Он жылдан кейін қашан екенін ешкім білмейді

Кванттық компьютерлер туралы көптеген жарияланымдарды оқыған аз ақпараттанған адам бұл қарапайым компьютерлер сияқты жұмыс істейтін «қолданбалы» машиналар сияқты әсер қалдыруы мүмкін. Бұдан артық ештеңе болмауы мүмкін. Кейбіреулер тіпті кванттық компьютерлер әлі жоқ деп санайды. Ал басқалары олардың не үшін пайдаланылатынын таң қалдырады, өйткені олар нөлдік жүйелерді ауыстыруға арналмаған.

Алғашқы нақты және дұрыс жұмыс істейтін кванттық компьютерлер шамамен он жылдан кейін пайда болады деп жиі естиміз. Алайда, Linley Group бас сарапшысы Линлей Гвеннап мақалада атап өткендей, «адамдар кванттық компьютер он жылдан кейін пайда болады деп айтқанда, оның қашан болатынын білмейді».

Осы түсініксіз жағдайға қарамастан, деп аталатын бәсекелестік атмосферасы. кванттық үстемдік. Кванттық жұмыстарға және қытайлықтардың жетістіктеріне алаңдаған АҚШ әкімшілігі өткен жылдың желтоқсанында Ұлттық кванттық бастамалар актісін қабылдады.1). Құжат кванттық есептеулер мен технологияларды зерттеуге, әзірлеуге, көрсетуге және қолдануға федералды қолдау көрсетуге арналған. Сиқырлы он жылда АҚШ үкіметі кванттық есептеу инфрақұрылымын, экожүйелерді құруға және адамдарды жалдауға миллиардтаған қаржы жұмсайды. Кванттық компьютерлердің барлық негізгі әзірлеушілері - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft және Rigetti, сондай-ақ 1QBit және Zapata кванттық алгоритмдерін жасаушылар мұны құптады. Ұлттық кванттық бастама.

D-WAve пионерлері

2007 жылы D-Wave Systems 128-кубиттік чипті (2) аталады әлемдегі алғашқы кванттық компьютер. Алайда, бұлай атауға болатын-болмайтынына сенімділік болмады - оның құрылысы туралы егжей-тегжейсіз оның жұмысы ғана көрсетілді. 2009 жылы D-Wave Systems Google үшін «кванттық» кескін іздеу жүйесін әзірледі. 2011 жылдың мамыр айында Lockheed Martin D-Wave Systems компаниясынан кванттық компьютер сатып алды. D-толқыны 10 миллион долларға, оның жұмыс істеуіне және байланысты алгоритмдерді әзірлеуге көп жылдық келісімшартқа қол қою кезінде.

2012 жылы бұл машина энергиясы ең төмен спираль тәрізді ақуыз молекуласын табу процесін көрсетті. D-Wave Systems зерттеушілері әртүрлі сандары бар жүйелерді пайдаланады кубиттер, бірқатар математикалық есептеулерді орындады, олардың кейбіреулері классикалық компьютерлердің мүмкіндіктерінен әлдеқайда жоғары болды. Дегенмен, 2014 жылдың басында Джон Смолин мен Грэм Смит D-Wave Systems машинасы машина емес деген мақала жариялады. Көп ұзамай Табиғат физикасы D-Wave One әлі де бар екенін дәлелдейтін эксперименттердің нәтижелерін ұсынды ...

2014 жылдың маусымында өткізілген тағы бір сынақ классикалық компьютер мен D-Wave Systems машинасының арасында ешқандай айырмашылықты көрсетпеді, бірақ компания бұл айырмашылық сынақта шешілгендерге қарағанда күрделірек тапсырмалар үшін ғана байқалады деп жауап берді. 2017 жылдың басында компания мынадан тұратын машинаны таныстырды 2 мың кубитБұл ең жылдам классикалық алгоритмдерден 2500 есе жылдам болды. Екі айдан кейін бір топ ғалымдар бұл салыстырудың дұрыс еместігін тағы да дәлелдеді. Көптеген скептиктер үшін D-Wave жүйелері әлі де кванттық компьютерлер емес, олардың симуляциялар классикалық әдістерді қолдану.

Төртінші буын D-Wave жүйесі пайдаланады кванттық күйдіруал кубит күйлері асқын өткізгіш кванттық тізбектер арқылы жүзеге асырылады (Джозефсон түйісулері деп аталатындар негізінде). Олар абсолютті нөлге жақын ортада жұмыс істейді және 2048 кубит жүйесімен мақтана алады. 2018 жылдың соңында D-Wave нарыққа шықты JUMP, яғни сіздің нақты уақыттағы кванттық қолданбалы орта (ҚАЕ). Бұлтты шешім сыртқы клиенттерге нақты уақытта кванттық есептеулерге қол жеткізуге мүмкіндік береді.

2019 жылдың ақпанында D-Wave келесі буынды жариялады  Пегас. Ол «әлемдегі ең кең коммерциялық кванттық жүйе» деп жарияланды, әр кубитке алты емес, он бес қосылымы бар. 5 кубиттен жоғары және бұрын белгісіз деңгейде шуды азайтуды қосу. Құрылғы келесі жылдың ортасында сатылымға шығуы керек.

Кубиттер немесе суперпозициялар және түйісу

Стандартты компьютерлік процессорлар пакеттерге немесе ақпарат бөліктеріне сүйенеді, олардың әрқайсысы бір ғана иә немесе жоқ жауабын білдіреді. Кванттық процессорлар әртүрлі. Олар нөлдік әлемде жұмыс істемейді. шынтақ сүйегі, кванттық ақпараттың ең кіші және бөлінбейтін бірлігі сипатталған екі өлшемді жүйе болып табылады Гилберт кеңістігі. Сондықтан оның классикалық биттен айырмашылығы, ол болуы мүмкін кез келген суперпозиция екі кванттық күй. Кубиттің физикалық моделі көбінесе электрон немесе бір фотонның поляризациясы сияқты спин ½ бөлшектердің мысалы ретінде беріледі.

Кубиттердің қуатын пайдалану үшін оларды шақырылған процесс арқылы қосу керек шатасуы. Әрбір қосылған кубитпен процессордың өңдеу қуаты еселейді өздері, өйткені шиеленістердің саны процессорда бұрыннан бар барлық күйлермен жаңа кубиттің түйісуімен бірге жүреді (3). Бірақ кубиттерді жасау және біріктіру, содан кейін оларға күрделі есептеулерді орындау оңай жұмыс емес. Олар қалады сыртқы әсерлерге өте сезімталбұл есептеу қателеріне және ең нашар жағдайда, шиеленіскен кубиттердің ыдырауына әкелуі мүмкін, яғни. декогеренттілікбұл кванттық жүйелердің нағыз қарғысы. Қосымша кубиттер қосылған сайын сыртқы күштердің кері әсері артады. Бұл мәселені шешудің бір жолы - қосымша қосу кубиттер "БАҚЫЛАУ"оның жалғыз функциясы шығуды тексеру және түзету болып табылады.

3. 50-кубит IBM жүйесінің символдық көрінісі

Дегенмен, бұл ақуыз молекулаларының қатпарлану жолын анықтау немесе атомдардағы физикалық процестерді имитациялау сияқты күрделі мәселелерді шешу үшін пайдалырақ қуатты кванттық компьютерлер қажет болады дегенді білдіреді. өте кубит. Жақында Нидерландыдағы Делфт университетінің қызметкері Том Уотсон BBC News-ке:

-

Қысқасы, егер кванттық компьютерлер шығарылатын болса, сізге үлкен және тұрақты qubit процессорларын шығарудың оңай жолын табу керек.

Кубиттер тұрақсыз болғандықтан, олардың көпшілігімен жүйе құру өте қиын. Егер, ақыр соңында, кванттық есептеулерге арналған концепция ретінде кубиттер сәтсіз болса, ғалымдардың баламасы бар: кванттық қақпалар.

Пурдю университетінің командасы npj Quantum Information журналында олардың жасалуын егжей-тегжейлі сипаттайтын зерттеу жариялады. Ғалымдар бұған сенеді құдиттаркубиттерден айырмашылығы, олар екіден көп күйде болуы мүмкін - мысалы, 0, 1 және 2 - және әрбір қосылған күй үшін бір квдиттің есептеу қуаты артады. Басқаша айтқанда, бірдей көлемдегі ақпаратты кодтау және өңдеу керек. даңқ аз кубиттерге қарағанда.

Кудитті қамтитын кванттық қақпаны жасау үшін Purdue командасы төрт квдитті жиілік пен уақыт бойынша екі шатасқан фотонға кодтады. Команда фотондарды таңдады, өйткені олар қоршаған ортаға оңай әсер етпейді және бірнеше домендерді пайдалану аз фотондармен көбірек араласуға мүмкіндік берді. Аяқталған қақпаның өңдеу қуаты 20 кубит болды, бірақ ол тек төрт квдитті қажет етті, фотондарды пайдаланудың арқасында қосымша тұрақтылық оны болашақ кванттық компьютерлер үшін перспективті жүйеге айналдырды.

Кремний немесе ион тұзақтары

Бұл пікірді бәрі бірдей қолдамаса да, кванттық компьютерлерді жасау үшін кремнийді пайдалану үлкен артықшылықтарға ие болып көрінеді, өйткені кремний технологиясы жақсы қалыптасқан және онымен үлкен индустрия байланысты. Кремний Google және IBM кванттық процессорларында қолданылады, бірақ оларда өте төмен температураға дейін салқындатылады. Бұл кванттық жүйелер үшін тамаша материал емес, бірақ ғалымдар онымен жұмыс істеуде.

Жақында Nature басылымында жарияланған мәліметтерге сәйкес, зерттеушілер тобы кремнийде ілінген екі электрон бөлшектерін туралау үшін микротолқынды энергияны пайдаланып, содан кейін оларды бірқатар сынақ есептеулерін орындау үшін пайдаланды. Атап айтқанда, Висконсин-Мэдисон университетінің ғалымдары кіретін топ спині микротолқынды сәулеленудің энергиясымен анықталған кремний құрылымындағы жалғыз электронды кубиттерді «тоқтатады». Суперпозицияда электрон бір уақытта екі түрлі осьтің айналасында айналады. Содан кейін екі кубит біріктіріліп, сынақ есептеулерін орындау үшін бағдарламаланды, содан кейін зерттеушілер жүйе жасаған деректерді бірдей сынақ есептеулерін орындайтын стандартты компьютерден алынған деректермен салыстырды. Деректерді түзеткеннен кейін бағдарламаланатын екі разрядты кванттық кремний процессоры.

Қателердің пайызы әлі де ион тұзақтары (иондар, электрондар, протондар сияқты зарядталған бөлшектерді біраз уақыт сақтайтын құрылғылар) немесе компьютерлермен салыстырғанда әлдеқайда жоғары болса да.  D-Wave сияқты суперөткізгіштерге негізделген жетістік керемет болып қала береді, өйткені кубиттерді сыртқы шудан оқшаулау өте қиын. Мамандар жүйені кеңейту және жетілдіру мүмкіндіктерін көреді. Бұл жерде технологиялық және экономикалық тұрғыдан алғанда кремнийді пайдалану басты мәнге ие.

Дегенмен, көптеген зерттеушілер үшін кремний кванттық компьютерлердің болашағы емес. Өткен жылдың желтоқсан айында американдық IonQ компаниясының инженерлері D-Wave және IBM жүйелерінен асып түсетін әлемдегі ең өнімді кванттық компьютерді жасау үшін итербийді пайдаланғаны туралы ақпарат пайда болды.

Нәтижесінде ион тұзағында бір атомы бар машина пайда болды (4) кодтау үшін бір деректер кубитін пайдаланады, ал кубиттер арнайы лазерлік импульстар арқылы басқарылады және өлшенеді. Компьютерде 160 кубит деректерді сақтай алатын жады бар. Ол сонымен қатар бір уақытта 79 кубитте есептеулерді орындай алады.

4. IonQ ион тұзақтарының схемасы

IonQ ғалымдары деп аталатын стандартты сынақ жүргізді Бернштейн-Вазираниего алгоритмі. Құрылғының міндеті 0 мен 1023 арасындағы санды болжау болды. Классикалық компьютерлер 10 биттік сан үшін он бір болжамды қабылдайды. Кванттық компьютерлер нәтижені 100% сенімділікпен болжау үшін екі тәсілді пайдаланады. Бірінші әрекетте IonQ кванттық компьютері берілген сандардың орта есеппен 73% болжады. Алгоритм 1 мен 1023 аралығындағы кез келген сан үшін орындалғанда, әдеттегі компьютер үшін табыстылық деңгейі 0,2%, ал IonQ үшін бұл 79% құрайды.

IonQ сарапшылары ион тұзақтарына негізделген жүйелер Google және басқа компаниялар жасап жатқан кремний кванттық компьютерлерінен жоғары деп санайды. Олардың 79-кубиттік матрицасы Google компаниясының Bristlecone кванттық процессорынан 7 кубитке асып түседі. IonQ нәтижесі жүйенің жұмыс уақытына қатысты да сенсациялық. Машинаны жасаушылардың айтуынша, бір квбит үшін ол 99,97% деңгейінде қалады, бұл 0,03% қателік деңгейін білдіреді, ал бәсекелестіктің ең жақсы нәтижелері орташа алғанда шамамен 0,5% құрады. IonQ құрылғысы үшін екі биттік қате деңгейі 99,3% болуы керек, ал бәсекелестердің көпшілігі 95% аспайды.

Google зерттеушілерінің пікірінше, мұны қосу керек кванттық үстемдік – кванттық компьютер барлық қол жетімді машиналардан асып түсетін нүктеге – екі квбиттік қақпалардағы қателік деңгейі 49%-дан төмен болған жағдайда, 0,5 квитті кванттық компьютер арқылы қол жеткізуге болады. Дегенмен, кванттық есептеулердегі иондарды ұстау әдісі әлі де еңсеруге болатын үлкен кедергілерге тап болады: орындаудың баяу уақыты және үлкен өлшемдері, сондай-ақ технологияның дәлдігі мен ауқымдылығы.

Қирағандағы шифрлардың тірегі және басқа да салдарлар

2019 жылдың қаңтарында CES 2019 көрмесінде IBM бас директоры Джинни Рометти IBM коммерциялық мақсатта біріктірілген кванттық есептеу жүйесін ұсынып жатқанын хабарлады. IBM кванттық компьютерлері5) жүйенің бөлігі ретінде физикалық түрде Нью-Йоркте орналасқан IBM Q System One. Q Network және Q Quantum Computational Center көмегімен әзірлеушілер кванттық алгоритмдерді құрастыру үшін Qiskit бағдарламалық құралын оңай пайдалана алады. Осылайша, IBM кванттық компьютерлерінің есептеу қуаты ретінде қол жетімді бұлтты есептеулер қызметі, қолайлы баға.

D-Wave сондай-ақ біраз уақыттан бері осындай қызметтерді ұсынып келеді және басқа ірі ойыншылар (мысалы, Amazon) ұқсас кванттық бұлтты ұсыныстарды жоспарлап отыр. Microsoft кіріспемен әрі қарай жүрді Q# бағдарламалау тілі Visual Studio бағдарламасымен жұмыс істей алатын және ноутбукта жұмыс істей алатын (айтылған сияқты). Бағдарламашыларда кванттық алгоритмдерді имитациялау және классикалық және кванттық есептеулер арасында бағдарламалық көпір құру құралы бар.

Дегенмен, мәселе компьютерлер мен олардың есептеу қуаты шын мәнінде не үшін пайдалы болуы мүмкін? Өткен қазан айында Science журналында жарияланған зерттеуде IBM, Ватерлоо университеті және Мюнхен техникалық университетінің ғалымдары кванттық компьютерлер шешуге ең қолайлы болып көрінетін мәселелер түрлерін жуықтауға тырысты.

Зерттеуге сәйкес, мұндай құрылғылар күрделі мәселені шеше алады сызықтық алгебра және оңтайландыру есептері. Бұл түсініксіз болып көрінеді, бірақ қазіргі уақытта көп күш-жігерді, ресурстарды және уақытты қажет ететін және кейде біздің қолымыздан келмейтін мәселелердің қарапайым және арзанырақ шешімдерінің мүмкіндіктері болуы мүмкін.

5. IBM кванттық компьютері

Пайдалы кванттық есептеулер криптографияның өрісін диаметральды түрде өзгертеді. Олардың арқасында шифрлау кодтары тез бұзылып, мүмкін, блокчейн технологиясы жойылады. RSA шифрлауы қазір әлемдегі деректер мен коммуникациялардың көпшілігін қорғайтын күшті және бұзылмайтын қорғаныс болып көрінеді. Дегенмен, жеткілікті қуатты кванттық компьютер оңай RSA шифрлауын бұзу көмегімен Шор алгоритмі.

Оны қалай болдырмауға болады? Кейбіреулер жалпы шифрлау кілттерінің ұзақтығын кванттық шифрды шешуді жеңу үшін қажетті өлшемге дейін ұлғайтуды жақтайды. Басқалар үшін қауіпсіз байланыстарды қамтамасыз ету үшін оны жалғыз пайдалану керек. Кванттық криптографияның арқасында деректерді ұстап алу әрекетінің өзі оларды бүлдіреді, содан кейін бөлшекке кедергі келтіретін адам одан пайдалы ақпарат ала алмайды және қабылдаушыға тыңдау әрекеті туралы ескертіледі.

Кванттық есептеулердің әлеуетті қолданбалары да жиі айтылады. экономикалық талдау және болжау. Кванттық жүйелердің арқасында нарықтық мінез-құлықтың күрделі үлгілері бұрынғыдан да көп айнымалыларды қамту үшін кеңейтілуі мүмкін, бұл дәлірек диагноздар мен болжамдарға әкеледі. Кванттық компьютер арқылы мыңдаған айнымалыларды бір уақытта өңдеу арқылы әзірлеуге қажетті уақыт пен шығынды азайтуға болады. жаңа препараттар, көлік және логистикалық шешімдер, жеткізу тізбегі, климаттық модельдерсондай-ақ үлкен күрделіліктің басқа да көптеген мәселелерін шешу үшін.

Мариголд заңы

Ескі компьютерлер әлемінде өзінің Мур заңы болды, ал кванттық компьютерлер деп аталатындарды басшылыққа алу керек. Мариголд заңы. Ол өз есімін Google-дағы ең көрнекті кванттық мамандардың біріне қарыздар, Хартмут Невена (6), онда кванттық есептеу технологияларындағы жетістіктер қазіргі уақытта жасалып жатқанын айтады қос экспоненциалды жылдамдық.

Бұл классикалық компьютерлер мен Мур заңындағыдай өнімділікті дәйекті итерациялармен екі есе арттырудың орнына кванттық технология өнімділікті әлдеқайда жылдам жақсартады дегенді білдіреді.

Сарапшылар кванттық артықшылықтың пайда болуын болжайды, оны кванттық компьютерлердің кез келген классикалық компьютерлерден артықшылығына ғана емес, сонымен қатар басқа да жолдармен - пайдалы кванттық компьютерлер дәуірінің басы ретінде аударуға болады. Бұл химия, астрофизика, медицина, қауіпсіздік, байланыс және т.б. салалардағы жетістіктерге жол ашады.

Дегенмен, мұндай артықшылық ешқашан болмайды, тым болмаса жақын болашақта болмайды деген пікір де бар. Скептицизмнің жұмсақ нұсқасы - бұл кванттық компьютерлер ешқашан классикалық компьютерлерді алмастырмайды, өйткені олар мұны істеуге арналмаған. Теннис аяқ киімін ядролық ұшақ тасығышпен алмастыра алмайтындай, iPhone немесе ДК-ны кванттық машинамен алмастыра алмайсыз.. Классикалық компьютерлер ойын ойнауға, электрондық поштаны тексеруге, интернетті шарлауға және бағдарламаларды іске қосуға мүмкіндік береді. Кванттық компьютерлер көп жағдайда компьютерлік биттерде жұмыс істейтін екілік жүйелер үшін тым күрделі модельдеулерді орындайды. Басқаша айтқанда, жеке тұтынушылар өздерінің жеке кванттық компьютерінен ешқандай пайда көрмейді, бірақ өнертабыстың нақты бенефициарлары, мысалы, NASA немесе Массачусетс технологиялық институты болады.

Қай тәсіл қолайлырақ екенін уақыт көрсетеді - IBM немесе Google. Невен заңына сәйкес, біз бір немесе басқа команданың кванттық артықшылықты толық көрсетуін көруге бірнеше ай ғана қалды. Бұл енді «он жылдан кейін, яғни қашан екенін ешкім білмейді» деген перспектива емес.