Он жыл өткөндөн кийин эч ким билбейт

Кванттык компьютерлер жөнүндө бир топ басылмаларды окуган азыраак маалыматы бар адамга бул кадимки компьютерлер сыяктуу эле иштеген "текчеден тышкаркы" машиналар деген ой пайда болушу мүмкүн. Эч нерсе туура эмес болушу мүмкүн. Айрымдар алиге чейин кванттык компьютерлер жок деп эсептешет. Ал эми башкалар, алар нөл-бир системаларды алмаштыруу үчүн иштелип чыккан эмес, анткени, алар эмне үчүн колдонулат деп кызык.

Биринчи чыныгы жана туура иштеген кванттык компьютерлер болжол менен он жылдан кийин пайда болот деп көп угабыз. Бирок, Линлей Групптун башкы аналитиги Линлей Гвеннап макалада белгилегендей, «адамдар кванттык компьютер он жылдан кийин пайда болот деп айтканда, анын качан болоорун билишпейт».

Мындай бүдөмүк кырдаалга карабастан, атаандаштык атмосферасы деп аталган. кванттык үстөмдүк. Кванттык иштерге жана кытайлыктардын ийгилигине тынчсызданган АКШ администрациясы өткөн жылдын декабрь айында Улуттук кванттык демилге мыйзамын кабыл алган (1). Документ кванттык эсептөөлөрдү жана технологияларды изилдөөгө, иштеп чыгууга, көрсөтүүгө жана колдонууга федералдык колдоо көрсөтүүгө багытталган. Сыйкырдуу он жылдын ичинде АКШ өкмөтү кванттык эсептөө инфраструктурасын, экосистемаларын курууга жана адамдарды жалдоо үчүн миллиарддаган акча коротот. Кванттык компьютерлердин бардык негизги иштеп чыгуучулары – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft жана Rigetti, ошондой эле 1QBit жана Zapata кванттык алгоритмдерин түзүүчүлөр муну кубатташты. Улуттук кванттык демилге.

D-WAve пионерлери

2007-жылы D-Wave Systems 128-кубит чипти (2), аталат дүйнөдөгү биринчи кванттык компьютер. Бирок, аны ушинтип атоого болобу, анык болгон жок - анын курулушунун деталдары жок эле анын иши гана көрсөтүлдү. 2009-жылы D-Wave Systems Google үчүн "кванттык" сүрөт издөө системасын иштеп чыккан. 2011-жылдын май айында Lockheed Martin D-Wave Systems компаниясынан кванттык компьютерди сатып алган. D-толкун бири 10 миллион долларга, аны иштетүү жана тиешелүү алгоритмдерди иштеп чыгуу боюнча көп жылдык келишимге кол коюу менен бирге.

2012-жылы бул машина эң аз энергия менен спираль белок молекуласын табуу процессин көрсөткөн. D-Wave системаларынын изилдөөчүлөрү ар кандай сандар менен системаларды колдонушат кубиттер, бир катар математикалык эсептөөлөрдү жүргүзгөн, алардын айрымдары классикалык компьютерлердин мүмкүнчүлүктөрүнөн алда канча ашып кеткен. Бирок, 2014-жылдын башында Джон Смолин жана Грэм Смит D-Wave Systems машинасы машина эмес деген макала жарыялашкан. Андан көп узабай Physics of Nature эксперименттеринин жыйынтыгын көрсөттү, D-Wave One дагы эле ...

2014-жылдын июнь айындагы дагы бир сыноо классикалык компьютер менен D-Wave Systems машинасынын ортосунда эч кандай айырмачылыкты көрсөткөн жок, бирок компания айырмачылык тестте чечилгендерге караганда татаалыраак тапшырмалар үчүн гана байкалат деп жооп берди. 2017-жылдын башында, компания болжолдуу түрдө турган машинаны көрсөттү 2 миң кубБул эң ылдам классикалык алгоритмдерден 2500 эсе ылдам болгон. Жана дагы эки айдан кийин окумуштуулар тобу бул салыштыруу туура эмес экенин далилдешти. Көптөгөн скептиктер үчүн D-Wave системалары дагы эле кванттык компьютерлер эмес, алардын симуляциялар классикалык ыкмаларды колдонуу.

Төртүнчү муун D-Wave системасы колдонот кванттык күйдүрүүал эми кубиттик абалдар өтө өткөргүч кванттык схемалар аркылуу ишке ашат (Джозефсон түйүндөрү деп аталгандардын негизинде). Алар абсолюттук нөлгө жакын чөйрөдө иштешет жана 2048 кубит системасы менен мактанышат. 2018-жылдын аягында D-Wave рыногуна киргизилген ГҮЛДӨП, башкача айтканда, сенин реалдуу убакытта кванттык колдонуу чөйрөсү (KAE). Булут чечими тышкы кардарларга реалдуу убакыт режиминде кванттык эсептөөлөргө жетүү мүмкүнчүлүгүн берет.

2019-жылдын февралында D-Wave кийинки муунду жарыялады  Pegasus. Ал "дүйнөдөгү эң кеңири коммерциялык квант системасы" деп жарыяланды, ал алты эмес, он беш туташуусу бар. 5 кубиттен жогору жана мурда белгисиз денгээлде ызы-чууну азайтуу күйгүзүү. Аппарат кийинки жылдын ортосунда сатыкка чыгышы керек.

Кубиттер, же суперпозициялар плюс чырмалышкан

Стандарттык компьютердик процессорлор пакеттерге же маалымат бөлүктөрүнө таянышат, алардын ар бири бир гана ооба же жок деген жоопту билдирет. Кванттык процессорлор ар түрдүү. Алар нөл-бир дүйнөдө иштебейт. чыканак сөөгү, кванттык маалыматтын эң кичине жана бөлүнгүс бирдиги сүрөттөлгөн эки өлчөмдүү система болуп саналат Гильберт мейкиндиги. Ошондуктан, ал классикалык биттен айырмаланып турат, ал ичинде болушу мүмкүн кандайдыр бир суперпозиция эки кванттык абал. Кубиттин физикалык модели көбүнчө электрон же бир фотондун поляризациясы сыяктуу спини ½ бөлүкчөнүн мисалы катары берилет.

Кубиттердин күчүн колдонуу үчүн сиз аларды аталган процесс аркылуу туташтырышыңыз керек башаламандык. Ар бир кошулган кубит менен процессордун иштетүү күчү эки эселенген өзүн, анткени чырмалышкандардын саны жаңы кубиттин процессордо буга чейин бар болгон бардык абалдары менен коштолушу менен коштолот (3). Бирок кубиттерди түзүү жана айкалыштыруу, анан аларга татаал эсептөөлөрдү жүргүзүү оңой иш эмес. Алар калышат тышкы таасирлерге өтө сезгичэсептөө каталарына жана эң начар учурда чырмалышкан кубиттердин чиришине, б.а. декогеренциябул кванттык системалардын чыныгы каргышы. Кошумча кубиттер кошулган сайын тышкы күчтөрдүн терс таасирлери күчөйт. Бул көйгөйдү чечүүнүн бир жолу - кошумча иштетүү кубиттер "БАШКАРУУ"анын бир гана милдети чыгарууну текшерүү жана оңдоо болуп саналат.

3. 50-qubit IBM системасынын символикалык өкүлчүлүгү

Бирок бул белок молекулаларынын кантип бүктөлөөрүн аныктоо же атомдордун ичиндеги физикалык процесстерди симуляциялоо сыяктуу татаал маселелерди чечүү үчүн пайдалуураак күчтүү кванттык компьютерлер керек болот дегенди билдирет. көптөгөн кубиттер. Жакында Нидерланддагы Делфт университетинен Том Уотсон Би-Би-Си жаңылыктарына:

-

Кыскасы, эгер кванттык компьютерлер чыга турган болсо, анда сиз чоң жана туруктуу qubit процессорлорун чыгаруунун оңой жолун табышыңыз керек.

Кубиттер туруксуз болгондуктан, алардын көбү менен системаны түзүү өтө кыйын. Ошентип, акыры, кванттык эсептөөлөр үчүн концепция катары кубиттер ишке ашпай калса, окумуштуулардын альтернативасы бар: qubit кванттык дарбазалары.

Пурдю университетинин командасы npj Quantum Information журналында алардын жаралышынын чоо-жайын чагылдырган изилдөө жарыялады. Окумуштуулар буга ишенишет кудиттаркубиттерден айырмаланып, алар экиден ашык абалда болушу мүмкүн — мисалы, 0, 1 жана 2 — жана ар бир кошулган абал үчүн бир кудиттин эсептөө күчү жогорулайт. Башкача айтканда, бирдей көлөмдөгү маалыматты коддоо жана иштетүү керек. азыраак атак кубиттерге караганда.

Кудитти камтыган кванттык дарбазаны түзүү үчүн, Purdue командасы төрт кудитти жыштык жана убакыт боюнча эки чырмалышкан фотонго кодташты. Команда фотондорду тандап алды, анткени алар айлана-чөйрөгө оңой таасир этпейт жана бир нече домендерди колдонуу азыраак фотондор менен көбүрөөк аралашууга мүмкүндүк берди. Даяр дарбаза 20 кубит иштетүү кубаттуулугуна ээ болгон, бирок ал болгону төрт qudits талап кылса да, фотондорду колдонуунун эсебинен кошумча туруктуулук менен келечектеги кванттык компьютерлер үчүн келечектүү системага айланды.

Кремний же ион тузактары

Бул пикирди баары эле бөлүшпөсө да, кванттык компьютерлерди куруу үчүн кремнийди колдонуунун чоң пайдасы бар окшойт, анткени кремний технологиясы жакшы жолго коюлган жана аны менен байланышкан чоң өнөр жай бар. Кремний Google жана IBMдин кванттык процессорлорунда колдонулат, бирок аларда өтө төмөн температурага чейин муздатылган. Бул кванттык системалар үчүн идеалдуу материал эмес, бирок окумуштуулар анын үстүндө иштеп жатышат.

Nature журналында жакында жарыяланган маалыматка ылайык, изилдөөчүлөр тобу кремнийде илинген эки электрон бөлүкчөсүн тегиздөө үчүн микротолкундуу энергияны колдонуп, анан аларды бир катар сыноо эсептөөлөрүн жүргүзүү үчүн колдонушкан. Атап айтканда, Висконсин-Мэдисон университетинин окумуштуулары кирген топ спини микротолкундуу нурлануунун энергиясы менен аныкталган кремний структурасындагы жалгыз электрон кубиттерди "токтоп коюшкан". Суперпозицияда электрон бир эле учурда эки башка октун айланасында айланган. Андан кийин эки кубит бириктирилип, тесттик эсептөөлөрдү жүргүзүү үчүн программаланган, андан кийин изилдөөчүлөр система тарабынан түзүлгөн маалыматтарды бирдей тесттик эсептөөлөрдү аткарган стандарттуу компьютерден алынган маалыматтар менен салыштырышкан. Маалыматтарды оңдогондон кийин, программалоочу эки биттик кванттык кремний процессору.

Каталардын пайызы дагы эле иондук капкандарга (иондор, электрондор, протондор сыяктуу заряддалган бөлүкчөлөр бир канча убакытка чейин сакталган түзүлүштөр) же компьютерлерге караганда алда канча жогору болсо да.  D-Wave сыяктуу супер өткөргүчтөрдүн негизинде, жетишкендик таң калыштуу бойдон калууда, анткени кубиттерди тышкы ызы-чуудан изоляциялоо өтө кыйын. Адистер системаны кеңейтүү жана өркүндөтүү мүмкүнчүлүктөрүн көрүшөт. Жана технологиялык жана экономикалык көз караштан алганда, кремнийди колдонуу бул жерде негизги мааниге ээ.

Бирок, көптөгөн изилдөөчүлөр үчүн кремний кванттык компьютерлердин келечеги эмес. Өткөн жылдын декабрь айында америкалык IonQ компаниясынын инженерлери D-Wave жана IBM системаларынан ашып өткөн дүйнөдөгү эң жемиштүү кванттык компьютерди түзүү үчүн итербийди колдонушканы тууралуу маалымат пайда болгон.

Натыйжада ион капканында бир атомду камтыган машина пайда болду (4) коддоо үчүн бир маалымат кубитин колдонот жана кубиттер атайын лазердик импульстардын жардамы менен башкарылат жана өлчөнөт. Компьютерде 160 кубит маалымат сактай турган эс тутуму бар. Ошондой эле 79 кубитте бир эле учурда эсептөөлөрдү жүргүзө алат.

4. IonQ ион капканынын схемасы

IonQ илимпоздору деп аталган стандарттык тест өткөрүштү Бернштейн-Вазиран алгоритми. Машинанын милдети 0 жана 1023 ортосундагы санды болжолдоо болгон. Классикалык компьютерлер 10 биттик сан үчүн он бир божомолду кабыл алышат. Кванттык компьютерлер натыйжаны 100% ишенимдүүлүк менен болжолдоо үчүн эки ыкманы колдонушат. Биринчи аракетте, IonQ кванттык компьютери берилген сандардын орточо 73% ын болжолдогон. Алгоритм 1ден 1023кө чейинки каалаган сан үчүн иштетилгенде, типтүү компьютерде ийгилиги 0,2%, ал эми IonQ үчүн 79% түзөт.

IonQ эксперттери ион тузактарына негизделген системалар Google жана башка компаниялар куруп жаткан кремний кванттык компьютерлеринен жогору деп эсептешет. Алардын 79-кубиттик матрицасы Google'дун Bristlecone кванттык процессорунан 7 кубитке ашат. IonQ натыйжасы системанын иштөө убактысына келгенде да сенсациялуу. Машинанын жаратуучуларынын айтымында, бир кубит үчүн ал 99,97% бойдон калууда, бул 0,03% ката көрсөткүчүн билдирет, ал эми сынактын эң жакшы натыйжалары орточо эсеп менен 0,5% түздү. IonQ аппараты үчүн 99,3-бит ката ылдамдыгы 95% болушу керек, ал эми көпчүлүк атаандаштык XNUMX% ашпайт.

Google изилдөөчүлөрүнүн айтымында, муну кошумчалоо керек кванттык үстөмдүк – кванттык компьютер башка бардык колдо болгон машиналардан ашып турган чекит – эки кубиттик дарбазалардагы ката ылдамдыгы 49% дан төмөн болгон шартта, 0,5 кубитти бар кванттык компьютер менен буга чейин жетүүгө болот. Бирок, кванттык эсептөөлөрдөгү ион тузак ыкмасы дагы эле жеңе турган негизги тоскоолдуктарга дуушар болот: жай аткаруу убактысы жана чоң көлөмү, ошондой эле технологиянын тактыгы жана масштабдуулугу.

урандылардагы шифрлердин чеби жана башка кесепеттери

2019-жылдын январь айында CES 2019 көргөзмөсүндө IBM компаниясынын башкы директору Джинни Рометти IBM коммерциялык колдонуу үчүн комплекстүү кванттык эсептөө системасын сунуштап жатканын жарыялады. IBM кванттык компьютерлери5) физикалык жактан Нью-Йоркто системанын бир бөлүгү катары жайгашкан IBM Q системасы One. Q тармагын жана Q Quantum эсептөө борборун колдонуу менен иштеп чыгуучулар Quantum алгоритмдерин түзүү үчүн Qiskit программасын оңой колдоно алышат. Ошентип, IBM кванттык компьютерлеринин эсептөө күчү катары жеткиликтүү булут эсептөө кызматы, акылга сыярлык баада.

D-Wave дагы бир нече убакыттан бери ушундай кызматтарды көрсөтүп келет жана башка негизги оюнчулар (мисалы, Amazon) ушул сыяктуу кванттык булут сунуштарын пландаштырууда. Microsoft киришүү менен андан ары кетти Q# программалоо тили (окшош айтылат) ал Visual Studio менен иштей алат жана ноутбукта иштей алат. Программисттерде кванттык алгоритмдерди имитациялоо жана классикалык жана кванттык эсептөөлөрдүн ортосунда программалык көпүрө түзүү куралы бар.

Бирок, суроо, компьютерлер жана алардын эсептөө күчү чындыгында эмне үчүн пайдалуу болушу мүмкүн? Өткөн жылдын октябрь айында Science журналында жарыяланган изилдөөдө IBM, Ватерлоо университети жана Мюнхен техникалык университетинин окумуштуулары кванттык компьютерлер чечүүгө эң ылайыктуу көрүнгөн маселелердин түрлөрүн болжолдоого аракет кылышкан.

Изилдөөгө ылайык, мындай аппараттар комплекстүү чече алат сызыктуу алгебра жана оптималдаштыруу маселелери. Бул бүдөмүк угулат, бирок учурда көп күч-аракетти, ресурстарды жана убакытты талап кылган, кээде биздин колубуздан келбеген маселелерди жөнөкөй жана арзаныраак чечүү үчүн мүмкүнчүлүктөр болушу мүмкүн.

5. IBM кванттык компьютери

Пайдалуу кванттык эсептөө криптография тармагын диаметриалдуу түрдө өзгөртүү. Алардын жардамы менен шифрлөө коддору тез бузулуп, мүмкүн, блокчейн технологиясы жок кылынат. RSA шифрлөө азыр дүйнөдөгү маалыматтардын жана байланыштардын көбүн коргогон күчтүү жана бузулбас коргонуу болуп көрүнөт. Бирок, жетиштүү кубаттуу кванттык компьютер оңой эле жасай алат Crac RSA шифрлөө жардамы менен Шора алгоритми.

Кантип алдын алса болот? Айрымдар коомдук шифрлөө ачкычтарынын узундугун кванттык шифрлөөдөн чыгуу үчүн зарыл болгон өлчөмдө көбөйтүүнү жакташат. Башкалар үчүн коопсуз байланышты камсыз кылуу үчүн ал жалгыз колдонулушу керек. Кванттык криптографиянын аркасында маалыматтарды кармап калуу актынын өзү аларды бузуп, андан кийин бөлүкчөгө кийлигишкен адам андан пайдалуу маалымат ала албай калат жана алуучуга тыңшоо аракети тууралуу эскертүү берилет.

Кванттык эсептөөлөрдүн потенциалдуу колдонмолору да көп айтылат. экономикалык талдоо жана болжолдоо. Кванттык системалардын аркасында рыноктун жүрүм-турумунун татаал моделдери мурункуга караганда көбүрөөк өзгөрмөлөрдү камтышы үчүн кеңейтилиши мүмкүн, бул так диагноздорго жана болжолдоого алып келет. Миңдеген өзгөрмөлөрдү бир эле учурда кванттык компьютер менен иштетүү менен, ошондой эле иштеп чыгуу үчүн талап кылынган убакытты жана чыгымды кыскартууга болот. жаңы дарылар, транспорттук жана логистикалык чечимдер, жеткирүү чынжырлары, климаттык моделдерошондой эле эбегейсиз татаал башка коп проблемаларды чечуу учун.

Невенанын мыйзамы

Эски компьютерлер дүйнөсүндө өзүнүн Мур мыйзамы болгон, ал эми кванттык компьютерлер деп аталган нерсени жетекчиликке алуу керек. Невенанын мыйзамы. Ал өзүнүн аты Google компаниясынын эң көрүнүктүү кванттык адистеринин бирине милдеттүү. Хартмут Невена (6), анда кванттык эсептөө технологиясынын жетишкендиктери учурда жасалып жатканын айтат кош экспоненциалдык ылдамдык.

Бул классикалык компьютерлерде жана Мур мыйзамында болгондой, ырааттуу кайталоо менен өндүрүмдүүлүктү эки эсеге көбөйтүүнүн ордуна, кванттык технология өндүрүмдүүлүктү тезирээк жакшыртат дегенди билдирет.

Эксперттер кванттык артыкчылыктын пайда болушун алдын ала айтууда, аны кванттык компьютерлердин ар кандай классикалык компьютерлерден артыкчылыгы катары гана эмес, башка жолдор менен да – пайдалуу кванттык компьютерлердин доорунун башталышы катары которууга болот. Бул химия, астрофизика, медицина, коопсуздук, байланыш жана башка тармактарда жетишкендиктерге жол ачат.

Бирок, мындай артыкчылык эч качан, жок дегенде жакынкы келечекте болбойт деген пикирлер да бар. Скептицизмдин жеңилирээк версиясы - бул кванттык компьютерлер классикалык компьютерлердин ордун эч качан алмаштыра албайт, анткени алар бул үчүн иштелип чыккан эмес. Теннис бут кийимин... ядролук учак конуучу кеме менен алмаштыра албаган сыяктуу, iPhone же компьютерди кванттык машина менен алмаштыра албайсыз.. Классикалык компьютерлер сизге оюндарды ойноого, электрондук почтаны текшерүүгө, интернетте сүзүүгө жана программаларды иштетүүгө мүмкүнчүлүк берет. Кванттык компьютерлер көпчүлүк учурларда компьютердик биттерде иштеген бинардык системалар үчүн өтө татаал симуляцияларды аткарышат. Башкача айтканда, жеке керектөөчүлөр өздөрүнүн кванттык компьютеринен дээрлик эч кандай пайда алышпайт, бирок ойлоп табуунун чыныгы бенефициарлары, мисалы, NASA же Массачусетс технологиялык институту болот.

Кайсы ыкма ылайыктуураак экенин убакыт көрсөтөт - IBM же Google. Невендин законуна ылайык, биз тигил же бул команданын кванттык артыкчылыгын толук демонстрациялоосуна саналуу гана айлар калды. Бул эми "он жылдан кийин, башкача айтканда, качан эч ким билбейт" деген келечек эмес.