Праз дзесяць гадоў невядома калі

У меней інфармаванага чалавека, які прачытаў цэлую кучу публікацый аб квантавых кампутарах, можа скласціся ўражанне, што гэта "гатовыя" машыны, якія працуюць гэтак жа, як і звычайныя кампутары. Нішто не магло быць больш няправільным. Некаторыя нават лічаць, што квантавых кампутараў пакуль няма. А іншыя задаюцца пытаннем, для чаго яны будуць выкарыстоўвацца, паколькі яны не створаны для замены сістэм нуль-адзінка.

Мы часта чуем, што першыя сапраўдныя і нармальна функцыянуюць квантавыя кампутары з'явяцца прыкладна праз дзесяцігоддзе. Аднак, як адзначыў у артыкуле Лінлі Гвеннап, галоўны аналітык Linley Group, "калі людзі кажуць, што квантавы кампутар з'явіцца праз дзесяць гадоў, яны не ведаюць, калі гэта адбудзецца".

Нягледзячы на ​​гэтую невыразную сітуацыю, ужо адчуваецца атмасфера канкурэнцыі за т.зв. квантавая перавага. Занепакоеная квантавымі працамі і поспехамі кітайцаў, амерыканская адміністрацыя ў снежні мінулага года прыняла Акт аб нацыянальнай квантавай ініцыятыве.1). Дакумент прызначаны для аказання федэральнай падтрымкі даследаванням, распрацоўкам, дэманстрацыі і прымяненню квантавых вылічэнняў і тэхналогій. За чарадзейныя дзесяць гадоў урад ЗША выдаткуе мільярды на стварэнне інфраструктуры квантавых вылічэнняў, экасістэмы і набор людзей. Усе асноўныя распрацоўшчыкі квантавых кампутараў – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft і Rigetti, а таксама стваральнікі квантавых алгарытмаў 1QBit і Zapata віталі гэта. Нацыянальная квантавая ініцыятыва.

Піянеры D-WAve

У 2007 годзе кампанія D-Wave Systems прадставіла 128-кубітны чып.2), называецца першы ў свеце квантавы кампутар. Аднак не было ўпэўненасці, ці можна яго так назваць была паказана толькі яго праца без якіх-небудзь падрабязнасцяў яго канструкцыі. У 2009 годзе кампанія D-Wave Systems распрацавала для Google "квантавую" сістэму пошуку малюнкаў. У маі 2011 года Lockheed Martin набыла квантавы кампутар вытворчасці D-Wave Systems. D-хваля адзін за 10 мільёнаў долараў, пры гэтым падпісаўшы шматгадовы кантракт на яго эксплуатацыю і распрацоўку адпаведных алгарытмаў.

У 2012 годзе гэтая машына прадэманстравала працэс знаходжання спіральнай бялковай малекулы з найменшай энергіяй. Даследнікі з D-Wave Systems выкарыстоўваюць сістэмы з рознымі нумарамі. кубіты, Выканаў шэраг матэматычных вылічэнняў, некаторыя з якіх былі далёка за межамі магчымасцяў класічных кампутараў. Аднак у пачатку 2014 года Джон Смолін і Грэм Сміт апублікавалі артыкул, у якім сцвярджалі, што машына D-Wave Systems не была машынай. Неўзабаве пасля гэтага "Фізіка прыроды" прадставіла вынікі эксперыментаў, якія даказваюць, што D-Wave One усёткі…

Іншы тэст, праведзены ў чэрвені 2014 года, не паказаў розніцы паміж класічным кампутарам і машынай D-Wave Systems, але кампанія адказала, што розніца прыкметная толькі для больш складаных задач, чым развязальныя ў цесцю. У пачатку 2017 года кампанія прадставіла машыну, якая нібыта складаецца з 2 тысячы кубітышто было ў 2500 разоў хутчэй за самыя хуткія класічныя алгарытмы. І зноў - праз два месяцы група навукоўцаў даказала, што гэтае параўнанне не было дакладным. Для шматлікіх скептыкаў сістэмы D-Wave па-ранейшаму з'яўляюцца не квантавымі кампутарамі, а іх сімуляцыі выкарыстоўваючы класічныя метады.

Сістэма D-Wave чацвёртага пакалення выкарыстоўвае квантавыя адпалыа станы кубіта рэалізуюцца звышправоднымі квантавымі ланцугамі (на аснове так званых джозэфсонаўскіх кантактаў). Яны працуюць у асяроддзі, блізкай да абсалютнага нуля, і могуць пахваліцца сістэмай з 2048 кубітаў. У канцы 2018 года кампанія D-Wave прадставіла на рынку скачок, гэта значыць свой асяроддзе квантавых прыкладанняў рэальнага часу (КАЭ). Воблачнае рашэнне забяспечвае доступ знешніх кліентаў да квантавых вылічэнняў у рэжыме рэальнага часу.

У лютым 2019 года D-Wave анансавала наступнае пакаленне  Пегас. Было абвешчана, што гэта "самая шырокая камерцыйная квантавая сістэма ў свеце" з пятнаццаццю злучэннямі на кубіт замест шасці, з больш за 5 кубітаў і ўключэнне шумапрыглушэння на раней невядомым узроўні. Прылада павінна з'явіцца ў продажы ў сярэдзіне наступнага года.

Кубіты, ці суперпазіцыі плюс заблытанасць

Стандартныя кампутарныя працэсары належаць на пакеты ці фрагменты інфармацыі, кожны з якіх уяўляе сабой адзін адказ "так" ці "не". Квантавыя працэсары розныя. Яны не працуюць у свеце нуль-адзінка. локцевая костка, найменшая і непадзельная адзінка квантавай інфармацыі ўяўляе сабой апісваную двухмерную сістэму. гільбертава прастора. Таму яна адрозніваецца ад класічнай біты тым, што можа быць у любая суперпазіцыя два квантавых стану. У якасці фізічнай мадэлі кубіта часцей за ўсё прыводзіцца прыклад часціцы са спінам ½, напрыклад электрона, ці палярызацыі адзіночнага фатона.

Каб выкарыстоўваць моц кубітаў, вы павінны злучыць іх з дапамогай працэсу, званага блытаніна. З кожным дададзеным кубітам вылічальная магутнасць працэсара падвойваецца самі, бо колькасць заблытванняў суправаджаецца заблытваннем новага кубіта з усімі станамі, ужо наяўнымі ў працэсары (3). Але стварэнне і аб'яднанне кубітаў, а затым указанне ім выконваць заблытаныя вылічэнні - няпростая задача. Яны застаюцца надзвычай адчувальны да вонкавых уздзеянняўшто можа прывесці да памылак вылічэнняў і, у горшым выпадку, да распаду заблытаных кубітаў, г.зн. дэкагерэнцыяшто з'яўляецца сапраўдным праклёнам квантавых сістэм. Па меры дадання дадатковых кубітаў неспрыяльнае ўздзеянне вонкавых сіл узмацняецца. Адзін са спосабаў справіцца з гэтай праблемай - уключыць дадатковыя. кубіты "КАНТРОЛЬ"адзінай функцыяй якога становіцца праверка і выпраўленне выходных дадзеных.

3. Сімвалічнае прадстаўленне 50-кубітнай сістэмы IBM

Аднак гэта азначае, што запатрабуюцца больш магутныя квантавыя кампутары, карысныя для рашэння складаных задач, такіх як вызначэнне таго, як згортваюцца бялковыя малекулы, ці мадэляванне фізічных працэсаў усярэдзіне атамаў. вельмі кубіт. Том Уотсан з Дэлфцкага універсітэта ў Нідэрландах нядаўна сказаў BBC News:

-

Карацей кажучы, калі квантавыя кампутары жадаюць узляцець, вам трэба прыдумаць просты спосаб вытворчасці вялікіх і стабільных кубітных працэсараў.

Паколькі кубіты нестабільныя, стварыць сістэму са шматлікімі з іх вельмі складана. Так што, калі, у рэшце рэшт, кубіты як канцэпцыя квантавых вылічэнняў пацерпяць няўдачу, у навукоўцаў ёсць альтэрнатыва: квантавыя вентылі кубітаў.

Каманда з Універсітэта Пердью апублікавала даследаванне ў "npj Quantum Information", у якім падрабязна апісала сваё стварэнне. Навукоўцы лічаць, што кудзітыу адрозненне ад кубітаў, яны могуць існаваць больш за ў двух станах - напрыклад, 0, 1 і 2, і для кожнага дададзенага стану вылічальная магутнасць аднаго кудыта павялічваецца. Іншымі словамі, вам трэба кадзіраваць і апрацоўваць аднолькавую колькасць інфармацыі. менш славы чым кубіты.

Для стварэння квантавых варот, якія змяшчаюць кудыт, каманда Purdue закадавала чатыры кудыты ў два заблытаных фатона з пункту гледжання частаты і часу. Каманда выбрала фатоны, таму што яны не так лёгка ўздзейнічаюць на навакольнае асяроддзе, а выкарыстанне некалькіх даменаў дазволіла дабіцца большай заблытанасці з меншай колькасцю фатонаў. Гатовы вентыль меў вылічальную магутнасць 20 кубітаў, хоць для гэтага патрабавалася ўсяго чатыры кудыты, з дадатковай стабільнасцю дзякуючы выкарыстанню фатонаў, што рабіла яго шматабяцальнай сістэмай для будучых квантавых кампутараў.

Крамянёвыя або іённыя пасткі

Хоць не ўсе падзяляюць гэта меркаванне, выкарыстанне крэмнію для стварэння квантавых кампутараў, відаць, мае вялізныя перавагі, паколькі крэмніевыя тэхналогія добра асвоена і з ёй ужо звязана буйная прамысловасць. Крэмній выкарыстоўваецца ў квантавых працэсарах Google і IBM, хоць і астуджаецца ў іх да вельмі нізкіх тэмператур. Гэта не ідэальны матэрыял для квантавых сістэм, але навукоўцы над ім працуюць.

Паводле нядаўняй публікацыі ў Nature, група даследнікаў выкарыстала мікрахвалевую энергію для выраўноўвання дзвюх электронных часціц, узважаных у крэмніі, а затым выкарыстоўвала іх для выканання шэрагу тэставых разлікаў. Група, у якую ўваходзілі, у прыватнасці, Навукоўцы з Універсітэта Вісконсін-Мэдысан «падвесілі» у крамянёвай структуры адзіночныя электронныя кубіты, спін якіх вызначаўся энергіяй мікрахвалевага выпраменьвання. У суперпазіцыі электрон адначасова круціўся вакол дзвюх розных восяў. Затым два кубіты былі аб'яднаныя і запраграмаваныя для выканання выпрабавальных разлікаў, пасля чаго даследнікі супаставілі дадзеныя, згенераваныя сістэмай, з дадзенымі, атрыманымі ад стандартнага кампутара, які выконвае тыя ж тэставыя разлікі. Пасля карэкціроўкі даных была зроблена праграмуемая двухбітны квантавы крэмніевы працэсар.

Хоць працэнт памылак усё яшчэ нашмат вышэй, чым у так званым іённыя пасткі (прылады, у якіх на працягу некаторага часу захоўваюцца зараджаныя часціцы, напрыклад, іёны, электроны, пратоны) або кампутары  на аснове звышправаднікоў, такіх як D-Wave, дасягненне застаецца выдатным, паколькі ізаляцыя кубітаў ад вонкавага шуму надзвычай складаная. Спецыялісты бачаць магчымасці для маштабавання і паляпшэння сістэмы. І выкарыстанне крэмнію, з тэхналагічнага і эканамічнага пункта гледжання, мае тут ключавое значэнне.

Аднак для шматлікіх даследнікаў крэмній не з'яўляецца будучыняй квантавых кампутараў. У снежні мінулага года з'явілася інфармацыя, што інжынеры амерыканскай кампаніі IonQ выкарыстоўвалі ітэрбій для стварэння самага прадукцыйнага ў свеце квантавага кампутара, праўзыходнага сістэмы D-Wave і IBM.

У выніку атрымалася машына, якая змяшчала адзін атам у іённай пастцы (4) выкарыстоўвае адзін кубіт дадзеных для кадавання, а кубіты кантралююцца і вымяраюцца з дапамогай спецыяльных лазерных імпульсаў. Кампутар мае памяць, якая можа захоўваць 160 кубітаў дадзеных. Ён таксама можа выконваць вылічэнні адначасова на 79 кубітах.

4. Схема іённай пасткі IonQ

Навукоўцы з IonQ правялі стандартны тэст так званага Алгарытм Бернштэйна-Вазіраньега. Задача машыны складалася ў тым, каб адгадаць лік ад 0 да 1023. Класічным кампутарам патрабуецца 10 спроб для 100-бітнага ліку. Квантавыя кампутары выкарыстоўваюць два падыходы, каб адгадаць вынік са 73% упэўненасцю. З першай спробы квантавы кампутар IonQ адгадаў у сярэднім 1% зададзеных лікаў. Калі алгарытм запускаецца для любога ліку ад 1023 да 0,2, верагоднасць поспеху звычайнага кампутара складае 79%, а для IonQ – XNUMX%.

Спецыялісты IonQ лічаць, што сістэмы на аснове іённых пастак пераўзыходзяць крамянёвыя квантавыя кампутары, якія будуюць Google і іншыя кампаніі. Іх 79-кубітная матрыца пераўзыходзіць квантавы працэсар Google Bristlecone на 7 кубітаў. Вынік IonQ таксама з'яўляецца сенсацыйным, калі гаворка ідзе аб безадмоўнасці сістэмы. Па дадзеных стваральнікаў машыны, для аднаго кубіта яна застаецца на ўзроўні 99,97, 0,03%, што азначае каэфіцыент памылак 0,5, 99,3%, тады як лепшыя вынікі конкурсу ў сярэднім складалі каля 95, XNUMX%. Двухбітны каэфіцыент беспамылковасці для прылады IonQ павінен быць на ўзроўні XNUMX%, тады як у большасці канкурэнтаў ён не перавышае XNUMX%.

Варта дадаць, што па падліках даследнікаў Google квантавая перавага – кропка, у якой квантавы кампутар пераўзыходзіць усе іншыя даступныя машыны, – ужо можа быць дасягнута з квантавым кампутарам з 49 кубітамі, пры ўмове, што частата памылак на двухкубітных вентылях ніжэй 0,5%. Тым не менш, метад іённай пасткі ў квантавых вылічэннях усё яшчэ сутыкаецца з сур'ёзнымі перашкодамі, якія неабходна пераадолець: павольны час выканання і вялізны памер, а таксама дакладнасць і маштабаванасць тэхналогіі.

Апора шыфраў у руінах і іншыя наступствы

У студзені 2019 года на выставе CES 2019 генеральны дырэктар IBM Джыні Ромэтці абвясціла, што IBM ужо прапануе інтэграваную сістэму квантавых вылічэнняў для камерцыйнага выкарыстання. Квантавыя кампутары IBM (англ.5) фізічна размешчаны ў Нью-Ёрку як частка сістэмы IBM Q System One. Выкарыстоўваючы Q Network і Q Quantum Computational Center, распрацоўшчыкі могуць лёгка выкарыстоўваць праграмнае забеспячэнне Qiskit для кампіляцыі квантавых алгарытмаў. Такім чынам, вылічальная магутнасць квантавых кампутараў IBM даступная як служба хмарных вылічэнняў, разумна ацэнены.

D-Wave таксама падае такія паслугі на працягу некаторага часу, і іншыя буйныя гульцы (такія як Amazon) плануюць аналагічныя прапановы квантавага аблокі. Microsoft пайшла далей з увядзеннем Q# мова праграмавання (вымаўляецца як), які можа працаваць з Visual Studio і працаваць на наўтбуку. У праграмістаў ёсць прылада для мадэлявання квантавых алгарытмаў і стварэнні праграмнага маста паміж класічнымі і квантавымі вылічэннямі.

Аднак пытанне ў тым, для чаго насамрэч могуць быць карысныя кампутары і іх вылічальныя магутнасці? У даследаванні, апублікаваным у кастрычніку мінулага года, у часопісе Science навукоўцы з IBM, Універсітэта Ватэрлоо і Тэхнічнага універсітэта Мюнхена паспрабавалі апраксімаваць тыпы задач, для вырашэння якіх квантавыя кампутары здаюцца найбольш прыдатнымі.

Згодна з даследаваннем, такія прылады змогуць вырашаць складаныя лінейная алгебра і задачы аптымізацыі. Гучыць расплывіста, але могуць існаваць магчымасці для прасцейшага і таннага рашэння пытанняў, якія ў наш час патрабуюць вялікіх высілкаў, рэсурсаў і чакай, а часам і знаходзяцца за межамі нашай дасяжнасці.

5. Квантавы кампутар IBM

Карысныя квантавыя вылічэнні дыяметральна змяніць вобласць крыптаграфіі. Дзякуючы ім шыфравальныя коды можна было хутка ўзламаць і, магчыма, тэхналогія блокчэйн будзе знішчана. Шыфраванне RSA зараз здаецца надзейнай і непарушнай абаронай, якая абараняе большую частку дадзеных і камунікацый у свеце. Аднак досыць магутны квантавы кампутар можа з лёгкасцю ўзламаць шыфраванне RSA з дапамогай Алгарытм Шора.

Як гэта прадухіліць? Некаторыя выступаюць за павелічэнне даўжыні адчыненых ключоў шыфравання да памеру, неабходнага для пераадолення квантавага дэшыфравання. На думку іншых, трэба выкарыстоўваць у адзіночку для забеспячэння бяспекі сувязі. Дзякуючы квантавай крыптаграфіі сам акт перахопу дадзеных пашкодзіў бы іх, пасля чаго чалавек, які ўмяшаўся ў часціцу, не змог бы атрымаць ад яе карысную інфармацыю, а атрымальнік быў бы папярэджаны аб спробе падслухоўвання.

Таксама часта згадваюцца патэнцыйныя прыкладанні квантавых вылічэнняў. эканамічны аналіз і прагназаванне. Дзякуючы квантавым сістэмам складаныя мадэлі рынкавых паводзін можна пашырыць, улучыўшы ў іх значна больш зменных, чым раней, што прывядзе да больш дакладных дыягназаў і прагнозаў. Дзякуючы адначасовай апрацоўцы тысяч зменных квантавым кампутарам таксама можна было б скараціць час і выдаткі, неабходныя для распрацоўкі. новыя лекі, транспартныя і лагістычныя рашэнні, ланцужкі паставак, кліматычныя мадэліа таксама для рашэння шматлікіх іншых задач гіганцкай складанасці.

Закон календулы

У свеце старых кампутараў быў свой закон Мура, у той час як квантавыя кампутары павінны кіравацца так званым. Закон календулы. Сваёй назвай ён абавязаны аднаму з самых выбітных квантавых адмыслоўцаў Google, Хартмут Нявена (6), у якім гаворыцца, што дасягненні ў тэхналогіі квантавых вылічэнняў у цяперашні час робяцца ў падвойная экспанентная хуткасць.

Гэта азначае, што замест падваення прадукцыйнасці з дапамогай паслядоўных ітэрацый, як гэта было ў выпадку з класічнымі кампутарамі і законам Мура, квантавая тэхналогія падвышае прадукцыйнасць значна хутчэй.

Эксперты прадказваюць наступ квантавага перавагі, якое можна перавесці не толькі ў перавагу квантавых кампутараў над любымі класічнымі, але і іншымі спосабамі – як пачатак эры карысных квантавых кампутараў. Гэта адкрые шлях да прарываў у хіміі, астрафізіцы, медыцыне, бяспецы, сувязі і многім іншым.

Аднак існуе таксама меркаванне, што такой перавагі ніколі не будзе, прынамсі, у агляднай будучыні. Мякчэйшы варыянт скептыцызму складаецца ў тым, што квантавыя кампутары ніколі не заменяць класічныя кампутары, таму што яны не прызначаны для гэтага. Нельга замяніць айфон ці ПК квантавай машынай, як нельга замяніць тэнісныя туфлі… атамным авіяносцам. Класічныя кампутары дазваляюць гуляць у гульні, правяраць электронную пошту, праглядаць вэб-старонкі і запускаць праграмы. Квантавыя кампутары ў большасці выпадкаў выконваюць сімуляцыі, якія занадта складаныя для бінарных сістэм, якія працуюць на кампутарных бітах. Іншымі словамі, індывідуальныя спажыўцы амаль не атрымаюць карысці ад уласнага квантавага кампутара, але рэальнымі бенефіцыярамі вынаходкі стануць, напрыклад, НАСА ці Масачусецкі тэхналагічны інстытут.

Час пакажа, які падыход больш мэтазгодны - IBM або Google. Згодна з законам Невена, нам засталося ўсяго некалькі месяцаў, каб убачыць паўнавартасную дэманстрацыю квантавай перавагі той ці іншай камандай. І гэта ўжо не перспектыва “гадоў праз дзесяць, то бок невядома калі”.