On yıl sonra kimse ne zaman olduğunu bilmiyor

Kuantum bilgisayarlar hakkında bir sürü yayın okumuş daha az bilgili bir kişi, bunların sıradan bilgisayarlarla aynı şekilde çalışan "kullanıma hazır" makineler olduğu izlenimini edinebilir. Hiçbir şey daha yanlış olamaz. Hatta bazıları henüz kuantum bilgisayarların olmadığına inanıyor. Ve diğerleri, sıfır bir sistemlerin yerini alacak şekilde tasarlanmadıkları için ne için kullanılacağını merak ediyor.

İlk gerçek ve düzgün çalışan kuantum bilgisayarların yaklaşık on yıl içinde ortaya çıkacağını sık sık duyuyoruz. Ancak Linley Group baş analisti Linley Gwennap'ın makalede belirttiği gibi, "insanlar bir kuantum bilgisayarının on yıl içinde ortaya çıkacağını söylediğinde, bunun ne zaman olacağını bilmiyorlar."

Bu belirsiz duruma rağmen, rekabet ortamı sözde. kuantum hakimiyeti Kuantum çalışması ve Çinlilerin başarısı hakkında endişe duyan ABD yönetimi, geçen Aralık ayında Ulusal Kuantum Girişimi Yasasını onayladı (1). Belge, kuantum hesaplama ve teknolojilerinin araştırılması, geliştirilmesi, gösterilmesi ve uygulanması için federal destek sağlamayı amaçlamaktadır. Büyülü bir on yıl içinde, ABD hükümeti kuantum bilgi işlem altyapısı, ekosistemler inşa etmek ve insanları işe almak için milyarlarca dolar harcayacak. Kuantum bilgisayarların tüm büyük geliştiricileri - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft ve Rigetti ile kuantum algoritmalarının yaratıcıları 1QBit ve Zapata bunu memnuniyetle karşıladı. Ulusal Kuantum Girişimi.

D-WAve Öncüleri

2007'de D-Wave Systems, 128 kübitlik bir çip tanıttı (2), denir dünyanın ilk kuantum bilgisayarı. Ancak bu şekilde adlandırılıp adlandırılamayacağı kesin değildi; tasarımına ilişkin herhangi bir ayrıntı olmadan yalnızca işleyişi gösterildi. 2009 yılında D-Wave Systems, Google için bir “kuantum” görsel arama sistemi geliştirdi. Mayıs 2011'de Lockheed Martin, D-Wave Systems tarafından üretilen bir kuantum bilgisayarı satın aldı. D dalgası bir 10 milyon dolar karşılığında, çalışması ve ilgili algoritmaların geliştirilmesi için çok yıllı bir sözleşme imzalarken.

2012 yılında bu makine, en düşük enerjiye sahip sarmal protein molekülünü bulma sürecini göstermiştir. D-Wave Systems araştırmacıları farklı sayılara sahip sistemler kullanıyor kübitler, bazıları klasik bilgisayarların yeteneklerinin çok ötesinde olan bir dizi matematiksel hesaplama yaptı. Ancak 2014 yılının başlarında John Smolin ve Graham Smith, D-Wave Systems makinesinin bir makine olmadığını iddia eden bir makale yayınladılar. Kısa bir süre sonra, Physics of Nature, D-Wave One'ın hala ...

Haziran 2014'teki bir başka test, klasik bir bilgisayar ile D-Wave Systems makinesi arasında hiçbir fark göstermedi, ancak şirket, farkın yalnızca testte çözülenlerden daha karmaşık görevler için fark edildiğini söyledi. 2017 yılının başlarında, şirket görünüşte aşağıdakilerden oluşan bir makineyi tanıttı: 2 bin kübiten hızlı klasik algoritmalardan 2500 kat daha hızlıydı. Ve yine, iki ay sonra, bir grup bilim adamı bu karşılaştırmanın doğru olmadığını kanıtladı. Birçok şüpheci için D-Wave sistemleri hala kuantum bilgisayarlar değil, simülasyonlar klasik yöntemler kullanarak.

Dördüncü nesil D-Wave sistemi kullanır kuantum tavlamave bir kübitin durumları süperiletken kuantum devreleriyle (Josephson bağlantılarına dayalı olarak) gerçekleştirilir. Mutlak sıfıra yakın bir ortamda çalışırlar ve 2048 kübitlik bir sisteme sahiptirler. 2018 sonunda D-Wave piyasaya sunuldu JUMP, bu senin gerçek zamanlı kuantum uygulama ortamı (KAE). Bulut çözümü, harici istemcilere kuantum hesaplamaya gerçek zamanlı erişim sağlar.

Şubat 2019'da D-Wave, yeni nesli duyurdu  Пегас. Altı yerine kübit başına on beş bağlantıyla "dünyanın en kapsamlı ticari kuantum sistemi" olduğu açıklandı. 5 kübitten fazla ve önceden bilinmeyen bir seviyede gürültü azaltmayı açma. Cihaz önümüzdeki yılın ortasında satışa çıkacak.

Kübitler veya süperpozisyonlar artı karışıklık

Standart bilgisayar işlemcileri, her biri tek bir evet veya hayır cevabını temsil eden paketlere veya bilgi parçalarına dayanır. Kuantum işlemciler farklıdır. Sıfır bir dünyada çalışmıyorlar. dirsek kemiği, kuantum bilgisinin en küçük ve bölünemez birimi, tanımlanan iki boyutlu sistemdir. Hilbert uzayı. Bu nedenle, klasik vuruştan farklı olabilir. herhangi bir süperpozisyon iki kuantum durumu Bir kübitin fiziksel modeli çoğunlukla elektron gibi ½ spinli bir parçacığın veya tek bir fotonun polarizasyonunun bir örneği olarak verilir.

Kübitlerin gücünden faydalanmak için, onları kübit adı verilen bir süreçle birbirine bağlamanız gerekir. karışıklık. Eklenen her kübit ile işlemcinin işlem gücü çiftler kendilerini, karışıklıkların sayısına, işlemcide halihazırda mevcut olan tüm durumlarla yeni bir kübitin dolanması eşlik ettiğinden (3). Ancak kübitler oluşturup birleştirmek ve ardından onlara karmaşık hesaplamalar yapmalarını söylemek kolay bir iş değil. kalırlar dış etkilere karşı son derece hassasbu da hesaplama hatalarına ve en kötü durumda dolaşmış kübitlerin bozulmasına, yani uyumsuzlukkuantum sistemlerinin gerçek laneti budur. Ek kübitler eklendikçe, dış kuvvetlerin olumsuz etkileri artar. Bu sorunla başa çıkmanın bir yolu, ek kübitler "KONTROL"tek işlevi çıktıyı kontrol etmek ve düzeltmektir.

3. 50 kübitlik IBM sisteminin sembolik temsili

Ancak bu, protein moleküllerinin nasıl katlandığını belirlemek veya atomların içindeki fiziksel süreçleri simüle etmek gibi karmaşık sorunları çözmek için yararlı olan daha güçlü kuantum bilgisayarlara ihtiyaç duyulacağı anlamına gelir. birçok kübit. Hollanda'daki Delft Üniversitesi'nden Tom Watson kısa süre önce BBC News'e şunları söyledi:

-

Kısacası, kuantum bilgisayarlar havalanacaksa, büyük ve kararlı kübit işlemciler üretmenin kolay bir yolunu bulmanız gerekiyor.

Kübitler kararsız olduklarından, birçoğuyla bir sistem oluşturmak son derece zordur. Sonuç olarak, kuantum hesaplama kavramı olarak kübitler başarısız olursa, bilim adamlarının bir alternatifi var: kübit kuantum kapıları.

Purdue Üniversitesi'nden bir ekip, npj Quantum Information'da yaratımlarını detaylandıran bir çalışma yayınladı. Bilim adamları buna inanıyor kuditlerKübitlerden farklı olarak 0, 1 ve 2 gibi ikiden fazla durumda bulunabilirler ve eklenen her durum için bir qudit'in hesaplama gücü artar. Başka bir deyişle, aynı miktarda bilgiyi kodlamanız ve işlemeniz gerekir. daha az zafer kübitlerden daha fazla.

Qudits içeren kuantum kapıları oluşturmak için Purdue ekibi, frekans ve zaman açısından dört quditi iki dolaşık fotona kodladı. Ekip, çevreyi o kadar kolay etkilemedikleri için fotonları seçti ve birden fazla etki alanı kullanmak, daha az fotonla daha fazla dolaşıklığa izin verdi. Bitmiş geçidin 20 kübitlik bir işlem gücü vardı, ancak fotonların kullanımı nedeniyle ek stabilite ile sadece dört qudit gerektirmesine rağmen, onu gelecekteki kuantum bilgisayarlar için umut verici bir sistem haline getirdi.

Silikon veya iyon tuzakları

Herkes bu görüşü paylaşmasa da, kuantum bilgisayarları oluşturmak için silikon kullanımının büyük faydaları olduğu görülüyor, çünkü silikon teknolojisi iyi kurulmuş ve zaten onunla ilişkili büyük bir endüstri var. Silikon, Google ve IBM kuantum işlemcilerinde çok düşük sıcaklıklara soğutulmasına rağmen kullanılır. Kuantum sistemleri için ideal bir malzeme değil, ancak bilim adamları üzerinde çalışıyorlar.

Nature'da yakın zamanda yayınlanan bir yayına göre, bir araştırma ekibi silikon içinde asılı duran iki elektron parçacığını hizalamak için mikrodalga enerjisini kullandı ve daha sonra bunları bir dizi test hesaplaması yapmak için kullandı. Özellikle Wisconsin-Madison Üniversitesi'nden bilim adamlarını içeren grup, dönüşü mikrodalga radyasyonunun enerjisiyle belirlenen bir silikon yapısında tek elektron kübitlerini "askıya aldı". Bir süperpozisyonda, bir elektron aynı anda iki farklı eksen etrafında döndürülür. İki kübit daha sonra birleştirildi ve test hesaplamaları yapmak için programlandı, ardından araştırmacılar sistem tarafından üretilen verileri aynı test hesaplamalarını yapan standart bir bilgisayardan alınan verilerle karşılaştırdı. Verileri düzelttikten sonra programlanabilir bir iki bit kuantum silikon işlemci.

Hata yüzdesi hala iyon tuzakları (iyonlar, elektronlar, protonlar gibi yüklü parçacıkların bir süre depolandığı cihazlar) veya bilgisayarlardan çok daha yüksek olmasına rağmen  D-Wave gibi süper iletkenlere dayalı olarak, kübitleri dış gürültüden izole etmek son derece zor olduğu için başarı dikkat çekici olmaya devam ediyor. Uzmanlar, sistemi ölçeklendirme ve iyileştirme fırsatlarını görüyor. Ve teknolojik ve ekonomik açıdan silikon kullanımı burada kilit öneme sahiptir.

Ancak birçok araştırmacı için silikon, kuantum bilgisayarların geleceği değil. Geçen yıl Aralık ayında, Amerikan şirketi IonQ'nun mühendislerinin, D-Wave ve IBM sistemlerini geride bırakarak dünyanın en üretken kuantum bilgisayarını oluşturmak için iterbiyum kullandığı bilgisi ortaya çıktı.

Sonuç, bir iyon tuzağında tek bir atom içeren bir makineydi (4) kodlama için tek bir veri kübiti kullanır ve kübitler özel lazer darbeleri kullanılarak kontrol edilir ve ölçülür. Bilgisayarın 160 kübit veri depolayabilen bir belleği vardır. Ayrıca 79 kübit üzerinde aynı anda hesaplamalar yapabilir.

4. IonQ iyon tuzağının şeması

IonQ'dan bilim adamları, sözde standart bir test yaptılar. Bernstein-Vaziranian algoritması. Makinenin görevi 0 ile 1023 arasında bir sayı tahmin etmekti. Klasik bilgisayarlar 10 bitlik bir sayı için on bir tahmin alır. Kuantum bilgisayarlar, sonucu %100 kesinlik ile tahmin etmek için iki yaklaşım kullanır. İlk denemede, IonQ kuantum bilgisayarı verilen sayıların ortalama %73'ünü tahmin etti. Algoritma 1 ile 1023 arasında herhangi bir sayı için çalıştırıldığında, tipik bir bilgisayar için başarı oranı %0,2, IonQ için ise %79'dur.

IonQ uzmanları, iyon tuzaklarına dayalı sistemlerin, Google ve diğer şirketlerin geliştirdiği silikon kuantum bilgisayarlardan daha üstün olduğuna inanıyor. 79 kübitlik matrisleri, Google'ın Bristlecone kuantum işlemcisinden 7 kübit ile daha iyi performans gösteriyor. IonQ sonucu, sistem çalışma süresi söz konusu olduğunda da sansasyoneldir. Makinenin yaratıcılarına göre, tek bir kübit için, %99,97'de kalıyor, bu da %0,03'lük bir hata oranı anlamına gelirken, yarışmanın en iyi sonuçları ortalama %0,5 civarındaydı. IonQ cihazı için 99,3 bitlik hata oranı %95 olmalı, rekabetin çoğu %XNUMX'i geçmemelidir.

Google araştırmacılarına göre şunu da eklemekte fayda var. kuantum üstünlüğü Bir kuantum bilgisayarın diğer tüm mevcut makinelerden daha iyi performans gösterdiği noktaya, iki kübitlik geçitlerdeki hata oranının %49'in altında olması koşuluyla, 0,5 kübitlik bir kuantum bilgisayarla zaten ulaşılabilir. Bununla birlikte, kuantum hesaplamadaki iyon tuzağı yöntemi hala aşılması gereken büyük engellerle karşı karşıyadır: yavaş yürütme süresi ve devasa boyutun yanı sıra teknolojinin doğruluğu ve ölçeklenebilirliği.

Harabelerdeki şifrelerin kalesi ve diğer sonuçlar

Ocak 2019'da CES 2019'da IBM CEO'su Ginni Rometty, IBM'in zaten ticari kullanım için entegre bir kuantum hesaplama sistemi sunduğunu duyurdu. IBM kuantum bilgisayarları5) fiziksel olarak sistemin bir parçası olarak New York'ta bulunuyorsa IBM Q Sistemi Bir. Geliştiriciler, Q Ağı ve Q Kuantum Hesaplama Merkezini kullanarak kuantum algoritmalarını derlemek için Qiskit yazılımını kolayca kullanabilir. Böylece, IBM kuantum bilgisayarlarının bilgi işlem gücü şu şekilde mevcuttur: bulut bilişim hizmeti, uygun fiyatlı.

D-Wave ayrıca bir süredir bu tür hizmetleri sağlıyor ve diğer büyük oyuncular (Amazon gibi) benzer kuantum bulut teklifleri planlıyor. Microsoft tanıtımla daha da ileri gitti Q# programlama dili (gibi telaffuz edilir) Visual Studio ile çalışabilir ve bir dizüstü bilgisayarda çalışabilir. Programcılar, kuantum algoritmalarını simüle etmek ve klasik ile kuantum hesaplama arasında bir yazılım köprüsü oluşturmak için bir araca sahiptir.

Ancak asıl soru, bilgisayarlar ve onların bilgi işlem gücü gerçekte ne için yararlı olabilir? Geçen Ekim ayında Science dergisinde yayınlanan bir çalışmada, IBM, Waterloo Üniversitesi ve Münih Teknik Üniversitesi'nden bilim adamları, kuantum bilgisayarların çözmeye en uygun göründüğü problem türlerini tahmin etmeye çalıştılar.

Çalışmaya göre, bu tür cihazlar karmaşık sorunları çözebilecek lineer cebir ve optimizasyon problemleri. Kulağa belirsiz geliyor, ancak şu anda çok fazla çaba, kaynak ve zaman gerektiren ve bazen bizim ulaşamayacağımız sorunlara daha basit ve daha ucuz çözümler için fırsatlar olabilir.

5. IBM kuantum bilgisayarı

Faydalı kuantum hesaplama kriptografi alanını taban tabana değiştir. Onlar sayesinde, şifreleme kodları hızla kırılabilir ve muhtemelen, Blockchain teknolojisi yok edilecek. RSA şifrelemesi artık dünyadaki veri ve iletişimlerin çoğunu koruyan güçlü ve yok edilemez bir savunma gibi görünüyor. Ancak, yeterince güçlü bir kuantum bilgisayar, RSA şifrelemesini kırmak üzerinden Shora'nın algoritması.

Nasıl önlenir? Bazıları, genel şifreleme anahtarlarının uzunluğunu kuantum şifre çözmenin üstesinden gelmek için gereken boyuta yükseltmeyi savunuyor. Diğerleri için, güvenli iletişim sağlamak için tek başına kullanılmalıdır. Kuantum kriptografisi sayesinde, veriye müdahale etme eylemi bile onları bozar, bundan sonra parçacığa müdahale eden kişi ondan faydalı bilgiler alamaz ve alıcı gizli dinleme girişimi hakkında uyarılırdı.

Kuantum hesaplamanın potansiyel uygulamalarından da sıklıkla bahsedilir. ekonomik analiz ve tahmin. Kuantum sistemleri sayesinde, karmaşık piyasa davranışı modelleri, eskisinden çok daha fazla değişken içerecek şekilde genişletilebilir ve bu da daha doğru teşhis ve tahminlere yol açar. Binlerce değişkeni bir kuantum bilgisayar tarafından eş zamanlı olarak işleyerek, geliştirme için gereken süreyi ve maliyeti azaltmak da mümkün olacaktır. yeni ilaçlar, nakliye ve lojistik çözümleri, tedarik zincirleri, iklim modelleriyanı sıra devasa karmaşıklıktaki diğer birçok sorunu çözmek için.

Nevena yasası

Eski bilgisayar dünyasının kendi Moore yasası vardı, kuantum bilgisayarları ise sözde Nevena yasası. Adını Google'ın en önde gelen kuantum uzmanlarından birine borçludur. Hartmut Nevena (6), kuantum hesaplama teknolojisindeki ilerlemelerin şu anda yapıldığını belirten çift ​​üstel hız.

Bu, klasik bilgisayarlarda ve Moore yasasında olduğu gibi, ardışık yinelemelerle performansı iki katına çıkarmak yerine, kuantum teknolojisinin performansı çok daha hızlı iyileştirdiği anlamına gelir.

Uzmanlar, yalnızca kuantum bilgisayarların herhangi bir klasik bilgisayar üzerindeki üstünlüğüne değil, aynı zamanda başka yollarla da - kullanışlı kuantum bilgisayarları çağının başlangıcı olarak çevrilebilecek olan kuantum üstünlüğünün gelişini tahmin ediyor. Bu, kimya, astrofizik, tıp, güvenlik, iletişim ve daha pek çok alanda atılımların önünü açacak.

Ancak, en azından yakın gelecekte böyle bir üstünlüğün asla olmayacağı yönünde bir görüş de var. Şüpheciliğin daha hafif bir versiyonu, kuantum bilgisayarlar asla klasik bilgisayarların yerini almayacak çünkü bunu yapmak için tasarlanmamışlardır. Bir iPhone veya PC'yi kuantum makinesiyle değiştiremezsiniz, tıpkı tenis ayakkabılarını nükleer bir uçak gemisiyle değiştiremeyeceğiniz gibi.. Klasik bilgisayarlar oyun oynamanıza, e-postalarınızı kontrol etmenize, internette gezinmenize ve programları çalıştırmanıza izin verir. Kuantum bilgisayarlar çoğu durumda bilgisayar bitleri üzerinde çalışan ikili sistemler için çok karmaşık simülasyonlar gerçekleştirir. Başka bir deyişle, bireysel tüketiciler kendi kuantum bilgisayarlarından neredeyse hiçbir fayda sağlamayacaklar, ancak buluşun gerçek faydalanıcıları örneğin NASA veya Massachusetts Teknoloji Enstitüsü olacak.

Hangi yaklaşımın daha anlamlı olduğunu zaman gösterecek: IBM mi yoksa Google mı? Neven Yasasına göre, şu ya da bu ekip tarafından kuantum üstünlüğünün tam olarak sergilendiğini görmeye yalnızca birkaç ay uzaktayız. Ve bu artık "on yıl sonra, kim bilir ne zaman" ihtimali değil.