Makalipas ang sampung taon walang nakakaalam kung kailan

Para sa isang hindi gaanong kaalaman na nakabasa ng maraming publikasyon tungkol sa mga quantum computer, maaaring magkaroon ng impresyon na ang mga ito ay "off-the-shelf" na mga makina na gumagana sa parehong paraan tulad ng mga ordinaryong computer. Wala nang maaaring maging mas mali. May mga naniniwala pa nga na wala pang quantum computers. At ang iba ay nagtataka kung para saan sila gagamitin, dahil hindi sila idinisenyo upang palitan ang mga zero-one system.

Madalas nating marinig na ang unang tunay at maayos na gumaganang mga quantum computer ay lilitaw sa humigit-kumulang isang dekada. Gayunpaman, gaya ng sinabi ni Linley Gwennap, punong analyst sa Linley Group, sa artikulo, "kapag sinabi ng mga tao na lilitaw ang isang quantum computer sa loob ng sampung taon, hindi nila alam kung kailan ito mangyayari."

Sa kabila ng hindi malinaw na sitwasyong ito, ang kapaligiran ng kumpetisyon para sa tinatawag na. quantum dominance. Nag-aalala tungkol sa quantum work at tagumpay ng mga Chinese, ipinasa ng US administration noong Disyembre ang National Quantum Initiative Act (1). Ang dokumento ay inilaan upang magbigay ng pederal na suporta para sa pananaliksik, pagpapaunlad, pagpapakita, at aplikasyon ng quantum computing at mga teknolohiya. Sa isang mahiwagang sampung taon, gagastos ang gobyerno ng US ng bilyun-bilyong pagtatayo ng imprastraktura sa quantum computing, ecosystem, at pagre-recruit ng mga tao. Tinanggap ito ng lahat ng pangunahing developer ng mga quantum computer - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft at Rigetti, pati na rin ang mga tagalikha ng mga quantum algorithm na 1QBit at Zapata. Pambansang Quantum Initiative.

D-WAve Pioneers

Noong 2007, ipinakilala ng D-Wave Systems ang isang 128-qubit chip (2), ay tinatawag na ang unang quantum computer sa mundo. Gayunpaman, walang katiyakan kung ito ay matatawag na - ang kanyang gawa lamang ang ipinakita, nang walang anumang mga detalye ng kanyang pagtatayo. Noong 2009, binuo ng D-Wave Systems ang isang "quantum" image search engine para sa Google. Noong Mayo 2011, nakuha ni Lockheed Martin ang isang quantum computer mula sa D-Wave Systems. D-wave one para sa $ 10 milyon, habang pinipirmahan ang isang multi-year na kontrata para sa pagpapatakbo nito at pagbuo ng mga kaugnay na algorithm.

Noong 2012, ipinakita ng makinang ito ang proseso ng paghahanap ng helical protein molecule na may pinakamababang enerhiya. Ang mga mananaliksik mula sa D-Wave Systems ay gumagamit ng mga system na may iba't ibang numero mga qubit, nagsagawa ng ilang mga kalkulasyon sa matematika, ang ilan sa mga ito ay lampas sa mga kakayahan ng mga klasikal na computer. Gayunpaman, noong unang bahagi ng 2014, naglathala sina John Smolin at Graham Smith ng isang artikulo na nagsasabing ang makina ng D-Wave Systems ay hindi isang makina. Di-nagtagal pagkatapos noon, ipinakita ng Physics of Nature ang mga resulta ng mga eksperimento na nagpapatunay na ang D-Wave One ay pa rin ...

Ang isa pang pagsubok noong Hunyo 2014 ay nagpakita ng walang pagkakaiba sa pagitan ng isang klasikong computer at isang D-Wave Systems machine, ngunit tumugon ang kumpanya na ang pagkakaiba ay kapansin-pansin lamang para sa mga gawaing mas kumplikado kaysa sa mga nalutas sa pagsubok. Noong unang bahagi ng 2017, inilabas ng kumpanya ang isang makina na tila binubuo ng 2 libong qubitsna 2500 beses na mas mabilis kaysa sa pinakamabilis na mga klasikal na algorithm. At muli, pagkaraan ng dalawang buwan, napatunayan ng isang grupo ng mga siyentipiko na hindi tumpak ang paghahambing na ito. Para sa maraming mga nag-aalinlangan, ang mga D-Wave system ay hindi pa rin mga quantum computer, ngunit ang mga ito mga simulation gamit ang mga klasikal na pamamaraan.

Ginagamit ng ika-apat na henerasyong D-Wave system quantum annealingsat ang mga estado ng isang qubit ay natanto sa pamamagitan ng superconducting quantum circuits (batay sa tinatawag na Josephson junctions). Gumagana sila sa isang kapaligiran na malapit sa absolute zero at ipinagmamalaki ang isang sistema ng 2048 qubits. Sa pagtatapos ng 2018, ipinakilala ang D-Wave sa merkado JUMP, ibig sabihin, iyong real-time na kapaligiran ng quantum application (KAE). Ang solusyon sa ulap ay nagbibigay-daan sa mga panlabas na kliyente na ma-access ang quantum computing sa real time.

Noong Pebrero 2019, inihayag ng D-Wave ang susunod na henerasyon  Pegasus. Ito ay inihayag bilang "pinakamalawak na komersyal na quantum system sa mundo" na may labinlimang koneksyon sa bawat qubit sa halip na anim, na may higit sa 5 qubits at pag-on sa pagbabawas ng ingay sa dati nang hindi kilalang antas. Dapat lumabas ang device sa pagbebenta sa kalagitnaan ng susunod na taon.

Qubits, o superpositions plus entanglement

Ang mga karaniwang computer processor ay umaasa sa mga packet o piraso ng impormasyon, bawat isa ay kumakatawan sa isang sagot na oo o hindi. Iba ang mga quantum processor. Hindi sila gumagana sa isang zero-one na mundo. buto ng siko, ang pinakamaliit at hindi mahahati na unit ng quantum information ay ang inilarawang dalawang-dimensional na sistema Hilbert space. Samakatuwid, ito ay naiiba sa classic na beat dahil maaari itong maging in anumang superposisyon dalawang quantum states. Ang pisikal na modelo ng isang qubit ay kadalasang ibinibigay bilang isang halimbawa ng isang particle na may spin ½, tulad ng isang electron, o ang polarization ng isang photon.

Upang magamit ang kapangyarihan ng mga qubit, dapat mong ikonekta ang mga ito sa pamamagitan ng tinatawag na proseso pagkalito. Sa bawat idinagdag na qubit, ang kapangyarihan ng pagpoproseso ng processor doble iyong sarili, dahil ang bilang ng mga entanglement ay sinamahan ng entanglement ng isang bagong qubit kasama ang lahat ng mga estado na magagamit na sa processor (3). Ngunit ang paglikha at pagsasama-sama ng mga qubit at pagkatapos ay sabihin sa kanila na magsagawa ng masalimuot na mga kalkulasyon ay hindi madaling gawain. Nananatili sila lubhang sensitibo sa mga panlabas na impluwensyana maaaring humantong sa mga pagkakamali sa pagkalkula at, sa pinakamasamang kaso, sa pagkabulok ng mga gusot na qubit, i.e. decoherencena siyang tunay na sumpa ng mga quantum system. Habang nagdaragdag ng mga karagdagang qubit, tumataas ang masamang epekto ng mga panlabas na puwersa. Ang isang paraan upang harapin ang problemang ito ay upang paganahin ang karagdagang mga qubit "KONTROL"na ang tanging function ay upang suriin at itama ang output.

3. Simbolikong representasyon ng 50-qubit IBM system

Gayunpaman, nangangahulugan ito na kakailanganin ang mas makapangyarihang mga quantum computer, na kapaki-pakinabang para sa paglutas ng mga kumplikadong problema, tulad ng pagtukoy kung paano natitiklop ang mga molekula ng protina o gayahin ang mga pisikal na proseso sa loob ng mga atomo. maraming qubit. Sinabi kamakailan ni Tom Watson ng University of Delft sa Netherlands sa BBC News:

-

Sa madaling salita, kung ang mga quantum computer ay aalis, kailangan mong makabuo ng isang madaling paraan upang makagawa ng malaki at matatag na mga qubit processor.

Dahil ang mga qubit ay hindi matatag, napakahirap na lumikha ng isang sistema na may marami sa kanila. Kaya kung, sa huli, ang mga qubit bilang isang konsepto para sa quantum computing ay nabigo, ang mga siyentipiko ay may alternatibo: qubit quantum gates.

Ang isang koponan mula sa Purdue University ay naglathala ng isang pag-aaral sa npj Quantum Information na nagdedetalye ng kanilang paglikha. Naniniwala ang mga siyentipiko kuditshindi tulad ng mga qubit, maaari silang umiral sa higit sa dalawang estado, tulad ng 0, 1, at 2, at para sa bawat idinagdag na estado, ang computational power ng isang qudit ay tumataas. Sa madaling salita, kailangan mong i-encode at iproseso ang parehong dami ng impormasyon. mas kaunting kaluwalhatian kaysa sa qubits.

Upang lumikha ng quantum gate na naglalaman ng isang qudit, ang Purdue team ay nag-encode ng apat na qudits sa dalawang gusot na photon sa mga tuntunin ng dalas at oras. Pinili ng team ang mga photon dahil hindi gaanong naaapektuhan ng mga ito ang kapaligiran, at ang paggamit ng maraming domain ay pinapayagan para sa higit pang pagkakasalubong sa mas kaunting photon. Ang natapos na gate ay may kapangyarihan sa pagpoproseso ng 20 qubits, bagama't nangangailangan lamang ito ng apat na qudits, na may karagdagang katatagan dahil sa paggamit ng mga photon, na ginagawa itong isang promising system para sa hinaharap na mga quantum computer.

Silicon o ion traps

Bagama't hindi lahat ay nagbabahagi ng opinyon na ito, ang paggamit ng silicon upang bumuo ng mga quantum computer ay lumilitaw na may malaking benepisyo, dahil ang teknolohiya ng silikon ay mahusay na itinatag at mayroon nang malaking industriya na nauugnay dito. Ginagamit ang Silicon sa mga quantum processor ng Google at IBM, bagama't pinapalamig ito sa napakababang temperatura sa mga ito. Hindi ito perpektong materyal para sa mga quantum system, ngunit ginagawa ito ng mga siyentipiko.

Ayon sa isang kamakailang publikasyon sa Kalikasan, isang pangkat ng mga mananaliksik ang gumamit ng enerhiya ng microwave upang ihanay ang dalawang particle ng elektron na nasuspinde sa silikon at pagkatapos ay ginamit ang mga ito upang magsagawa ng isang serye ng mga kalkulasyon ng pagsubok. Ang grupo, kung saan kasama, sa partikular, ang mga siyentipiko mula sa Unibersidad ng Wisconsin-Madison ay "nagsuspinde" ng mga solong qubit ng elektron sa isang istraktura ng silikon, na ang pag-ikot ay tinutukoy ng enerhiya ng microwave radiation. Sa isang superposisyon, isang electron ang sabay-sabay na umiikot sa paligid ng dalawang magkaibang axes. Ang dalawang qubit ay pinagsama at na-program upang magsagawa ng mga kalkulasyon ng pagsubok, pagkatapos kung saan inihambing ng mga mananaliksik ang data na nabuo ng system sa data na natanggap mula sa isang karaniwang computer na nagsasagawa ng parehong mga pagkalkula ng pagsubok. Pagkatapos iwasto ang data, isang programmable dalawang-bit na quantum silicon processor.

Bagama't ang porsyento ng mga error ay mas mataas pa rin kaysa sa tinatawag na mga ion traps (mga device kung saan ang mga naka-charge na particle tulad ng mga ions, electron, protons ay nakaimbak ng ilang panahon) o mga computer.  batay sa mga superconductor tulad ng D-Wave, ang tagumpay ay nananatiling kapansin-pansin dahil ang paghihiwalay ng mga qubit mula sa panlabas na ingay ay napakahirap. Nakikita ng mga espesyalista ang mga pagkakataon para sa pag-scale at pagpapabuti ng system. At ang paggamit ng silikon, mula sa teknolohikal at pang-ekonomiyang punto ng view, ay mahalagang kahalagahan dito.

Gayunpaman, para sa maraming mga mananaliksik, ang silikon ay hindi ang hinaharap ng mga quantum computer. Noong Disyembre noong nakaraang taon, lumabas ang impormasyon na ang mga inhinyero ng kumpanyang Amerikano na IonQ ay gumamit ng ytterbium upang lumikha ng pinakaproduktibong quantum computer sa mundo, na nalampasan ang mga sistema ng D-Wave at IBM.

Ang resulta ay isang makina na naglalaman ng isang atom sa isang bitag ng ion (4) ay gumagamit ng isang solong data qubit para sa pag-encode, at ang mga qubit ay kinokontrol at sinusukat gamit ang mga espesyal na laser pulse. Ang computer ay may memorya na maaaring mag-imbak ng 160 qubits ng data. Maaari rin itong magsagawa ng mga kalkulasyon nang sabay-sabay sa 79 qubits.

4. Scheme ng IonQ ion trap

Ang mga siyentipiko mula sa IonQ ay nagsagawa ng isang karaniwang pagsubok ng tinatawag na Algoritmo ng Bernstein-Vaziranian. Ang gawain ng makina ay hulaan ang isang numero sa pagitan ng 0 at 1023. Ang mga klasikal na computer ay kumukuha ng labing-isang hula para sa isang 10-bit na numero. Gumagamit ang mga quantum computer ng dalawang diskarte upang hulaan ang resulta nang may 100% na katiyakan. Sa unang pagtatangka, nahulaan ng IonQ quantum computer ang average na 73% ng mga ibinigay na numero. Kapag ang algorithm ay pinapatakbo para sa anumang numero sa pagitan ng 1 at 1023, ang rate ng tagumpay para sa isang tipikal na computer ay 0,2%, habang para sa IonQ ito ay 79%.

Naniniwala ang mga eksperto sa IonQ na ang mga system na nakabatay sa mga ion traps ay nakahihigit sa mga silicon na quantum computer na itinatayo ng Google at ng iba pang kumpanya. Ang kanilang 79-qubit matrix ay higit na mahusay sa Bristlecone quantum processor ng Google ng 7 qubits. Ang resulta ng IonQ ay kagila-gilalas din pagdating sa system uptime. Ayon sa mga tagalikha ng makina, para sa isang solong qubit, nananatili ito sa 99,97%, na nangangahulugang isang error rate na 0,03%, habang ang pinakamahusay na mga resulta ng kumpetisyon ay may average na tungkol sa 0,5%. Ang dalawang-bit na error rate para sa IonQ device ay dapat nasa 99,3%, habang ang karamihan sa mga kakumpitensya ay hindi lalampas sa 95%.

Ito ay nagkakahalaga ng pagdaragdag na, ayon sa mga mananaliksik ng Google quantum supremacy – ang punto kung saan ang isang quantum computer ay higit na gumaganap sa lahat ng iba pang magagamit na mga makina – maaari nang maabot gamit ang isang quantum computer na may 49 qubits, sa kondisyon na ang error rate sa two-qubit gates ay mas mababa sa 0,5%. Gayunpaman, ang paraan ng ion trap sa quantum computing ay nahaharap pa rin sa mga pangunahing hadlang na dapat pagtagumpayan: mabagal na oras ng pagpapatupad at malaking sukat, pati na rin ang katumpakan at scalability ng teknolohiya.

Stronghold ng ciphers sa mga guho at iba pang mga kahihinatnan

Noong Enero 2019 sa CES 2019, inihayag ng CEO ng IBM na si Ginni Rometty na nag-aalok na ang IBM ng integrated quantum computing system para sa komersyal na paggamit. IBM quantum computer5) ay pisikal na matatagpuan sa New York bilang bahagi ng sistema IBM Q System Isa. Gamit ang Q Network at Q Quantum Computational Center, madaling magagamit ng mga developer ang Qiskit software para mag-compile ng mga quantum algorithm. Kaya, ang computing power ng IBM quantum computer ay available bilang serbisyo ng cloud computing, makatwirang presyo.

Ang D-Wave ay nagbibigay din ng mga naturang serbisyo sa loob ng ilang panahon ngayon, at ang iba pang mga pangunahing manlalaro (tulad ng Amazon) ay nagpaplano ng mga katulad na quantum cloud na handog. Ang Microsoft ay nagpatuloy sa pagpapakilala Q# programming language (pronounced like) na maaaring gumana sa Visual Studio at tumakbo sa isang laptop. May tool ang mga programmer para gayahin ang mga quantum algorithm at lumikha ng tulay ng software sa pagitan ng classical at quantum computing.

Gayunpaman, ang tanong ay, para saan ba talaga maaaring maging kapaki-pakinabang ang mga computer at ang kanilang kapangyarihan sa pag-compute? Sa isang pag-aaral na inilathala noong Oktubre sa journal Science, sinubukan ng mga siyentipiko mula sa IBM, University of Waterloo at Technical University of Munich na tantiyahin ang mga uri ng mga problema na tila pinakaangkop na lutasin ng mga quantum computer.

Ayon sa pag-aaral, ang mga naturang device ay makakapag-solve ng complex linear algebra at mga problema sa pag-optimize. Mukhang malabo, ngunit maaaring may mga pagkakataon para sa mas simple at mas murang mga solusyon sa mga isyu na kasalukuyang nangangailangan ng maraming pagsisikap, mapagkukunan at oras, at kung minsan ay hindi natin maabot.

5. IBM quantum computer

Kapaki-pakinabang na quantum computing diametrically baguhin ang larangan ng cryptography. Salamat sa kanila, maaaring mabilis na ma-crack ang mga encryption code at, posibleng, masisira ang teknolohiya ng blockchain. Ang RSA encryption ngayon ay tila isang malakas at hindi masisira na depensa na nagpoprotekta sa karamihan ng data at komunikasyon sa mundo. Gayunpaman, ang isang sapat na malakas na quantum computer ay madali crack RSA encryption sa tulong Algorithm ni Shor.

Paano ito maiiwasan? Ang ilan ay nagsusulong ng pagtaas ng haba ng mga pampublikong susi sa pag-encrypt sa laki na kailangan upang mapagtagumpayan ang quantum decryption. Para sa iba, dapat itong gamitin nang mag-isa upang matiyak ang ligtas na mga komunikasyon. Salamat sa quantum cryptography, ang mismong pagkilos ng pagharang sa data ay makakasira sa kanila, pagkatapos nito ang taong nakikialam sa particle ay hindi na makakakuha ng kapaki-pakinabang na impormasyon mula dito, at ang tatanggap ay babalaan tungkol sa pagtatangka sa pag-eavesdrop.

Ang mga potensyal na aplikasyon ng quantum computing ay madalas ding binabanggit. pagsusuri at pagtataya ng ekonomiya. Salamat sa mga quantum system, ang mga kumplikadong modelo ng gawi sa merkado ay maaaring palawakin upang maisama ang mas maraming mga variable kaysa dati, na humahantong sa mas tumpak na mga pagsusuri at hula. Sa pamamagitan ng sabay-sabay na pagpoproseso ng libu-libong variable ng isang quantum computer, posible ring bawasan ang oras at gastos na kinakailangan para sa pag-unlad. mga bagong gamot, solusyon sa transportasyon at logistik, mga supply chain, mga modelo ng klimapati na rin para sa paglutas ng maraming iba pang mga problema ng napakalaking kumplikado.

Batas ni Nevena

Ang mundo ng mga lumang computer ay may sariling batas ni Moore, habang ang mga quantum computer ay dapat gabayan ng tinatawag na Batas ni Nevena. Utang niya ang kanyang pangalan sa isa sa mga pinakakilalang quantum specialist sa Google, Hartmut Nevena (6), na nagsasaad na ang mga pagsulong sa teknolohiya ng quantum computing ay kasalukuyang ginagawa dobleng bilis ng exponential.

Nangangahulugan ito na sa halip na doblehin ang pagganap sa sunud-sunod na mga pag-ulit, tulad ng nangyari sa mga klasikal na computer at batas ni Moore, ang teknolohiyang quantum ay nagpapabuti ng pagganap nang mas mabilis.

Hinuhulaan ng mga eksperto ang pagdating ng quantum superiority, na maaaring isalin hindi lamang sa superyoridad ng quantum computer sa anumang mga klasikal, kundi pati na rin sa iba pang mga paraan - bilang simula ng isang panahon ng mga kapaki-pakinabang na quantum computer. Ito ay magbibigay daan para sa mga tagumpay sa chemistry, astrophysics, medisina, seguridad, komunikasyon, at higit pa.

Gayunpaman, mayroon ding isang opinyon na ang gayong kataasan ay hindi kailanman iiral, kahit na hindi sa nakikinita na hinaharap. Ang isang mas banayad na bersyon ng pag-aalinlangan ay iyon Hindi kailanman papalitan ng mga quantum computer ang mga classical na computer dahil hindi ito idinisenyo para gawin ito. Hindi mo maaaring palitan ang isang iPhone o isang PC ng isang quantum machine, tulad ng hindi mo mapapalitan ng isang nuclear aircraft carrier.. Hinahayaan ka ng mga klasikong computer na maglaro, suriin ang email, mag-surf sa web, at magpatakbo ng mga programa. Ang mga quantum computer sa karamihan ng mga kaso ay nagsasagawa ng mga simulation na masyadong kumplikado para sa mga binary system na tumatakbo sa mga bit ng computer. Sa madaling salita, ang mga indibidwal na mamimili ay halos walang pakinabang mula sa kanilang sariling quantum computer, ngunit ang mga tunay na makikinabang ng imbensyon ay, halimbawa, NASA o Massachusetts Institute of Technology.

Sasabihin ng oras kung aling diskarte ang mas naaangkop - IBM o Google. Ayon sa batas ni Neven, ilang buwan na lang tayo para makita ang isang buong pagpapakita ng quantum superiority ng isang team o iba pa. At hindi na ito isang pag-asam "sa sampung taon, ibig sabihin, walang nakakaalam kung kailan."