Через десять років невідомо коли

У менш поінформованої людини, яка прочитала цілу купу публікацій про квантові комп'ютери, може скластися враження, що це «готові» машини, що працюють так само, як і звичайні комп'ютери. Ніщо не могло бути більш неправильним. Дехто навіть вважає, що квантових комп'ютерів поки що немає. А інші запитують, для чого вони будуть використовуватися, оскільки вони не створені для заміни систем нуль-одиниця.

Ми часто чуємо, що перші справжні та нормально функціонуючі квантові комп'ютери з'являться приблизно через десятиліття. Проте, як зазначив у статті Лінлі Гвеннап, головний аналітик Linley Group, «коли люди кажуть, що квантовий комп'ютер з'явиться за десять років, вони не знають, коли це станеться».

Незважаючи на цю невиразну ситуацію, відчувається атмосфера конкуренції за т.зв. квантова перевага. Стурбована квантовими роботами та успіхами китайців, американська адміністрація у грудні минулого року прийняла Акт про національну квантову ініціативу.1). Документ призначений для надання федеральної підтримки дослідженням, розробкам, демонстрації та застосування квантових обчислень та технологій. За чарівні десять років уряд США витратить мільярди на створення інфраструктури квантових обчислень, екосистеми та набір людей. Всі основні розробники квантових комп'ютерів – D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft та Rigetti, а також творці квантових алгоритмів 1QBit та Zapata вітали це. Національна квантова ініціатива.

Піонери D-WAve

У 2007 році компанія D-Wave Systems представила 128-кубітний чіп.2), називається перший у світі квантовий комп'ютер. Однак не було впевненості, чи можна його так назвати – було показано лише його роботу без будь-яких подробиць його конструкції. У 2009 році компанія D-Wave Systems розробила для Google "квантову" систему пошуку зображень. У травні 2011 року Lockheed Martin придбала квантовий комп'ютер виробництва D-Wave Systems. D-хвиля один за 10 мільйонів доларів, при цьому підписавши багаторічний контракт на його експлуатацію та розробку відповідних алгоритмів.

У 2012 році ця машина продемонструвала процес знаходження спіральної білкової молекули з найменшою енергією. Дослідники з D-Wave Systems використовують системи з різними номерами кубити, виконав ряд математичних обчислень, деякі з яких були далеко поза межами можливостей класичних комп'ютерів. Однак на початку 2014 року Джон Смолін та Грем Сміт опублікували статтю, в якій стверджували, що машина D-Wave Systems не була машиною. Незабаром після цього «Фізика природи» представила результати експериментів, що доводять, що D-Wave One все-таки…

Інший тест, проведений у червні 2014 року, не показав різниці між класичним комп'ютером і машиною D-Wave Systems, але компанія відповіла, що різниця помітна тільки для складніших завдань, ніж ті, що вирішуються. На початку 2017 року компанія представила машину, яка нібито складається з 2 тисячі кубитищо було у 2500 разів швидше за найшвидші класичні алгоритми. І знову через два місяці група вчених довела, що це порівняння не було точним. Для багатьох скептиків системи D-Wave, як і раніше, є не квантовими комп'ютерами, а їх симуляції Використовуючи класичні методи.

Система D-Wave четвертого покоління використовує квантові відпалиа стани кубіту реалізуються надпровідними квантовими ланцюгами (на основі так званих джозефсонівських контактів). Вони працюють у середовищі, близькому до абсолютного нуля, і можуть похвалитися системою з 2048 кубітів. Наприкінці 2018 року компанія D-Wave представила на ринку Стрибок, тобто свій середовище квантових додатків реального часу (КАЕ). Хмарне рішення забезпечує доступ зовнішніх клієнтів до квантових обчислень як реального часу.

У лютому 2019 року D-Wave анонсувала наступне покоління  Пегас. Було оголошено, що це «найширша комерційна квантова система у світі» з п'ятнадцятьма з'єднаннями на кубіт замість шести, з більше 5 кубитів та включення шумоподавлення на раніше невідомому рівні. Пристрій має з'явитись у продажу в середині наступного року.

Кубіти, або суперпозиції плюс заплутаність

Стандартні комп'ютерні процесори покладаються на пакети чи фрагменти інформації, кожен із яких є одна відповідь «так» чи «ні». Квантові процесори різні. Вони не працюють у світі нуль-одиниця. ліктьова кістка, найменша і неподільна одиниця квантової інформації є двомірною системою, що описується. Гільбертовий простір. Тому вона відрізняється від класичної біти тим, що може бути в будь-яка суперпозиція два квантові стани. Як фізична модель кубіту найчастіше наводиться приклад частинки зі спином ½, наприклад електрона, або поляризації одиночного фотона.

Щоб використовувати потужність кубитів, ви повинні з'єднати їх за допомогою процесу, що називається плутанина. З кожним доданим кубитом обчислювальна потужність процесора подвоюється самі, так як кількість заплутувань супроводжується заплутуванням нового кубіту з усіма станами, що вже є в процесорі (3). Але створення та об'єднання кубитів, а потім вказівка ​​їм виконувати заплутані обчислення – непросте завдання. Вони залишаються надзвичайно чутливий до зовнішніх впливівщо може призвести до помилок обчислень і, у разі, до розпаду заплутаних кубитів, тобто. декогерентністьщо є справжнім прокляттям квантових систем. У міру додавання додаткових кубитів несприятливий вплив зовнішніх сил посилюється. Один із способів упоратися з цією проблемою – включити додаткові кубити “Контроль”єдиною функцією якого стає перевірка та виправлення вихідних даних.

3. Символічне уявлення 50-кубітної системи IBM

Однак це означає, що потрібні потужніші квантові комп'ютери, корисні для вирішення складних завдань, таких як визначення того, як згортаються білкові молекули, або моделювання фізичних процесів усередині атомів. багато кубітів. Том Вотсон з Делфтського університету в Нідерландах недавно сказав BBC News:

-

Якщо квантові комп'ютери хочуть злетіти, вам потрібно придумати простий спосіб виробництва великих і стабільних кубитних процесорів.

Оскільки кубити нестабільні, створити систему з багатьма їх дуже складно. Так що, якщо кубити як концепція квантових обчислень зазнають невдачі, у вчених є альтернатива: квантові вентилі кубитів.

Команда з Університету Пердью опублікувала дослідження в npj Quantum Information, в якому докладно описала своє створення. Вчені вважають, що кудитина відміну від кубитів, вони можуть існувати більш ніж у двох станах - наприклад, 0, 1 та 2, і для кожного доданого стану обчислювальна потужність одного кудиту збільшується. Іншими словами, вам потрібно кодувати та обробляти однакову кількість інформації. менше слави ніж кубити.

Для створення квантових воріт, що містять кудит, команда Purdue закодувала чотири кудити в два заплутані фотони з точки зору частоти і часу. Команда обрала фотони, тому що вони не так легко впливають на навколишнє середовище, а використання кількох доменів дозволило досягти більшої заплутаності з меншою кількістю фотонів. Готовий вентиль мав обчислювальну потужність 20 кубитів, хоча для цього потрібно всього чотири кудити, з додатковою стабільністю завдяки використанню фотонів, що робило його перспективною системою для майбутніх квантових комп'ютерів.

Кремнієві або іонні пастки

Хоча не всі поділяють цю думку, використання кремнію для створення квантових комп'ютерів, мабуть, має величезні переваги, оскільки кремнієва технологія добре освоєна і з нею вже пов'язана велика промисловість. Кремній використовується в квантових процесорах Google і IBM, хоча й охолоджується до дуже низьких температур. Не ідеальний матеріал для квантових систем, але вчені над ним працюють.

Згідно з недавньою публікацією в Nature, група дослідників використовувала мікрохвильову енергію для вирівнювання двох електронних частинок, зважених у кремнії, а потім використовувала їх для виконання тестових розрахунків. Група, в яку входили, зокрема, вчені з Університету Вісконсін-Медісон «підвісили» в кремнієвій структурі одиночні електронні кубити, спин яких визначався енергією мікрохвильового випромінювання. У суперпозиції електрон одночасно обертався навколо двох різних осей. Потім два кубіти були об'єднані і запрограмовані для виконання пробних розрахунків, після чого дослідники зіставили дані, що згенеровані системою, з даними, отриманими від стандартного комп'ютера, що виконує ті самі тестові розрахунки. Після коригування даних було зроблено програмовану двобітний квантовий кремнієвий процесор.

Хоча відсоток помилок все ще набагато вищий, ніж у так званому іонні пастки (пристрої, в яких протягом деякого часу зберігаються заряджені частинки, наприклад, іони, електрони, протони) або комп'ютери  на основі надпровідників, таких як D-Wave, досягнення залишається чудовим, оскільки ізоляція кубитів від зовнішнього шуму є надзвичайно складною. Фахівці бачать можливості для масштабування та покращення системи. І використання кремнію, з технологічного та економічного погляду, має тут ключове значення.

Однак для багатьох дослідників кремній не є майбутнім квантовим комп'ютером. У грудні минулого року з'явилася інформація, що інженери американської компанії IonQ використовували ітербій для створення найпродуктивнішого у світі квантового комп'ютера, що перевершує системи D-Wave та IBM.

В результаті вийшла машина, яка містила один атом в іонній пастці (4) використовує один кубит даних для кодування, а кубити контролюються та вимірюються за допомогою спеціальних лазерних імпульсів. Комп'ютер має пам'ять, яка може зберігати 160 куб. даних. Він також може виконувати обчислення одночасно на 79 куб.

4. Схема іонної пастки IonQ

Вчені з IonQ провели стандартний тест так званого Алгоритм Бернштейна-Вазірана. Завдання машини полягало в тому, щоб вгадати число від 0 до 1023. Класичним комп'ютерам потрібно одинадцять спроб для 10-бітного числа. Квантові комп'ютери використовують два підходи, щоб вгадати результат зі 100% упевненістю. З першої спроби квантовий комп'ютер IonQ вгадав у середньому 73% заданих чисел. Коли алгоритм запускається будь-якого числа від 1 до 1023, ймовірність успіху звичайного комп'ютера становить 0,2%, а IonQ — 79%.

Фахівці IonQ вважають, що системи на основі іонних пасток перевершують кремнієві квантові комп'ютери, які будують Google та інші компанії. Їхня 79-кубітна матриця перевершує квантовий процесор Google Bristlecone на 7 кубітів. Результат IonQ також є сенсаційним, коли йдеться про безвідмовність системи. За даними авторів машини, для одного кубіту вона залишається на рівні 99,97%, що означає коефіцієнт помилок 0,03%, тоді як найкращі результати конкурсу в середньому становили близько 0,5%. Двобітний коефіцієнт безпомилковості для пристрою IonQ повинен бути на рівні 99,3%, тоді як більшість конкурентів не перевищує 95%.

Варто додати, що за підрахунками дослідників Google квантова перевага - Точка, в якій квантовий комп'ютер перевершує всі інші доступні машини, - вже може бути досягнута з квантовим комп'ютером з 49 кубитами, за умови, що частота помилок на двокубітних вентилях нижче 0,5%. Тим не менш, метод іонної пастки в квантових обчисленнях все ще стикається з серйозними перешкодами, які необхідно подолати: повільний час виконання та величезний розмір, а також точність та масштабованість технології.

Оплот шифрів у руїнах та інші наслідки

У січні 2019 року на виставці CES 2019 генеральний директор IBM Джіні Рометті оголосила, що IBM вже пропонує інтегровану систему квантових обчислень для комерційного використання. Квантові комп'ютери IBM (англ.5) фізично розташовані в Нью-Йорку як частина системи IBM Q System One. Використовуючи Q Network і Q Quantum Computational Center, розробники можуть легко використовувати Qiskit програмне забезпечення для компіляції квантових алгоритмів. Таким чином, обчислювальна потужність квантових комп'ютерів IBM доступна як служба хмарних обчислень, Розумно оцінений.

D-Wave також надає такі послуги протягом деякого часу, та інші великі гравці (такі як Amazon) планують аналогічні пропозиції квантової хмари. Microsoft пішла далі із запровадженням Q# мова програмування (вимовляється як), який може працювати з Visual Studio та працювати на ноутбуці. У програмістів є інструмент для моделювання квантових алгоритмів та створення програмного мосту між класичними та квантовими обчисленнями.

Однак питання в тому, навіщо насправді можуть бути корисними комп'ютери та їх обчислювальні потужності? У дослідженні, опублікованому в жовтні минулого року, в журналі Science вчені з IBM, Університету Ватерлоо та Технічного університету Мюнхена спробували апроксимувати типи завдань, для вирішення яких квантові комп'ютери здаються найбільш підходящими.

Згідно з дослідженням, такі пристрої зможуть вирішувати складні лінійна алгебра та завдання оптимізації. Звучить розпливчасто, але можуть існувати можливості для більш простого і дешевого вирішення питань, які вимагають великих зусиль, ресурсів і часу, а іноді і знаходяться за межами нашої досяжності.

5. Квантовий комп'ютер IBM

Корисні квантові обчислення діаметрально змінити область криптографії. Завдяки їм шифрувальні коди можна було швидко зламати і, можливо, технологія блокчейн буде знищена. Шифрування RSA тепер здається надійним і непорушним захистом, який захищає більшу частину даних та комунікацій у світі. Проте досить потужний квантовий комп'ютер може легко зламати шифрування RSA за допомогою Алгоритм Шори.

Як це запобігти? Деякі виступають за збільшення довжини відкритих ключів шифрування до розміру, необхідного подолання квантового дешифрування. На думку інших, слід використовувати наодинці для забезпечення безпеки зв'язку. Завдяки квантовій криптографії сам акт перехоплення даних пошкодив би їх, після чого людина, яка втрутилася в частинку, не змогла б отримати від неї корисну інформацію, а одержувача було б попереджено про спробу підслуховування.

Також часто згадуються потенційні програми квантових обчислень. економічний аналіз та прогнозування. Завдяки квантовим системам складні моделі ринкової поведінки можна розширити, включивши в них набагато більше змінних, ніж раніше, що призведе до більш точних діагнозів та прогнозів. Завдяки одночасної обробці тисяч змінних квантовим комп'ютером можна було б скоротити час і витрати, необхідні для розробки. нові ліки, транспортні та логістичні рішення, ланцюжки поставок, кліматичні моделіа також для вирішення багатьох інших завдань величезної складності.

Закон Невени

У світі старих комп'ютерів був свій закон Мура, тоді як квантові комп'ютери повинні керуватися так званим Закон Невени. Своєю назвою він зобов'язаний одному з найвидатніших квантових фахівців Google, Гартмут Невена (6), в якому йдеться, що досягнення в технології квантових обчислень в даний час робляться в подвійна експоненційна швидкість.

Це означає, що замість подвоєння продуктивності за допомогою послідовних ітерацій, як це було у випадку з класичними комп'ютерами та законом Мура, квантова технологія підвищує продуктивність набагато швидше.

Експерти пророкують настання квантової переваги, яку можна перевести не лише у перевагу квантових комп'ютерів над будь-якими класичними, але й іншими способами – як початок ери корисних квантових комп'ютерів. Це відкриє шлях до проривів у хімії, астрофізиці, медицині, безпеці, зв'язку та багато іншого.

Однак існує також думка, що такої переваги ніколи не буде принаймні в найближчому майбутньому. М'якший варіант скептицизму полягає в тому, що Квантові комп'ютери ніколи не замінять класичні комп'ютери, тому що вони не призначені для цього. Не можна замінити айфон або ПК квантовою машиною, як не можна замінити тенісні туфлі... атомним авіаносцем. Класичні комп'ютери дозволяють грати в ігри, перевіряти електронну пошту, переглядати веб-сторінки та запускати програми. Квантові комп'ютери здебільшого виконують симуляції, які надто складні для бінарних систем, що працюють на комп'ютерних бітах. Іншими словами, індивідуальні споживачі майже не матимуть користі від власного квантового комп'ютера, але реальними бенефіціарами винаходу стануть, наприклад, НАСА або Массачусетський технологічний інститут.

Час покаже, який підхід є доцільним — IBM або Google. Відповідно до закону Невена, нам залишилося лише кілька місяців, щоб побачити повноцінну демонстрацію квантової переваги тією чи іншою командою. І це вже не перспектива років через десять, тобто невідомо коли.