Десет години по-късно никой не знае кога

За по-малко информиран човек, който е прочел цял куп публикации за квантовите компютри, може да се създаде впечатлението, че това са „готови“ машини, които работят по същия начин като обикновените компютри. Нищо не може да бъде по-грешно. Някои дори смятат, че все още няма квантови компютри. А други се чудят за какво ще се използват, след като не са предназначени да заменят системите нула-едно.

Често чуваме, че първите реални и правилно функциониращи квантови компютри ще се появят след около десетилетие. Въпреки това, както Линли Гуенап, главен анализатор в Linley Group, отбеляза в статията, „когато хората казват, че квантов компютър ще се появи след десет години, те не знаят кога ще се случи“.

Въпреки тази неясна ситуация, атмосферата на конкуренция за т.нар. квантово доминиране. Загрижена за квантовата работа и успеха на китайците, американската администрация миналия декември прие Закона за националната квантова инициатива (1). Документът има за цел да предостави федерална подкрепа за изследванията, разработването, демонстрацията и прилагането на квантови изчисления и технологии. След вълшебни десет години правителството на САЩ ще похарчи милиарди за изграждане на квантова изчислителна инфраструктура, екосистеми и набиране на хора. Всички основни разработчици на квантови компютри - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft и Rigetti, както и създателите на квантовите алгоритми 1QBit и Zapata приветстваха това. Национална квантова инициатива.

Пионерите на D-WAve

През 2007 г. D-Wave Systems представи 128-кубитов чип (2), е наречен първият квантов компютър в света. Нямаше обаче никаква сигурност дали може да се нарече така – показана беше само негова работа, без подробности от конструкцията му. През 2009 г. D-Wave Systems разработи "квантова" търсачка за изображения за Google. През май 2011 г. Lockheed Martin придоби квантов компютър от D-Wave Systems. D-вълна една за 10 милиона долара, като същевременно подписва многогодишен договор за нейната експлоатация и разработване на свързани алгоритми.

През 2012 г. тази машина демонстрира процеса на намиране на спираловидната протеинова молекула с най-ниска енергия. Изследователи от D-Wave Systems използват системи с различни номера кубити, извърши редица математически изчисления, някои от които далеч надхвърлят възможностите на класическите компютри. Въпреки това, в началото на 2014 г. Джон Смолин и Греъм Смит публикуваха статия, в която се твърди, че машината D-Wave Systems не е машина. Малко след това Physics of Nature представи резултатите от експерименти, доказващи, че D-Wave One все още е ...

Друг тест, проведен през юни 2014 г., не показа разлика между класически компютър и машина на D-Wave Systems, но компанията отговори, че разликата е забележима само при по-сложни задачи от тези, решени в теста. В началото на 2017 г. компанията представи машина, която уж се състои от 2 хиляди кубитакоето беше 2500 пъти по-бързо от най-бързите класически алгоритми. И отново, два месеца по-късно, група учени доказаха, че това сравнение не е точно. За много скептици системите D-Wave все още не са квантови компютри, а техни симулации използвайки класически методи.

Системата D-Wave от четвърто поколение използва квантово отгряванеа състоянията на кубита се реализират от свръхпроводящи квантови вериги (базирани на т.нар. Джоузефсонови връзки). Те работят в среда, близка до абсолютната нула и могат да се похвалят със система от 2048 кубита. В края на 2018 г. D-Wave представи на пазара JUMP, тоест вашият среда за квантово приложение в реално време (KAE). Облачното решение предоставя на външни клиенти достъп в реално време до квантовите изчисления.

През февруари 2019 г. D-Wave обяви следващото поколение  Пегас. Беше обявено, че е „най-обширната търговска квантова система в света“ с петнадесет връзки на кубит вместо шест, с над 5 кубита и включване на намаляването на шума на неизвестно досега ниво. Устройството трябва да се появи в продажба в средата на следващата година.

Кубити или суперпозиции плюс заплитане

Стандартните компютърни процесори разчитат на пакети или части от информация, всеки от които представлява единичен отговор с да или не. Квантовите процесори са различни. Те не работят в свят нула едно. лакътна кост, най-малката и неделима единица квантова информация е описаната двумерна система Хилбертово пространство. Следователно, той се различава от класическия бийт по това, че може да бъде в всяка суперпозиция две квантови състояния. Физическият модел на кубит най-често се дава като пример за частица със спин ½, като електрон, или поляризация на единичен фотон.

За да използвате силата на кубитите, трябва да ги свържете чрез процес, наречен объркване. С всеки добавен кубит, изчислителната мощност на процесора двойки себе си, тъй като броят на заплитанията е придружен от заплитането на нов кубит с всички състояния, които вече са налични в процесора (3). Но създаването и комбинирането на кубити и след това да им кажете да извършват сложни изчисления не е лесна задача. Те остават изключително чувствителен към външни влияниякоето може да доведе до грешки в изчисленията и в най-лошия случай до разпадане на заплетени кубити, т.е. декохерентносткоето е истинското проклятие на квантовите системи. Тъй като се добавят допълнителни кубити, неблагоприятните ефекти от външни сили се увеличават. Един от начините за справяне с този проблем е да активирате допълнителни кубити "КОНТРОЛ"чиято единствена функция е да проверява и коригира изхода.

3. Символично представяне на 50-кубитовата система IBM

Това обаче означава, че ще са необходими по-мощни квантови компютри, полезни за решаване на сложни проблеми, като например определяне как се сгъват протеиновите молекули или симулиране на физическите процеси вътре в атомите. много кубити. Том Уотсън от университета в Делфт в Холандия наскоро каза пред BBC News:

-

Накратко, ако квантовите компютри трябва да излязат, трябва да измислите лесен начин за производство на големи и стабилни кубит процесори.

Тъй като кубитите са нестабилни, е изключително трудно да се създаде система с много от тях. Така че, ако в крайна сметка кубитите като концепция за квантовите изчисления се провалят, учените имат алтернатива: кубитови квантови порти.

Екип от университета Пърдю публикува проучване в npj Quantum Information, в което подробно описва тяхното създаване. Учените смятат, че kuditsза разлика от кубитите, те могат да съществуват в повече от две състояния – например 0, 1 и 2 – и за всяко добавено състояние изчислителната мощност на един кудит се увеличава. С други думи, трябва да кодирате и обработвате същото количество информация. по-малко слава отколкото кубити.

За да създаде квантови порти, съдържащи кудити, екипът на Purdue кодира четири кудита в два заплетени фотона по отношение на честота и време. Екипът избра фотони, защото те не влияят толкова лесно на околната среда, а използването на множество домейни позволява по-голямо заплитане с по-малко фотони. Готовият гейт имаше процесорна мощност от 20 кубита, въпреки че изискваше само четири кудита, с допълнителна стабилност поради използването на фотони, което го прави обещаваща система за бъдещи квантови компютри.

Силициеви или йонни уловители

Въпреки че не всички споделят това мнение, използването на силиций за изграждане на квантови компютри изглежда има огромни ползи, тъй като силициевата технология е добре установена и вече има голяма индустрия, свързана с нея. Силицийът се използва в квантовите процесори на Google и IBM, въпреки че се охлажда в тях до много ниски температури. Това не е идеалният материал за квантови системи, но учените работят върху него.

Според скорошна публикация в Nature, екип от изследователи използва микровълнова енергия, за да подравни две електронни частици, суспендирани в силиций, и след това ги използва за извършване на серия от тестови изчисления. Групата, която включваше по-специално учени от Университета на Уисконсин-Медисън, "окачва" единични електронни кубити в силиконова структура, чийто спин се определя от енергията на микровълновата радиация. В суперпозиция един електрон едновременно се върти около две различни оси. След това двата кубита бяха комбинирани и програмирани за извършване на тестови изчисления, след което изследователите сравняваха данните, генерирани от системата, с данните, получени от стандартен компютър, извършващ същите тестови изчисления. След коригиране на данните, програмируем двубитов квантов силициев процесор.

Въпреки че процентът на грешките все още е много по-висок, отколкото в така наречените йонни капани (устройства, в които заредени частици като йони, електрони, протони се съхраняват за известно време) или компютри  базирано на свръхпроводници като D-Wave, постижението остава забележително, тъй като изолирането на кубити от външен шум е изключително трудно. Специалистите виждат възможности за мащабиране и подобряване на системата. И използването на силиций, от технологична и икономическа гледна точка, е от ключово значение тук.

Въпреки това за много изследователи силицийът не е бъдещето на квантовите компютри. През декември миналата година се появи информация, че инженерите на американската компания IonQ са използвали итербий, за да създадат най-продуктивния квантов компютър в света, надминавайки системите D-Wave и IBM.

Резултатът беше машина, която съдържаше един атом в йонен капан (4) използва един кубит за данни за кодиране, а кубитите се контролират и измерват с помощта на специални лазерни импулси. Компютърът има памет, която може да съхранява 160 кубита данни. Той също така може да извършва изчисления едновременно на 79 кубита.

4. Схема на йонния капан IonQ

Учени от IonQ проведоха стандартен тест на т.нар Алгоритъм на Бернщайн-Вазирание. Задачата на машината е да отгатне число между 0 и 1023. Класическите компютри приемат единадесет предположения за 10-битово число. Квантовите компютри използват два подхода, за да отгатнат резултата със 100% сигурност. При първия опит квантовият компютър IonQ отгатна средно 73% от дадените числа. Когато алгоритъмът се изпълнява за произволно число между 1 и 1023, успеваемостта за нормален компютър е 0,2%, докато за IonQ е 79%.

Експертите на IonQ смятат, че системите, базирани на йонни капани, са по-добри от силициевите квантови компютри, които Google и други компании изграждат. Тяхната 79-кубитова матрица превъзхожда квантовия процесор на Google Bristlecone със 7 кубита. Резултатът от IonQ също е сензационен, когато става въпрос за време за работа на системата. Според създателите на машината, за един кубит той остава на 99,97%, което означава процент на грешки от 0,03%, докато най-добрите резултати от състезанието са средно около 0,5%. Процентът на 99,3-битови грешки за устройството IonQ трябва да бъде 95%, докато по-голямата част от конкуренцията не надвишава XNUMX%.

Струва си да се добави, че според изследователи на Google квантово надмощие – точката, в която квантовият компютър превъзхожда всички останали налични машини – вече може да бъде достигнат с квантов компютър с 49 кубита, при условие че процентът на грешки при две кубитови портове е под 0,5%. Въпреки това, методът на йонния капан в квантовите изчисления все още е изправен пред големи препятствия за преодоляване: бавно време за изпълнение и огромен размер, както и точността и мащабируемостта на технологията.

Крепост на шифри в руини и други последствия

През януари 2019 г. на CES 2019 главният изпълнителен директор на IBM Джини Ромети обяви, че IBM вече предлага интегрирана квантова изчислителна система за търговска употреба. IBM квантови компютри5) се намират физически в Ню Йорк като част от системата IBM Q System One. Използвайки Q Network и Q Quantum Computational Center, разработчиците могат лесно да използват софтуера Qiskit за компилиране на квантови алгоритми. По този начин изчислителната мощност на квантовите компютри на IBM е налична като услуга за изчисления в облак, на разумна цена.

D-Wave също предоставя подобни услуги от известно време, а други големи играчи (като Amazon) планират подобни предложения за квантови облаци. Microsoft отиде по-далеч с въвеждането Q# език за програмиране (произнася се като), който може да работи с Visual Studio и да работи на лаптоп. Програмистите разполагат с инструмент за симулиране на квантови алгоритми и създаване на софтуерен мост между класическите и квантовите изчисления.

Въпросът обаче е за какво всъщност могат да бъдат полезни компютрите и тяхната изчислителна мощност? В проучване, публикувано миналия октомври в списание Science, учени от IBM, Университета на Ватерло и Техническия университет в Мюнхен се опитаха да приближат типовете проблеми, които квантовите компютри изглеждат най-подходящи за решаване.

Според проучването такива устройства ще могат да решават сложни задачи линейна алгебра и оптимизационни проблеми. Звучи неясно, но може да има възможности за по-прости и по-евтини решения на проблеми, които в момента изискват много усилия, ресурси и време, а понякога са извън нашия обсег.

5. Квантов компютър на IBM

Полезни квантови изчисления променят диаметрално областта на криптографията. Благодарение на тях кодовете за криптиране могат бързо да бъдат разбити и вероятно блокчейн технологията ще бъде унищожена. RSA криптирането сега изглежда е силна и неразрушима защита, която защитава повечето данни и комуникации в света. Въпреки това, достатъчно мощен квантов компютър може лесно кракване на RSA криптиране през Алгоритъмът на Шор.

Как да го предотвратим? Някои се застъпват за увеличаване на дължината на публичните ключове за криптиране до размера, необходим за преодоляване на квантовото декриптиране. За други трябва да се използва самостоятелно, за да се гарантира сигурна комуникация. Благодарение на квантовата криптография самият акт на прихващане на данните би ги повредил, след което човекът, който се намесва в частицата, няма да може да получи полезна информация от нея, а получателят ще бъде предупреден за опита за подслушване.

Потенциалните приложения на квантовите изчисления също често се споменават. икономически анализ и прогнозиране. Благодарение на квантовите системи сложните модели на пазарно поведение могат да бъдат разширени, за да включват много повече променливи от преди, което води до по-точни диагнози и прогнози. Чрез едновременна обработка на хиляди променливи от квантов компютър, също така би било възможно да се намалят времето и разходите, необходими за разработка. нови лекарства, транспортни и логистични решения, вериги за доставки, климатични моделикакто и за решаване на много други проблеми с гигантска сложност.

Законът на Невен

Светът на старите компютри имаше свой закон на Мур, докато квантовите компютри трябва да се ръководят от т.нар. Законът на Невен. Той дължи името си на един от най-известните квантови специалисти в Google, Хартмут Невена (6), който гласи, че в момента се постигат напредък в технологията на квантовите изчисления двойна експоненциална скорост.

Това означава, че вместо да удвоява производителността с последователни итерации, какъвто беше случаят с класическите компютри и закона на Мур, квантовата технология подобрява производителността много по-бързо.

Експертите прогнозират появата на квантово превъзходство, което може да се преведе не само в превъзходство на квантовите компютри над всякакви класически, но и по други начини – като начало на ера на полезни квантови компютри. Това ще проправи пътя за пробиви в химията, астрофизика, медицина, сигурност, комуникации и др.

Съществува обаче и мнение, че такова превъзходство никога няма да има, поне не в обозримо бъдеще. По-меката версия на скептицизма е това квантовите компютри никога няма да заменят класическите компютри, защото не са проектирани за това. Не можете да замените iPhone или компютър с квантова машина, както не можете да замените обувките за тенис... с ядрен самолетоносач.. Класическите компютри ви позволяват да играете игри, да проверявате имейл, да сърфирате в мрежата и да стартирате програми. Квантовите компютри в повечето случаи извършват симулации, които са твърде сложни за двоични системи, работещи на компютърни битове. С други думи, отделните потребители няма да получат почти никаква полза от собствения си квантов компютър, но истинските бенефициенти от изобретението ще бъдат например НАСА или Масачузетския технологичен институт.

Времето ще покаже кой подход е по-подходящ - IBM или Google. Според закона на Невен, ние сме само на няколко месеца от това да видим пълна демонстрация на квантово превъзходство от един или друг отбор. И това вече не е перспектива „след десет години, т.е. не се знае кога“.