskinen et gjennomsnitt på 73 % av de gitte tallene. Når algoritmen kjøres for et hvilket som helst tall mellom 1 og 1023, er suksessraten for en vanlig datamaskin 0,2 %, mens den for IonQ er 79 %.

IonQ-eksperter mener at systemer basert på ionefeller er overlegne silisiumkvantedatamaskiner som Google og andre selskaper bygger. Deres 79-qubit-matrise overgår Googles Bristlecone-kvanteprosessor med 7 qubits. IonQ-resultatet er også oppsiktsvekkende når det kommer til systemoppetid. Ifølge skaperne av maskinen, for en enkelt qubit, forblir den på 99,97%, noe som betyr en feilrate på 0,03%, mens de beste resultatene av konkurransen var i gjennomsnitt omtrent 0,5%. 99,3-bits feilraten for IonQ-enheten skal være 95 %, mens det meste av konkurransen ikke overstiger XNUMX %.

Det er verdt å legge til, ifølge Google-forskere kvanteoverlegenhet – punktet der en kvantedatamaskin utkonkurrerer alle andre tilgjengelige maskiner – kan allerede nås med en kvantedatamaskin med 49 qubits, forutsatt at feilraten på to-qubit-porter er under 0,5 %. Ionefellemetoden innen kvanteberegning står imidlertid fortsatt overfor store hindringer å overvinne: langsom utførelsestid og enorm størrelse, samt nøyaktigheten og skalerbarheten til teknologien.

Høyborg av chiffer i ruiner og andre konsekvenser

I januar 2019 på CES 2019 kunngjorde IBM-sjef Ginni Rometty at IBM allerede tilbyr et integrert kvantedatabehandlingssystem for kommersiell bruk. IBM kvantedatamaskiner5) er fysisk lokalisert i New York som en del av systemet IBM Q System One. Ved å bruke Q Network og Q Quantum Computational Center kan utviklere enkelt bruke Qiskit-programvaren til å kompilere kvantealgoritmer. Dermed er datakraften til IBM kvantedatamaskiner tilgjengelig som cloud computing-tjeneste, fornuftig priset.

D-Wave har også levert slike tjenester en stund nå, og andre store aktører (som Amazon) planlegger lignende kvanteskytilbud. Microsoft gikk videre med introduksjonen Q# programmeringsspråk (uttales som) som kan fungere med Visual Studio og kjøre på en bærbar datamaskin. Programmerere har et verktøy for å simulere kvantealgoritmer og lage en programvarebro mellom klassisk og kvantedatabehandling.

Spørsmålet er imidlertid, hva kan datamaskiner og deres datakraft egentlig være nyttig for? I en studie publisert i oktober i fjor i tidsskriftet Science, forsøkte forskere fra IBM, University of Waterloo og Technical University of München å tilnærme typene problemer som kvantedatamaskiner synes best egnet til å løse.

Ifølge studien vil slike enheter kunne løse komplekse lineær algebra og optimaliseringsproblemer. Det høres vagt ut, men det kan være muligheter for enklere og billigere løsninger på problemstillinger som i dag krever mye innsats, ressurser og tid, og noen ganger er utenfor vår rekkevidde.

5. IBM kvantedatamaskin

Nyttig kvanteberegning diametralt endre feltet for kryptografi. Takket være dem kunne krypteringskoder raskt knekkes, og muligens blokkjedeteknologi vil bli ødelagt. RSA-kryptering ser nå ut til å være et sterkt og uforgjengelig forsvar som beskytter det meste av data og kommunikasjon i verden. Imidlertid kan en tilstrekkelig kraftig kvantedatamaskin enkelt knekke RSA-kryptering via Shoras algoritme.

Hvordan forhindre det? Noen tar til orde for å øke lengden på offentlige krypteringsnøkler til den størrelsen som trengs for å overvinne kvantedekryptering. For andre bør den brukes alene for å sikre sikker kommunikasjon. Takket være kvantekryptografi ville selve handlingen med å avskjære dataene ødelegge dem, hvoretter personen som forstyrrer partikkelen ikke ville kunne få nyttig informasjon fra den, og mottakeren ville bli advart om avlyttingsforsøket.

Potensielle anvendelser av kvanteberegning er også ofte nevnt. økonomisk analyse og prognoser. Takket være kvantesystemer kan komplekse modeller for markedsatferd utvides til å inkludere mange flere variabler enn før, noe som fører til mer nøyaktige diagnoser og spådommer. Ved samtidig å behandle tusenvis av variabler av en kvantedatamaskin, vil det også være mulig å redusere tiden og kostnadene som kreves for utvikling. nye legemidler, transport- og logistikkløsninger, forsyningskjeder, klimamodellerså vel som for å løse mange andre problemer av gigantisk kompleksitet.

Nevenas lov

De gamle datamaskinenes verden hadde sin egen Moores lov, mens kvantedatamaskiner må styres av den s.k. Nevenas lov. Han skylder navnet sitt til en av de mest fremtredende kvantespesialistene hos Google, Hartmut Nevena (6), som sier at fremskritt innen kvantedatabehandlingsteknologi for tiden gjøres i dobbel eksponentiell hastighet.

Dette betyr at i stedet for å doble ytelsen med påfølgende iterasjoner, slik tilfellet var med klassiske datamaskiner og Moores lov, forbedrer kvanteteknologi ytelsen mye raskere.

Eksperter spår fremkomsten av kvanteoverlegenhet, som ikke bare kan oversettes til kvantedatamaskiners overlegenhet over alle klassiske, men også på andre måter - som begynnelsen på en æra med nyttige kvantedatamaskiner. Dette vil bane vei for gjennombrudd innen kjemi, astrofysikk, medisin, sikkerhet, kommunikasjon og mer.

Det er imidlertid også en oppfatning om at slik overlegenhet aldri vil eksistere, i hvert fall ikke i overskuelig fremtid. En mildere versjon av skepsis er det kvantedatamaskiner vil aldri erstatte klassiske datamaskiner fordi de ikke er laget for å gjøre det. Du kan ikke erstatte en iPhone eller en PC med en kvantemaskin, akkurat som du ikke kan erstatte tennissko... med et atom hangarskip.. Klassiske datamaskiner lar deg spille spill, sjekke e-post, surfe på nettet og kjøre programmer. Kvantedatamaskiner utfører i de fleste tilfeller simuleringer som er for komplekse for binære systemer som kjører på databiter. Med andre ord vil individuelle forbrukere nesten ikke få noen fordel av sin egen kvantedatamaskin, men de virkelige fordelene av oppfinnelsen vil for eksempel være NASA eller Massachusetts Institute of Technology.

Tiden vil vise hvilken tilnærming som er mer passende – IBM eller Google. I følge Nevens lov er vi bare noen få måneder unna å se en fullstendig demonstrasjon av kvanteoverlegenhet fra ett eller annet lag. Og dette er ikke lenger et prospekt "om ti år, det vil si at ingen vet når."