O deset let později nikdo neví kdy

Méně informovanému člověku, který přečetl spoustu publikací o kvantových počítačích, by mohl nabýt dojmu, že se jedná o „běžné“ stroje, které fungují stejně jako běžné počítače. Nic nemůže být chybnější. Někteří se dokonce domnívají, že zatím neexistují kvantové počítače. A jiní si kladou otázku, k čemu se budou používat, protože nejsou navrženy jako náhrada systémů nula jedna.

Často slýcháme, že první skutečné a správně fungující kvantové počítače se objeví zhruba za deset let. Jak však v článku poznamenal Linley Gwennap, hlavní analytik Linley Group, „když lidé říkají, že se za deset let objeví kvantový počítač, nevědí, kdy se tak stane.

I přes tuto nejasnou situaci panuje atmosféra soutěže o tkz. kvantová dominance. Americká administrativa, znepokojená kvantovou prací a úspěchem Číňanů, loni v prosinci schválila zákon o národní kvantové iniciativě (1). Účelem dokumentu je poskytnout federální podporu pro výzkum, vývoj, demonstrace a aplikace kvantových počítačů a technologií. Během magických deseti let utratí americká vláda miliardy na budování infrastruktury kvantových počítačů, ekosystémů a náboru lidí. Všichni významní vývojáři kvantových počítačů - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft a Rigetti, stejně jako tvůrci kvantových algoritmů 1QBit a Zapata to uvítali. Národní kvantová iniciativa.

D-WAve Pioneers

V roce 2007 představila společnost D-Wave Systems 128-qubitový čip (2), je nazýván první kvantový počítač na světě. Nebylo však jisté, zda se to tak dá nazvat – ukázáno bylo pouze jeho dílo, bez detailů jeho konstrukce. V roce 2009 společnost D-Wave Systems vyvinula „kvantový“ vyhledávač obrázků pro Google. V květnu 2011, Lockheed Martin získal kvantový počítač od D-Wave Systems. D-vlna jedna za 10 milionů dolarů a zároveň podepsal víceletou smlouvu na její provoz a vývoj souvisejících algoritmů.

V roce 2012 tento stroj demonstroval proces hledání molekuly helikálního proteinu s nejnižší energií. Výzkumníci z D-Wave Systems používají systémy s různými čísly qubity, provedl řadu matematických výpočtů, z nichž některé byly daleko za možnostmi klasických počítačů. Počátkem roku 2014 však John Smolin a Graham Smith publikovali článek, který tvrdil, že stroj D-Wave Systems nebyl stroj. Krátce poté Physics of Nature představila výsledky experimentů dokazujících, že D-Wave One je stále...

Další test v červnu 2014 neprokázal žádný rozdíl mezi klasickým počítačem a strojem D-Wave Systems, ale společnost odpověděla, že rozdíl je patrný pouze u úloh složitějších, než které byly řešeny v testu. Na začátku roku 2017 společnost odhalila stroj, který se zdánlivě skládá z 2 tisíce qubitůkterý byl 2500krát rychlejší než nejrychlejší klasické algoritmy. A znovu, o dva měsíce později, skupina vědců dokázala, že toto srovnání není přesné. Pro mnoho skeptiků nejsou systémy D-Wave stále kvantovými počítači, ale jejich simulace pomocí klasických metod.

Systém D-Wave čtvrté generace využívá kvantová žíhánía stavy qubit jsou realizovány supravodivými kvantovými obvody (na základě tzv. Josephsonových přechodů). Fungují v prostředí blízkém absolutní nule a pyšní se systémem 2048 qubitů. Na konci roku 2018 se D-Wave představil na trhu ODSKOČIT, tedy vaše prostředí kvantové aplikace v reálném čase (KAE). Cloudové řešení poskytuje externím klientům přístup ke kvantovým výpočtům v reálném čase.

V únoru 2019 D-Wave oznámila další generaci  Pegasus. Bylo oznámeno, že jde o „nejrozsáhlejší komerční kvantový systém na světě“ s patnácti připojeními na qubit namísto šesti, přičemž přes 5 qubitů a zapnutí redukce šumu na dříve neznámé úrovni. Zařízení by se mělo objevit v prodeji v polovině příštího roku.

Qubity neboli superpozice plus zapletení

Standardní počítačové procesory se spoléhají na pakety nebo části informací, z nichž každý představuje jedinou odpověď ano nebo ne. Kvantové procesory jsou jiné. Nefungují ve světě nula jedna. loketní kost, nejmenší a nedělitelnou jednotkou kvantové informace je popsaný dvourozměrný systém hilbertův prostor. Od klasického beatu se proto liší tím, že může být in jakákoli superpozice dva kvantové stavy. Fyzikální model qubitu je nejčastěji uváděn jako příklad částice se spinem ½, jako je elektron, nebo polarizace jednoho fotonu.

Chcete-li využít sílu qubitů, musíte je propojit pomocí procesu zvaného zmatek. S každým přidaným qubitem výpočetní výkon procesoru čtyřhra sami, protože počet zapletení je doprovázen zapletením nového qubitu se všemi stavy, které jsou již v procesoru k dispozici (3). Ale vytváření a kombinování qubitů a poté jim říkat, aby prováděli složité výpočty, není snadný úkol. Zůstávají extrémně citlivý na vnější vlivycož může vést k chybám ve výpočtu a v nejhorším případě k rozpadu zamotaných qubitů, tzn. dekoherencecož je skutečné prokletí kvantových systémů. S přidáváním dalších qubitů se zvyšují nepříznivé účinky vnějších sil. Jedním ze způsobů, jak se s tímto problémem vypořádat, je povolit další qubity "ŘÍZENÍ"jehož jedinou funkcí je kontrola a oprava výstupu.

3. Symbolické znázornění 50-qubitového systému IBM

To však znamená, že budou potřeba výkonnější kvantové počítače užitečné pro řešení složitých problémů, jako je určování, jak se molekuly proteinů skládají, nebo simulace fyzikálních procesů uvnitř atomů. mnoho qubitů. Tom Watson z University of Delft v Nizozemsku nedávno řekl BBC News:

-

Stručně řečeno, pokud se mají kvantové počítače rozjet, musíte přijít na snadný způsob, jak vyrábět velké a stabilní qubitové procesory.

Vzhledem k tomu, že qubity jsou nestabilní, je extrémně obtížné vytvořit systém s mnoha z nich. Pokud tedy nakonec qubity jako koncept pro kvantové výpočty selžou, vědci mají alternativu: qubitové kvantové brány.

Tým z Purdue University zveřejnil studii v npj Quantum Information, která podrobně popisuje jejich vytvoření. Vědci tomu věří kuditsna rozdíl od qubitů mohou existovat ve více než dvou stavech, jako je 0, 1 a 2, a pro každý přidaný stav se zvyšuje výpočetní výkon jednoho quditu. Jinými slovy, musíte zakódovat a zpracovat stejné množství informací. menší sláva než qubity.

K vytvoření kvantových bran obsahujících qudity tým Purdue zakódoval čtyři qudity do dvou provázaných fotonů z hlediska frekvence a času. Tým si vybral fotony, protože neovlivňují prostředí tak snadno a použití více domén umožnilo větší zapletení s menším počtem fotonů. Hotová brána měla výpočetní výkon 20 qubitů, i když vyžadovala pouze čtyři qudity, s dodatečnou stabilitou díky použití fotonů, což z ní dělá slibný systém pro budoucí kvantové počítače.

Silikonové nebo iontové pasti

Ačkoli ne každý sdílí tento názor, zdá se, že použití křemíku pro stavbu kvantových počítačů má obrovské výhody, protože křemíková technologie je dobře zavedená a je s ní již spojen velký průmysl. Křemík se používá v kvantových procesorech Google a IBM, i když se v nich chladí na velmi nízké teploty. Není to ideální materiál pro kvantové systémy, ale vědci na tom pracují.

Podle nedávné publikace v Nature použil tým výzkumníků mikrovlnnou energii k vyrovnání dvou elektronových částic suspendovaných v křemíku a poté je použil k provedení řady testovacích výpočtů. Skupina, v níž byli zejména vědci z University of Wisconsin-Madison, „zavěsila“ jednotlivé elektronové qubity do křemíkové struktury, jejíž spin byl určen energií mikrovlnného záření. V superpozici se elektron současně otáčí kolem dvou různých os. Tyto dva qubity byly poté zkombinovány a naprogramovány tak, aby prováděly testovací výpočty, načež výzkumníci porovnali data generovaná systémem s daty přijatými ze standardního počítače provádějícího stejné testovací výpočty. Po opravě dat programovatelný dvoubitový kvantový křemíkový procesor.

I když procento chyb je stále mnohem vyšší než u tzv. iontových pastí (zařízení, ve kterých jsou na nějakou dobu uloženy nabité částice jako ionty, elektrony, protony) nebo počítačů  Na základě supravodičů, jako je D-Wave, zůstává tento úspěch pozoruhodný, protože izolovat qubity od vnějšího šumu je extrémně obtížné. Specialisté vidí příležitosti pro škálování a vylepšení systému. A použití křemíku z technologického a ekonomického hlediska má zde klíčový význam.

Pro mnoho výzkumníků však křemík není budoucností kvantových počítačů. V prosinci loňského roku se objevila informace, že inženýři americké společnosti IonQ použili ytterbium k vytvoření nejproduktivnějšího kvantového počítače na světě, který překonal systémy D-Wave a IBM.

Výsledkem byl stroj, který obsahoval jediný atom v iontové pasti (4) používá pro kódování jeden datový qubit a qubity jsou řízeny a měřeny pomocí speciálních laserových pulzů. Počítač má paměť, která pojme 160 qubitů dat. Může také provádět výpočty současně na 79 qubitech.

4. Schéma iontové pasti IonQ

Vědci z IonQ provedli standardní test tzv Bernstein-Vazirananiego algoritmus. Úkolem stroje bylo uhodnout číslo mezi 0 a 1023. Klasické počítače berou na 10bitové číslo jedenáct tipů. Kvantové počítače používají dva přístupy k uhádnutí výsledku se 100% jistotou. Na první pokus kvantový počítač IonQ uhodl v průměru 73 % daných čísel. Když je algoritmus spuštěn pro libovolné číslo mezi 1 a 1023, je úspěšnost pro normální počítač 0,2 %, zatímco pro IonQ je 79 %.

Experti IonQ věří, že systémy založené na iontových pastích jsou lepší než křemíkové kvantové počítače, které staví Google a další společnosti. Jejich 79-qubitová matice překonává kvantový procesor Bristlecone od Googlu o 7 qubitů. Výsledek IonQ je také senzační, pokud jde o dobu provozuschopnosti systému. Podle tvůrců stroje se u jediného qubitu drží na 99,97 %, což znamená chybovost 0,03 %, přičemž nejlepší výsledky soutěže dosahovaly v průměru asi 0,5 %. Dvoubitová chybovost u zařízení IonQ by měla být na úrovni 99,3 %, zatímco většina konkurentů nepřesahuje 95 %.

Stojí za to dodat, že podle výzkumníků Google kvantová nadvláda – bod, ve kterém kvantový počítač překonává všechny ostatní dostupné stroje – lze již dosáhnout s kvantovým počítačem se 49 qubity za předpokladu, že chybovost na dvou-qubitových hradlech je nižší než 0,5 %. Metoda iontové pasti v kvantovém počítání však stále čelí velkým překážkám, které je třeba překonat: pomalá doba provádění a obrovská velikost, stejně jako přesnost a škálovatelnost technologie.

Pevnost šifer v troskách a další důsledky

V lednu 2019 na CES 2019 generální ředitelka IBM Ginni Rometty oznámila, že IBM již nabízí integrovaný kvantový výpočetní systém pro komerční využití. Kvantové počítače IBM5) jsou fyzicky umístěny v New Yorku jako součást systému IBM Q System One. Pomocí Q Network a Q Quantum Computational Center mohou vývojáři snadno použít software Qiskit ke kompilaci kvantových algoritmů. Výpočetní výkon kvantových počítačů IBM je tedy dostupný jako cloudová výpočetní služba, za rozumnou cenu.

D-Wave takové služby již nějakou dobu poskytuje a podobné nabídky kvantových cloudů plánují i ​​další velcí hráči (například Amazon). Microsoft šel s úvodem dále Q# programovací jazyk (vyslovuje se jako), které mohou pracovat s Visual Studio a běžet na notebooku. Programátoři mají nástroj pro simulaci kvantových algoritmů a vytvoření softwarového mostu mezi klasickým a kvantovým počítáním.

Otázkou však je, k čemu vlastně mohou být počítače a jejich výpočetní výkon užitečné? Ve studii zveřejněné loni v říjnu v časopise Science se vědci z IBM, University of Waterloo a Technické univerzity v Mnichově pokusili přiblížit typy problémů, k jejichž řešení se nejlépe hodí kvantové počítače.

Podle studie budou taková zařízení schopna složitě řešit lineární algebra a optimalizační úlohy. Zní to vágně, ale mohou existovat příležitosti pro jednodušší a levnější řešení problémů, které v současnosti vyžadují mnoho úsilí, zdrojů a času a někdy jsou mimo náš dosah.

5. Kvantový počítač IBM

Užitečné kvantové výpočty diametrálně změnit obor kryptografie. Díky nim bylo možné rychle prolomit šifrovací kódy a popř. technologie blockchain bude zničena. Šifrování RSA se nyní zdá být silnou a nezničitelnou obranou, která chrání většinu dat a komunikace na světě. Dostatečně výkonný kvantový počítač však snadno zvládne crack šifrování RSA přes Shorův algoritmus.

Jak tomu předejít? Někteří obhajují zvýšení délky veřejných šifrovacích klíčů na velikost potřebnou k překonání kvantového dešifrování. Pro ostatní by měl být používán samostatně, aby byla zajištěna bezpečná komunikace. Díky kvantové kryptografii by je poškodil už samotný akt zachycení dat, po kterém by z nich osoba zasahující do částice nemohla získat užitečné informace a příjemce by byl varován před pokusem o odposlech.

Často jsou zmiňovány také možné aplikace kvantových počítačů. ekonomické analýzy a prognózy. Díky kvantovým systémům lze komplexní modely tržního chování rozšířit o mnohem více proměnných než dříve, což vede k přesnějším diagnózám a předpovědím. Současným zpracováním tisíců proměnných kvantovým počítačem by bylo také možné snížit čas a náklady potřebné pro vývoj. nové léky, dopravní a logistická řešení, dodavatelské řetězce, klimatické modelystejně jako pro řešení mnoha dalších problémů gigantické složitosti.

Marigold zákon

Svět starých počítačů měl svůj vlastní Moorův zákon, kdežto kvantové počítače se musí řídit tzv. Marigold zákon. Za své jméno vděčí jednomu z nejvýznamnějších kvantových specialistů ve společnosti Google, Hartmut Nevena (6), který uvádí, že v současné době dochází k pokroku v technologii kvantových počítačů dvojnásobná exponenciální rychlost.

To znamená, že namísto zdvojnásobení výkonu postupnými iteracemi, jak tomu bylo u klasických počítačů a Moorova zákona, kvantová technologie zlepšuje výkon mnohem rychleji.

Odborníci předpovídají nástup kvantové převahy, kterou lze přeložit nejen do převahy kvantových počítačů nad jakýmikoli klasickými, ale i jinak – jako začátek éry užitečných kvantových počítačů. To připraví cestu k průlomům v chemii, astrofyzice, medicíně, bezpečnosti, komunikacích a dalších.

Existuje však také názor, že taková nadřazenost nikdy nebude, alespoň ne v dohledné době. To je mírnější verze skepticismu kvantové počítače nikdy nenahradí klasické počítače, protože k tomu nejsou určeny. Nemůžete nahradit iPhone nebo PC kvantovým strojem, stejně jako nemůžete nahradit tenisky... jadernou letadlovou lodí.. Klasické počítače umožňují hrát hry, kontrolovat e-maily, procházet web a spouštět programy. Kvantové počítače ve většině případů provádějí simulace, které jsou příliš složité pro binární systémy běžící na počítačových bitech. Jinými slovy, jednotliví spotřebitelé nebudou mít z vlastního kvantového počítače téměř žádný užitek, ale skutečnými příjemci vynálezu budou například NASA nebo Massachusetts Institute of Technology.

Čas ukáže, který přístup je vhodnější – IBM nebo Google. Podle Nevenova zákona nás dělí jen pár měsíců od toho, abychom viděli plnou demonstraci kvantové převahy jednoho nebo druhého týmu. A to už není vyhlídka „za deset let, to znamená, nikdo neví kdy“.