Ti år senere ved ingen hvornår

For en mindre oplyst person, der har læst en hel bunke publikationer om kvantecomputere, kan man få det indtryk, at det er "hyldevare" maskiner, der fungerer på samme måde som almindelige computere. Intet kunne være mere galt. Nogle mener endda, at der endnu ikke findes kvantecomputere. Og andre spekulerer på, hvad de skal bruges til, da de ikke er designet til at erstatte nul-én-systemer.

Vi hører ofte, at de første rigtige og korrekt fungerende kvantecomputere vil dukke op om omkring et årti. Men som Linley Gwennap, chefanalytiker hos Linley Group, bemærkede i artiklen, "når folk siger, at en kvantecomputer vil dukke op om ti år, ved de ikke, hvornår det vil ske."

På trods af denne vage situation, atmosfæren af ​​konkurrence for de såkaldte. kvantedominans. Bekymret over kvantearbejde og kinesernes fremskridt vedtog den amerikanske administration National Quantum Initiative Act i december sidste år.1). Dokumentet er beregnet til at yde føderal støtte til forskning, udvikling, demonstration og anvendelse af kvantecomputere og teknologier. Om magiske ti år vil den amerikanske regering bruge milliarder på at bygge kvantecomputerinfrastruktur, økosystemer og rekruttere folk. Alle de store udviklere af kvantecomputere - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft og Rigetti, såvel som skaberne af kvantealgoritmerne 1QBit og Zapata hilste dette velkommen. Nationalt kvanteinitiativ.

D-WAve pionerer

I 2007 introducerede D-Wave Systems en 128-qubit chip (2), Hedder verdens første kvantecomputer. Der var dog ingen sikkerhed for, om det kunne hedde det - kun hans værk blev vist, uden nogen detaljer om hans konstruktion. I 2009 udviklede D-Wave Systems en "kvante" billedsøgemaskine til Google. I maj 2011 købte Lockheed Martin en kvantecomputer fra D-Wave Systems. D-bølge en for 10 millioner dollars, mens han underskrev en flerårig kontrakt for drift og udvikling af relaterede algoritmer.

I 2012 demonstrerede denne maskine processen med at finde det spiralformede proteinmolekyle med den laveste energi. Forskere fra D-Wave Systems bruger systemer med forskellige tal qubits, udførte en række matematiske beregninger, hvoraf nogle var langt ud over de klassiske computeres muligheder. Men i begyndelsen af ​​2014 publicerede John Smolin og Graham Smith en artikel, der hævdede, at D-Wave Systems-maskinen ikke var en maskine. Kort efter præsenterede Physics of Nature resultaterne af eksperimenter, der beviste, at D-Wave One stadig er ...

En anden test udført i juni 2014 viste ingen forskel mellem en klassisk computer og en D-Wave Systems-maskine, men virksomheden svarede, at forskellen kun var mærkbar for mere komplekse opgaver end dem, der blev løst i testen. I begyndelsen af ​​2017 afslørede virksomheden en maskine, der angiveligt består af 2 tusinde qubitshvilket var 2500 gange hurtigere end de hurtigste klassiske algoritmer. Og igen, to måneder senere, beviste en gruppe videnskabsmænd, at denne sammenligning ikke var nøjagtig. For mange skeptikere er D-Wave-systemer stadig ikke kvantecomputere, men deres simuleringer ved hjælp af klassiske metoder.

Den fjerde generation af D-Wave system bruger kvanteudglødningerog tilstandene af en qubit realiseres af superledende kvantekredsløb (baseret på de såkaldte Josephson-forbindelser). De opererer i et miljø tæt på det absolutte nulpunkt og kan prale af et system på 2048 qubits. I slutningen af ​​2018 introducerede D-Wave til markedet Bounce, altså din kvanteapplikationsmiljø i realtid (KAE). Cloud-løsningen gør det muligt for eksterne klienter at få adgang til kvantecomputere i realtid.

I februar 2019 annoncerede D-Wave den næste generation  Pegasus. Det blev annonceret til at være "verdens mest omfattende kommercielle kvantesystem" med femten forbindelser pr. qubit i stedet for seks, med over 5 qubits og slå støjreduktion til på et hidtil ukendt niveau. Enheden skulle komme til salg i midten af ​​næste år.

Qubits eller superpositioner plus sammenfiltring

Standard computerprocessorer er afhængige af pakker eller stykker information, der hver repræsenterer et enkelt ja eller nej svar. Kvanteprocessorer er forskellige. De virker ikke i en nul-en verden. albue knogle, den mindste og udelelige enhed af kvanteinformation er det beskrevne todimensionelle system hilbert plads. Derfor adskiller den sig fra det klassiske beat ved, at den kan være i enhver superposition to kvantetilstande. Den fysiske model af en qubit er oftest givet som et eksempel på en partikel med spin ½, såsom en elektron, eller polariseringen af ​​en enkelt foton.

For at udnytte kraften i qubits skal du forbinde dem gennem en proces kaldet forvirring. Med hver tilføjet qubit, processorkraften fordobler selv, da antallet af sammenfiltringer er ledsaget af sammenfiltringen af ​​en ny qubit med alle de tilstande, der allerede er tilgængelige i processoren (3). Men at skabe og kombinere qubits og derefter fortælle dem at udføre indviklede beregninger er ingen nem opgave. De bliver ekstremt følsom over for ydre påvirkningerhvilket kan føre til regnefejl og i værste fald til henfald af sammenfiltrede qubits, dvs. dekohærenssom er kvantesystemernes virkelige forbandelse. Efterhånden som yderligere qubits tilføjes, øges de negative virkninger af eksterne kræfter. En måde at håndtere dette problem på er at aktivere yderligere qubits "Styring"hvis eneste funktion er at kontrollere og korrigere output.

3. Symbolsk repræsentation af 50-qubit IBM-systemet

Dette betyder dog, at der vil være brug for mere kraftfulde kvantecomputere, nyttige til at løse komplekse problemer, såsom at bestemme, hvordan proteinmolekyler folder eller simulere de fysiske processer inde i atomer. meget qubit. Tom Watson fra University of Delft i Holland fortalte for nylig BBC News:

-

Kort sagt, hvis kvantecomputere skal tage fart, skal du finde på en nem måde at producere store og stabile qubit-processorer på.

Da qubits er ustabile, er det ekstremt svært at skabe et system med mange af dem. Så hvis qubits som koncept for kvanteberegning i sidste ende fejler, har forskerne et alternativ: qubit kvanteporte.

Et hold fra Purdue University offentliggjorde en undersøgelse i npj Quantum Information, der beskriver deres skabelse. Det tror forskere kuditsi modsætning til qubits kan de eksistere i mere end to tilstande, såsom 0, 1 og 2, og for hver tilføjet tilstand øges beregningskraften af ​​en qudit. Du skal med andre ord indkode og behandle den samme mængde information. mindre herlighed end qubits.

For at skabe kvanteporte, der indeholder qudits, kodede Purdue-teamet fire qudits til to sammenfiltrede fotoner med hensyn til frekvens og tid. Holdet valgte fotoner, fordi de ikke påvirker miljøet så let, og at bruge flere domæner gav mulighed for mere sammenfiltring med færre fotoner. Den færdige gate havde en processorkraft på 20 qubits, selvom den kun krævede fire qudits, med yderligere stabilitet på grund af brugen af ​​fotoner, hvilket gør det til et lovende system for fremtidige kvantecomputere.

Silicium- eller ionfælder

Selvom ikke alle deler denne opfattelse, synes brugen af ​​silicium til at skabe kvantecomputere at have enorme fordele, da siliciumteknologien er veletableret, og en stor industri allerede er forbundet med den. Silicium bruges i Google og IBM kvanteprocessorer, selvom det afkøles til meget lave temperaturer i dem. Det er ikke ideelt materiale til kvantesystemer, men videnskabsmænd arbejder på det.

Ifølge en nylig publikation i Nature brugte et team af forskere mikrobølgeenergi til at justere to elektronpartikler suspenderet i silicium og brugte dem derefter til at udføre en række testberegninger. Gruppen, som især omfattede forskere fra University of Wisconsin-Madison, "suspenderede" enkelte elektroniske qubits i en siliciumstruktur, hvis spin blev bestemt af energien fra mikrobølgestråling. I en superposition roterede en elektron samtidigt omkring to forskellige akser. De to qubits blev derefter kombineret og programmeret til at udføre testberegninger, hvorefter forskerne sammenlignede data genereret af systemet med data modtaget fra en standardcomputer, der udførte de samme testberegninger. Efter at have rettet dataene, en programmerbar to-bit kvante silicium processor.

Selvom procentdelen af ​​fejl stadig er meget højere end i såkaldte ionfælder (enheder, der opbevarer ladede partikler i nogen tid, såsom ioner, elektroner, protoner) eller computere  baseret på superledere såsom D-Wave, er præstationen stadig bemærkelsesværdig, da det er ekstremt vanskeligt at isolere qubits fra ekstern støj. Specialister ser muligheder for at skalere og forbedre systemet. Og brugen af ​​silicium, fra et teknologisk og økonomisk synspunkt, er af central betydning her.

For mange forskere er silicium dog ikke fremtiden for kvantecomputere. I december sidste år dukkede oplysninger op om, at ingeniørerne fra det amerikanske firma IonQ brugte ytterbium til at skabe verdens mest produktive kvantecomputer, der overgik D-Wave og IBM-systemer.

Resultatet var en maskine, der indeholdt et enkelt atom i en ionfælde (4) bruger en enkelt data-qubit til kodning, og qubits styres og måles ved hjælp af specielle laserimpulser. Computeren har en hukommelse, der kan lagre 160 qubits data. Den kan også udføre beregninger samtidigt på 79 qubits.

4. Skema for IonQ-ionfælden

Forskere fra IonQ gennemførte en standardtest af den såkaldte Bernstein-Waziraniego algoritme. Maskinens opgave var at gætte et tal mellem 0 og 1023. Klassiske computere har brug for elleve gæt for et 10-bit tal. Kvantecomputere bruger to metoder til at gætte resultatet med 100 % sikkerhed. I første forsøg gættede IonQ kvantecomputeren et gennemsnit på 73 % af de givne tal. Når algoritmen køres for et hvilket som helst tal mellem 1 og 1023, er succesraten for en normal computer 0,2%, mens den for IonQ er 79%.

IonQ-eksperter mener, at systemer baseret på ionfælder er overlegne i forhold til de siliciumkvantecomputere, som Google og andre virksomheder bygger. Deres 79-qubit matrix overgår Googles Bristlecone kvanteprocessor med 7 qubits. IonQ-resultatet er også sensationelt, når det kommer til systemets oppetid. Ifølge skaberne af maskinen forbliver den for en enkelt qubit på 99,97%, hvilket betyder en fejlrate på 0,03%, mens de bedste resultater af konkurrencen i gennemsnit var omkring 0,5%. To-bit fejlraten for IonQ-enheden bør være på 99,3 %, mens de fleste konkurrenter ikke overstiger 95 %.

Det er værd at tilføje, ifølge Google-forskere kvanteovermagt – det punkt, hvor en kvantecomputer overgår alle andre tilgængelige maskiner – kan allerede nås med en kvantecomputer med 49 qubits, forudsat at fejlraten på to-qubit-gates er under 0,5 %. Ionfældemetoden inden for kvanteberegning står dog stadig over for store forhindringer at overvinde: langsom udførelsestid og enorm størrelse samt teknologiens nøjagtighed og skalerbarhed.

Højborg af cifre i ruiner og andre konsekvenser

I januar 2019 på CES 2019 annoncerede IBM CEO Ginni Rometty, at IBM allerede tilbyder et integreret kvantecomputersystem til kommerciel brug. IBM kvantecomputere5) er fysisk placeret i New York som en del af systemet IBM Q System One. Ved at bruge Q Network og Q Quantum Computational Center kan udviklere nemt bruge Qiskit-softwaren til at kompilere kvantealgoritmer. Således er IBM kvantecomputeres regnekraft tilgængelig som cloud computing-tjeneste, rimeligt prissat.

D-Wave har også leveret sådanne tjenester i nogen tid, og andre store aktører (såsom Amazon) planlægger lignende kvantesky-tilbud. Microsoft gik videre med introduktionen Q# programmeringssprog (udtales som), der kan arbejde med Visual Studio og køre på en bærbar computer. Programmører har et værktøj til at simulere kvantealgoritmer og skabe en softwarebro mellem klassisk og kvanteberegning.

Spørgsmålet er dog, hvad computere og deres computerkraft egentlig kan være nyttige til? I en undersøgelse offentliggjort i oktober sidste år i tidsskriftet Science, forsøgte forskere fra IBM, University of Waterloo og det tekniske universitet i München at tilnærme de typer problemer, som kvantecomputere synes bedst egnede til at løse.

Ifølge undersøgelsen vil sådanne enheder være i stand til at løse komplekse lineær algebra og optimeringsproblemer. Det lyder vagt, men der kan være muligheder for enklere og billigere løsninger på problemer, der i øjeblikket kræver mange kræfter, ressourcer og tid, og nogle gange er uden for vores rækkevidde.

5. IBM kvantecomputer

Nyttig kvanteberegning diametralt ændre kryptografiområdet. Takket være dem kunne krypteringskoder hurtigt knækkes og evt. blockchain-teknologi vil blive ødelagt. RSA-kryptering ser nu ud til at være et stærkt og uforgængeligt forsvar, der beskytter det meste af data og kommunikation i verden. En tilstrækkelig kraftig kvantecomputer kan dog sagtens knække RSA-kryptering via Algoritme Shora.

Hvordan forebygger man det? Nogle går ind for at øge længden af ​​offentlige krypteringsnøgler til den størrelse, der er nødvendig for at overvinde kvantedekryptering. For andre bør det bruges alene for at sikre sikker kommunikation. Takket være kvantekryptografien ville selve handlingen med at opsnappe dataene ødelægge dem, hvorefter den person, der forstyrrede partiklen, ikke ville være i stand til at få brugbar information fra den, og modtageren ville blive advaret om aflytningsforsøget.

Potentielle anvendelser af kvanteberegning nævnes også ofte. økonomiske analyser og prognoser. Takket være kvantesystemer kan komplekse modeller for markedsadfærd udvides til at omfatte mange flere variabler end før, hvilket fører til mere præcise diagnoser og forudsigelser. Ved samtidig at behandle tusindvis af variabler af en kvantecomputer, ville det også være muligt at reducere den tid og omkostninger, der kræves til udvikling. nye lægemidler, transport- og logistikløsninger, forsyningskæder, klimamodellersamt til at løse mange andre problemer af gigantisk kompleksitet.

Morgenfrue lov

De gamle computeres verden havde sin egen Moores lov, mens kvantecomputere skal være styret af den såkaldte Morgenfrue lov. Han skylder sit navn til en af ​​de mest fremtrædende kvantespecialister hos Google, Hartmut Nevena (6), som fastslår, at der i øjeblikket sker fremskridt inden for kvantecomputerteknologi dobbelt eksponentiel hastighed.

Det betyder, at i stedet for at fordoble ydeevnen med successive iterationer, som det var tilfældet med klassiske computere og Moores lov, forbedrer kvanteteknologi ydeevnen meget hurtigere.

Eksperter forudsiger fremkomsten af ​​kvanteoverlegenhed, som ikke kun kan oversættes til kvantecomputeres overlegenhed over alle klassiske, men også på andre måder - som begyndelsen på en æra med nyttige kvantecomputere. Dette vil bane vejen for gennembrud inden for kemi, astrofysik, medicin, sikkerhed, kommunikation og mere.

Der er dog også en opfattelse af, at en sådan overlegenhed aldrig vil eksistere, i hvert fald ikke inden for en overskuelig fremtid. En mildere version af skepsis er det kvantecomputere vil aldrig erstatte klassiske computere, fordi de ikke er designet til at gøre det. Du kan ikke erstatte en iPhone eller en pc med en kvantemaskine, ligesom du ikke kan erstatte tennissko med et atomhangarskib.. Klassiske computere giver dig mulighed for at spille spil, tjekke e-mail, surfe på nettet og køre programmer. Kvantecomputere udfører i de fleste tilfælde simuleringer, der er for komplekse til binære systemer, der kører på computerbits. Med andre ord vil individuelle forbrugere næsten ikke få nogen fordel af deres egen kvantecomputer, men de reelle fordele ved opfindelsen vil for eksempel være NASA eller Massachusetts Institute of Technology.

Tiden vil vise, hvilken tilgang der er mest passende - IBM eller Google. Ifølge Nevens lov er vi kun et par måneder fra at se en fuld demonstration af kvanteoverlegenhed fra et eller andet hold. Og dette er ikke længere en udsigt "om ti år, det vil sige, ingen ved hvornår."