Dhjetë vjet më vonë askush nuk e di se kur

Për një person më pak të informuar, i cili ka lexuar një sërë botimesh rreth kompjuterëve kuantikë, mund të krijohet përshtypja se këto janë makineri "të disponueshme" që punojnë në të njëjtën mënyrë si kompjuterët e zakonshëm. Asgjë nuk mund të jetë më e gabuar. Disa madje besojnë se ende nuk ka kompjuterë kuantikë. Dhe të tjerët pyesin se për çfarë do të përdoren, pasi ato nuk janë krijuar për të zëvendësuar sistemet zero-një.

Shpesh dëgjojmë se kompjuterët e parë kuantikë realë dhe që funksionojnë siç duhet do të shfaqen pas rreth një dekade. Megjithatë, siç vuri në dukje në artikull Linley Gwennap, analisti kryesor në Linley Group, "kur njerëzit thonë se një kompjuter kuantik do të shfaqet pas dhjetë vjetësh, ata nuk e dinë se kur do të ndodhë."

Pavarësisht kësaj situate të paqartë, atmosfera e konkurrencës për të ashtuquajturat. dominimi kuantik. E shqetësuar për punën kuantike dhe suksesin e kinezëve, administrata e SHBA dhjetorin e kaluar miratoi Aktin Kombëtar të Iniciativës Kuantike (1). Dokumenti synon të ofrojë mbështetje federale për kërkimin, zhvillimin, demonstrimin dhe aplikimin e informatikës dhe teknologjive kuantike. Në një dhjetë vjet magjik, qeveria amerikane do të shpenzojë miliarda për ndërtimin e infrastrukturës kompjuterike kuantike, ekosistemeve dhe rekrutimit të njerëzve. Të gjithë zhvilluesit kryesorë të kompjuterëve kuantikë - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft dhe Rigetti, si dhe krijuesit e algoritmeve kuantike 1QBit dhe Zapata e mirëpritën këtë. Iniciativa Kuantike Kombëtare.

Pioneers D-WAve

Në vitin 2007, D-Wave Systems prezantoi një çip 128 kubit (2), quhet kompjuteri i parë kuantik në botë. Sidoqoftë, nuk kishte siguri nëse mund të quhej kështu - u shfaq vetëm vepra e tij, pa asnjë detaj të ndërtimit të tij. Në vitin 2009, D-Wave Systems zhvilloi një motor kërkimi imazhesh "kuantike" për Google. Në maj 2011, Lockheed Martin bleu një kompjuter kuantik nga D-Wave Systems. Një valë D për 10 milionë dollarë, ndërsa nënshkroi një kontratë shumëvjeçare për funksionimin e saj dhe zhvillimin e algoritmeve përkatëse.

Në vitin 2012, kjo makinë demonstroi procesin e gjetjes së molekulës së proteinës spirale me energjinë më të ulët. Studiuesit nga D-Wave Systems përdorin sisteme me numra të ndryshëm kubit, kreu një sërë llogaritjesh matematikore, disa prej të cilave ishin shumë përtej aftësive të kompjuterëve klasikë. Sidoqoftë, në fillim të vitit 2014, John Smolin dhe Graham Smith publikuan një artikull duke pretenduar se makina D-Wave Systems nuk ishte një makinë. Menjëherë pas kësaj, Physics of Nature prezantoi rezultatet e eksperimenteve që vërtetonin se D-Wave One është ende ...

Një test tjetër në qershor 2014 nuk tregoi asnjë ndryshim midis një kompjuteri klasik dhe një makinerie D-Wave Systems, por kompania u përgjigj se ndryshimi ishte i dukshëm vetëm për detyrat më komplekse se ato të zgjidhura në test. Në fillim të vitit 2017, kompania zbuloi një makinë që gjoja përbëhet nga 2 mijë kubiti cili ishte 2500 herë më i shpejtë se algoritmet klasike më të shpejta. Dhe përsëri, dy muaj më vonë, një grup shkencëtarësh vërtetuan se ky krahasim nuk ishte i saktë. Për shumë skeptikë, sistemet D-Wave nuk janë ende kompjuterë kuantikë, por të tyre simulimet duke përdorur metoda klasike.

Sistemi i gjeneratës së katërt D-Wave përdor pjekjet kuantikedhe gjendjet e një kubiti realizohen nga qarqet kuantike superpërcjellëse (të bazuara në të ashtuquajturat nyje Josephson). Ata operojnë në një mjedis afër zeros absolute dhe mburren me një sistem prej 2048 kubitësh. Në fund të vitit 2018, D-Wave u prezantua në treg KREJTJE, pra e juaja mjedis aplikimi kuantik në kohë reale (KAE). Zgjidhja cloud u siguron klientëve të jashtëm qasje në kohë reale në llogaritjen kuantike.

Në shkurt 2019, D-Wave njoftoi gjeneratën e ardhshme  Pegasi. U shpall se ishte "sistemi kuantik komercial më i gjerë në botë" me pesëmbëdhjetë lidhje për kubit në vend të gjashtë, me mbi 5 kubit dhe aktivizimi i reduktimit të zhurmës në një nivel të panjohur më parë. Pajisja duhet të dalë në shitje në mes të vitit të ardhshëm.

Kubit, ose mbivendosje plus ngatërrim

Procesorët standard të kompjuterit mbështeten në paketa ose pjesë informacioni, secila përfaqëson një përgjigje të vetme po ose jo. Procesorët kuantikë janë të ndryshëm. Ata nuk punojnë në një botë zero-një. kocka e bërrylit, njësia më e vogël dhe e pandashme e informacionit kuantik është sistemi dydimensional i përshkruar Hapësira e Hilbertit. Prandaj, ai ndryshon nga rrahja klasike në atë që mund të jetë in çdo mbivendosje dy gjendje kuantike. Modeli fizik i një kubiti jepet më shpesh si një shembull i një grimce me spin ½, siç është një elektron, ose polarizimi i një fotoni të vetëm.

Për të shfrytëzuar fuqinë e kubitëve, duhet t'i lidhni ato përmes një procesi të quajtur ngatërrim. Me çdo kubit të shtuar, fuqia përpunuese e procesorit dyfishon vetë, meqenëse numri i ndërthurjeve shoqërohet nga ndërthurja e një kubiti të ri me të gjitha gjendjet tashmë të disponueshme në procesor (3). Por krijimi dhe kombinimi i kubitëve dhe më pas t'u thuash atyre të kryejnë llogaritje të ndërlikuara nuk është detyrë e lehtë. Ata qëndrojnë jashtëzakonisht i ndjeshëm ndaj ndikimeve të jashtmegjë që mund të çojë në gabime në llogaritje dhe, në rastin më të keq, në prishjen e kubitëve të ngatërruar, d.m.th. dekoherencëqë është mallkimi i vërtetë i sistemeve kuantike. Ndërsa shtohen kubit shtesë, efektet negative të forcave të jashtme rriten. Një mënyrë për t'u marrë me këtë problem është të aktivizoni shtesë kubit "KONTROLLI"funksioni i vetëm i të cilit është kontrollimi dhe korrigjimi i daljes.

3. Paraqitja simbolike e sistemit IBM 50-kubit

Megjithatë, kjo do të thotë se do të nevojiten kompjuterë kuantikë më të fuqishëm, të dobishëm për zgjidhjen e problemeve komplekse, të tilla si përcaktimi se si palosen molekulat e proteinave ose simulimi i proceseve fizike brenda atomeve. shumë kubit. Tom Watson i Universitetit të Delftit në Holandë i tha së fundmi BBC News:

-

Me pak fjalë, nëse kompjuterët kuantikë do të ngrihen, ju duhet të gjeni një mënyrë të thjeshtë për të prodhuar procesorë të mëdhenj dhe të qëndrueshëm kubit.

Meqenëse kubitët janë të paqëndrueshëm, është jashtëzakonisht e vështirë të krijohet një sistem me shumë prej tyre. Pra, nëse, në fund, kubitët si koncept për llogaritjen kuantike dështojnë, shkencëtarët kanë një alternativë: portat kuantike kubit.

Një ekip nga Universiteti Purdue publikoi një studim në npj Quantum Information duke detajuar krijimin e tyre. Shkencëtarët besojnë se lavdërimendryshe nga kubitët, ato mund të ekzistojnë në më shumë se dy gjendje, si 0, 1 dhe 2, dhe për çdo gjendje të shtuar, fuqia llogaritëse e një qudit rritet. Me fjalë të tjera, ju duhet të kodoni dhe përpunoni të njëjtën sasi informacioni. më pak lavdi se kubit.

Për të krijuar një portë kuantike që përmban një qudit, ekipi i Purdue kodoi katër qudit në dy fotone të ngatërruar për sa i përket frekuencës dhe kohës. Ekipi zgjodhi fotonet sepse ato nuk ndikojnë aq lehtë në mjedis dhe përdorimi i domeneve të shumta lejoi më shumë ndërthurje me më pak fotone. Porta e përfunduar kishte një fuqi përpunuese prej 20 kubitësh, megjithëse kërkonte vetëm katër qudit, me stabilitet shtesë për shkak të përdorimit të fotoneve, duke e bërë atë një sistem premtues për kompjuterët kuantikë të ardhshëm.

Kurthe të silikonit ose joneve

Megjithëse jo të gjithë ndajnë këtë mendim, përdorimi i silikonit për të ndërtuar kompjuterë kuantikë duket se ka përfitime të mëdha, pasi teknologjia e silikonit është e vendosur mirë dhe tashmë ekziston një industri e madhe e lidhur me të. Siliconi përdoret në procesorët kuantikë të Google dhe IBM, megjithëse në to ftohet në temperatura shumë të ulëta. Nuk është material ideal për sistemet kuantike, por shkencëtarët po punojnë për të.

Sipas një botimi të kohëve të fundit në Nature, një ekip studiuesish përdorën energjinë e mikrovalës për të rreshtuar dy grimca elektronike të pezulluara në silikon dhe më pas i përdorën ato për të kryer një sërë llogaritjesh testuese. Grupi, i cili përfshinte, veçanërisht, shkencëtarë nga Universiteti i Wisconsin-Madison "pezulloi" qubit të vetëm elektron në një strukturë silikoni, rrotullimi i të cilit përcaktohej nga energjia e rrezatimit të mikrovalës. Në një mbivendosje, një elektron rrotullohej njëkohësisht rreth dy boshteve të ndryshme. Dy kubitët u kombinuan më pas dhe u programuan për të kryer llogaritjet e testit, pas së cilës studiuesit krahasuan të dhënat e gjeneruara nga sistemi me të dhënat e marra nga një kompjuter standard që kryente të njëjtat llogaritje testimi. Pas korrigjimit të të dhënave, një i programueshëm procesor silikoni kuantik me dy bit.

Edhe pse përqindja e gabimeve është ende shumë më e lartë se në të ashtuquajturat kurthe jonike (pajisje në të cilat grimcat e ngarkuara si jonet, elektronet, protonet ruhen për ca kohë) ose kompjuterët  bazuar në superpërçuesit si D-Wave, arritja mbetet e jashtëzakonshme pasi izolimi i kubiteve nga zhurma e jashtme është jashtëzakonisht i vështirë. Specialistët shohin mundësi për shkallëzimin dhe përmirësimin e sistemit. Dhe përdorimi i silikonit, nga pikëpamja teknologjike dhe ekonomike, është i një rëndësie kyçe këtu.

Megjithatë, për shumë studiues, silikoni nuk është e ardhmja e kompjuterëve kuantikë. Në dhjetor të vitit të kaluar, u shfaq informacioni se inxhinierët e kompanisë amerikane IonQ përdorën yterbium për të krijuar kompjuterin kuantik më produktiv në botë, duke tejkaluar sistemet D-Wave dhe IBM.

Rezultati ishte një makinë që përmbante një atom të vetëm në një kurth jonesh (4) përdor një kubit të vetëm të të dhënave për kodim, dhe kubitët kontrollohen dhe maten duke përdorur impulse speciale lazer. Kompjuteri ka një memorie që mund të ruajë 160 kubit të dhëna. Ai gjithashtu mund të kryejë llogaritjet në të njëjtën kohë në 79 kubit.

4. Skema e kurthit jonik IonQ

Shkencëtarët nga IonQ kryen një test standard të të ashtuquajturit Algoritmi Bernstein-Vaziranian. Detyra e makinës ishte të merrte me mend një numër midis 0 dhe 1023. Kompjuterët klasikë marrin njëmbëdhjetë supozime për një numër 10-bitësh. Kompjuterët kuantikë përdorin dy mënyra për të gjetur rezultatin me 100% siguri. Në përpjekjen e parë, kompjuteri kuantik IonQ mendoi mesatarisht 73% të numrave të dhënë. Kur algoritmi ekzekutohet për çdo numër midis 1 dhe 1023, shkalla e suksesit për një kompjuter tipik është 0,2%, ndërsa për IonQ është 79%.

Ekspertët e IonQ besojnë se sistemet e bazuara në kurthe jonike janë superiore ndaj kompjuterëve kuantikë të silikonit që Google dhe kompani të tjera po ndërtojnë. Matrica e tyre prej 79 kubitësh e tejkalon procesorin kuantik Bristlecone të Google me 7 kubit. Rezultati IonQ është gjithashtu sensacional kur bëhet fjalë për kohën e funksionimit të sistemit. Sipas krijuesve të makinës, për një kubit të vetëm, ajo mbetet në 99,97%, që do të thotë një shkallë gabimi prej 0,03%, ndërsa rezultatet më të mira të konkurrencës ishin mesatarisht rreth 0,5%. Shkalla e gabimit 99,3-bit për pajisjen IonQ duhet të jetë 95%, ndërsa pjesa më e madhe e konkurrencës nuk i kalon XNUMX%.

Vlen të shtohet se, sipas studiuesve të Google supremacia kuantike – pika në të cilën një kompjuter kuantik tejkalon të gjitha makinat e tjera të disponueshme – tashmë mund të arrihet me një kompjuter kuantik me 49 kubit, me kusht që shkalla e gabimit në portat me dy qubit të jetë nën 0,5%. Megjithatë, metoda e kurthit të joneve në llogaritjen kuantike ende përballet me pengesa të mëdha për t'u kapërcyer: koha e ngadaltë e ekzekutimit dhe madhësia e madhe, si dhe saktësia dhe shkallëzueshmëria e teknologjisë.

Kalaja e shifrave në rrënoja dhe pasoja të tjera

Në janar 2019 në CES 2019, CEO i IBM Ginni Rometty njoftoi se IBM tashmë po ofronte një sistem të integruar kompjuterik kuantik për përdorim komercial. Kompjuterët kuantikë IBM5) ndodhen fizikisht në Nju Jork si pjesë e sistemit IBM Q System One. Duke përdorur Q Network dhe Q Quantum Computational Center, zhvilluesit mund të përdorin lehtësisht softuerin Qiskit për të përpiluar algoritme kuantike. Kështu, fuqia llogaritëse e kompjuterëve kuantikë IBM është e disponueshme si shërbimi kompjuterik cloud, me çmim të arsyeshëm.

D-Wave gjithashtu ofron shërbime të tilla prej disa kohësh, dhe lojtarë të tjerë të mëdhenj (si Amazon) po planifikojnë oferta të ngjashme kuantike të cloud. Microsoft shkoi më tej me prezantimin Gjuhë programimi Q# (shqiptohet si) që mund të funksionojë me Visual Studio dhe të funksionojë në një laptop. Programuesit kanë një mjet për të simuluar algoritmet kuantike dhe për të krijuar një urë softuerike midis llogaritjes klasike dhe asaj kuantike.

Megjithatë, pyetja është, për çfarë mund të jenë të dobishëm kompjuterët dhe fuqia e tyre llogaritëse? Në një studim të botuar tetorin e kaluar në revistën Science, shkencëtarët nga IBM, Universiteti i Waterloo dhe Universiteti Teknik i Mynihut u përpoqën të përafrojnë llojet e problemeve që kompjuterët kuantikë duken më të përshtatshëm për të zgjidhur.

Sipas studimit, pajisje të tilla do të jenë në gjendje të zgjidhin komplekse algjebër lineare dhe probleme të optimizimit. Duket e paqartë, por mund të ketë mundësi për zgjidhje më të thjeshta dhe më të lira për çështjet që aktualisht kërkojnë shumë përpjekje, burime dhe kohë, dhe ndonjëherë janë përtej mundësive tona.

5. Kompjuter kuantik IBM

Llogaritja kuantike e dobishme ndryshojnë diametralisht fushën e kriptografisë. Falë tyre, kodet e enkriptimit mund të thyheshin shpejt dhe, ndoshta, teknologjia blockchain do të shkatërrohet. Kriptimi RSA tani duket të jetë një mbrojtje e fortë dhe e pathyeshme që mbron shumicën e të dhënave dhe komunikimeve në botë. Megjithatë, një kompjuter kuantik mjaft i fuqishëm mundet lehtësisht plas enkriptimin RSA me ndihmën e Algoritmi i Shorës.

Si ta parandaloni atë? Disa mbrojnë rritjen e gjatësisë së çelësave të enkriptimit publik në madhësinë e nevojshme për të kapërcyer dekriptimin kuantik. Për të tjerët, duhet të përdoret vetëm për të siguruar komunikime të sigurta. Falë kriptografisë kuantike, vetë akti i përgjimit të të dhënave do t'i korruptonte ato, pas së cilës personi që ndërhynte me grimcën nuk do të mund të merrte informacione të dobishme prej saj dhe marrësi do të paralajmërohej për tentativën e përgjimit.

Aplikimet e mundshme të llogaritjes kuantike përmenden gjithashtu shpesh. analiza dhe parashikimi ekonomik. Falë sistemeve kuantike, modelet komplekse të sjelljes së tregut mund të zgjerohen për të përfshirë shumë më tepër variabla se më parë, duke çuar në diagnoza dhe parashikime më të sakta. Duke përpunuar njëkohësisht mijëra variabla nga një kompjuter kuantik, do të ishte gjithashtu e mundur të zvogëlohej koha dhe kostoja e nevojshme për zhvillim. barna të reja, zgjidhje transporti dhe logjistike, zinxhirë furnizimi, modele klimatikesi dhe për zgjidhjen e shumë problemeve të tjera me kompleksitet gjigant.

Ligji i Nevenit

Bota e kompjuterëve të vjetër kishte ligjin e vet të Moore-it, ndërsa kompjuterët kuantikë duhet të udhëhiqen nga të ashtuquajturat. Ligji i Nevenit. Ai ia detyron emrin e tij një prej specialistëve më të shquar të kuantikës në Google, Hartmut Nevena (6), i cili thotë se përparimet në teknologjinë e llogaritjes kuantike janë duke u bërë aktualisht shpejtësi eksponenciale e dyfishtë.

Kjo do të thotë se në vend të dyfishimit të performancës me përsëritje të njëpasnjëshme, siç ishte rasti me kompjuterët klasikë dhe me ligjin e Moore, teknologjia kuantike përmirëson performancën shumë më shpejt.

Ekspertët parashikojnë ardhjen e epërsisë kuantike, e cila mund të përkthehet jo vetëm në epërsinë e kompjuterëve kuantikë mbi çdo klasik, por edhe në mënyra të tjera - si fillimi i një epoke të kompjuterëve kuantikë të dobishëm. Kjo do të hapë rrugën për përparime në kimi, astrofizikë, mjekësi, siguri, komunikim dhe më shumë.

Sidoqoftë, ekziston gjithashtu një mendim se një epërsi e tillë nuk do të ekzistojë kurrë, të paktën jo në të ardhmen e parashikueshme. Një version më i butë i skepticizmit është ai Kompjuterët kuantikë nuk do të zëvendësojnë kurrë kompjuterët klasikë, sepse ata nuk janë krijuar për ta bërë këtë. Nuk mund të zëvendësosh një iPhone apo një PC me një makinë kuantike, ashtu siç nuk mund të zëvendësosh këpucët e tenisit... me një aeroplanmbajtëse bërthamore.. Kompjuterët klasikë ju lejojnë të luani lojëra, të kontrolloni emailin, të lundroni në ueb dhe të ekzekutoni programe. Kompjuterët kuantikë në shumicën e rasteve kryejnë simulime që janë shumë komplekse për sistemet binare që funksionojnë në bit kompjuterikë. Me fjalë të tjera, konsumatorët individualë nuk do të kenë pothuajse asnjë përfitim nga kompjuteri i tyre kuantik, por përfituesit e vërtetë të shpikjes do të jenë, për shembull, NASA ose Instituti i Teknologjisë në Massachusetts.

Koha do të tregojë se cila qasje është më e përshtatshme - IBM apo Google. Sipas ligjit të Neven, ne jemi vetëm disa muaj larg nga të shohim një demonstrim të plotë të epërsisë kuantike nga një ekip ose një tjetër. Dhe kjo nuk është më një perspektivë "në dhjetë vjet, domethënë, askush nuk e di se kur".