Tíu árum síðar veit enginn hvenær

Fyrir lítt upplýsta manneskju sem hefur lesið heilan helling af ritum um skammtatölvur gæti maður fengið á tilfinninguna að þetta séu „off-the-hillu“ vélar sem virka á sama hátt og venjulegar tölvur. Ekkert gæti verið meira rangt. Sumir telja jafnvel að það séu engar skammtatölvur ennþá. Og aðrir velta fyrir sér í hvað þeir verða notaðir, þar sem þeir eru ekki hönnuð til að koma í stað núll-einn kerfi.

Við heyrum oft að fyrstu raunverulegu og rétt virku skammtatölvurnar muni birtast eftir um það bil áratug. Hins vegar, eins og Linley Gwennap, yfirsérfræðingur hjá Linley Group, sagði í greininni, „þegar fólk segir að skammtatölva muni birtast eftir tíu ár, þá veit það ekki hvenær það gerist.

Þrátt fyrir þessa óljósu aðstæður, andrúmsloft samkeppni um svokallaða. skammtaráðandi. Áhyggjur af skammtavinnu og framfarir Kínverja samþykktu bandarísk stjórnvöld í desember síðastliðnum National Quantum Initiative Act.1). Skjalinu er ætlað að veita alríkisstuðning við rannsóknir, þróun, sýnikennslu og beitingu skammtafræði og tækni. Eftir töfrandi tíu ár mun bandarísk stjórnvöld eyða milljörðum í að byggja upp skammtatölvuinnviði, vistkerfi og ráða fólk. Allir helstu hönnuðir skammtatölva - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft og Rigetti, sem og höfundar skammtaalgrímanna 1QBit og Zapata fögnuðu þessu. National Quantum Initiative.

D-WAve frumkvöðlar

Árið 2007 kynnti D-Wave Systems 128 qubit flís (2), er kallað fyrsta skammtatölva heims. Hins vegar var engin viss um hvort hægt væri að kalla það svo - aðeins verk hans voru sýnd, án nokkurra smáatriðum um smíði hans. Árið 2009 þróaði D-Wave Systems „skammtamyndaleitarvél“ fyrir Google. Í maí 2011 keypti Lockheed Martin skammtatölvu frá D-Wave Systems. D-bylgja eitt fyrir $ 10 milljónir, en undirritað er margra ára samning um rekstur þess og þróun tengdra reiknirita.

Árið 2012 sýndi þessi vél ferlið við að finna spírulaga próteinsameindina með minnstu orku. Vísindamenn frá D-Wave Systems nota kerfi með mismunandi tölum qubits, framkvæmt fjölda stærðfræðilegra útreikninga, sem sumir voru langt umfram getu klassískra tölva. Hins vegar, snemma árs 2014, birtu John Smolin og Graham Smith grein sem fullyrti að D-Wave Systems vélin væri ekki vél. Stuttu síðar kynnti eðlisfræði náttúrunnar niðurstöður tilrauna sem sönnuðu að D-Wave One er enn ...

Önnur prófun í júní 2014 sýndi engan mun á klassískri tölvu og D-Wave Systems vél, en fyrirtækið svaraði því til að munurinn væri aðeins áberandi fyrir verkefni flóknari en þau sem leyst var í prófinu. Snemma árs 2017 afhjúpaði fyrirtækið vél sem virðist samanstanda af 2 þúsund qubitssem var 2500 sinnum hraðari en hröðustu klassísku reikniritarnir. Og aftur, tveimur mánuðum síðar, sannaði hópur vísindamanna að þessi samanburður var ekki nákvæmur. Fyrir marga efasemdamenn eru D-Wave kerfin samt ekki skammtatölvur, heldur þeirra uppgerð með klassískum aðferðum.

Fjórða kynslóð D-Wave kerfisins notar skammtaglæðingarog ástand qubits verða að veruleika með ofurleiðandi skammtarásum (byggt á svokölluðum Josephson-mótum). Þeir starfa í umhverfi nálægt algeru núlli og státa af kerfi upp á 2048 qubits. Í lok árs 2018 kom D-Wave á markaðinn HOPPA, það er, þinn rauntíma skammtafræðiumhverfi (KAE). Skýlausnin veitir ytri viðskiptavinum rauntíma aðgang að skammtatölvum.

Í febrúar 2019 tilkynnti D-Wave næstu kynslóð  Pegasus. Tilkynnt var að það væri „umfangsmesta viðskiptaskammtakerfi í heimi“ með fimmtán tengingar á hvern qubit í stað sex, með yfir 5 qubits og kveikja á hávaðaminnkun á áður óþekktu stigi. Tækið ætti að koma í sölu um mitt næsta ár.

Qubits, eða yfirsetningar auk flækju

Venjulegir tölvuörgjörvar reiða sig á pakka eða upplýsingar sem hver táknar eitt já eða nei svar. Quantum örgjörvar eru öðruvísi. Þeir virka ekki í núll-einn heimi. olnbogabein, minnsta og ódeilanlega eining skammtaupplýsinga er hið lýsta tvívíðu kerfi hilbert rúm. Þess vegna er hann frábrugðinn klassíska taktinum að því leyti að hann getur verið í hvaða yfirsetningu sem er tvö skammtaástand. Eðlislíkan qubits er oftast gefið sem dæmi um ögn með ½ snúning, eins og rafeind, eða skautun einnar ljóseind.

Til að virkja kraft qubita verður þú að tengja þá í gegnum ferli sem kallast rugl. Með hverjum qubit sem bætt er við, vinnslukraftur örgjörvans tvöfaldast sjálfum þér, þar sem fjölda flækja fylgir flæking nýs qubits við öll þau ástand sem þegar eru tiltæk í örgjörvanum (3). En að búa til og sameina qubita og segja þeim síðan að framkvæma flókna útreikninga er ekki auðvelt verkefni. Þeir dvelja mjög viðkvæm fyrir utanaðkomandi áhrifumsem getur leitt til reikningsvillna og í versta falli til rotnunar flæktra qubita, þ.e. samhengisleysisem er hin raunverulega bölvun skammtakerfa. Eftir því sem fleiri qubitum er bætt við aukast skaðleg áhrif ytri krafta. Ein leið til að takast á við þetta vandamál er að virkja viðbótar qubits "CONTROL"sem hefur það eina hlutverk að athuga og leiðrétta úttakið.

3. Táknræn framsetning á 50 qubit IBM kerfinu

Hins vegar þýðir þetta að það þarf öflugri skammtatölvur, gagnlegar til að leysa flókin vandamál, eins og að ákvarða hvernig próteinsameindir brjóta saman eða líkja eftir eðlisfræðilegum ferlum innan frumeinda. mjög qubit. Tom Watson við háskólann í Delft í Hollandi sagði nýlega við BBC News:

-

Í stuttu máli, ef skammtatölvur eiga að fara í loftið, þá þarftu að koma upp auðveldri leið til að framleiða stóra og stöðuga qubit örgjörva.

Þar sem qubitar eru óstöðugir er afar erfitt að búa til kerfi með mörgum þeirra. Þannig að ef, á endanum, qubits sem hugtak fyrir skammtatölvun mistakast, hafa vísindamenn val: qubit skammtahlið.

Hópur frá Purdue háskólanum birti rannsókn í npj Quantum Information þar sem gerð var grein fyrir gerð þeirra. Vísindamenn trúa því kuditsólíkt qubitum geta þeir verið til í fleiri en tveimur ríkjum, eins og 0, 1 og 2, og fyrir hvert bætt ástand eykst reiknikraftur eins qudit. Með öðrum orðum, þú þarft að umrita og vinna úr sama magni upplýsinga. minni dýrð en qubits.

Til að búa til skammtahlið sem innihélt qudits, kóðaði Purdue teymið fjórar qudits í tvær flæktar ljóseindir hvað varðar tíðni og tíma. Teymið valdi ljóseindir vegna þess að þær hafa ekki eins auðveldlega áhrif á umhverfið og að nota mörg lén leyfði meiri flækju með færri ljóseindum. Fullbúna hliðið hafði vinnslugetu upp á 20 qubits, þó það þyrfti aðeins fjóra qudits, með auknum stöðugleika vegna notkunar ljóseinda, sem gerir það að efnilegu kerfi fyrir framtíðar skammtatölvur.

Kísil- eða jónagildrur

Þótt ekki séu allir á sömu skoðun virðist notkun kísils til að smíða skammtatölvur hafa gríðarlega ávinning þar sem kísiltæknin er vel við lýði og nú þegar er stór iðnaður tengdur henni. Kísill er notaður í Google og IBM skammtaörgjörvum, þó það sé kælt niður í mjög lágt hitastig í þeim. Það er ekki tilvalið efni fyrir skammtakerfi, en vísindamenn eru að vinna að því.

Samkvæmt nýlegri birtingu í Nature notaði hópur vísindamanna örbylgjuorku til að samræma tvær rafeindaagnir sem eru sviflausnar í sílikoni og notaði þær síðan til að framkvæma röð prófunarútreikninga. Hópurinn, sem innihélt einkum vísindamenn frá háskólanum í Wisconsin-Madison, „hengdu“ stakra rafeindahluta í kísilbyggingu, en snúningur þeirra var ákvarðaður af orku örbylgjugeislunar. Í yfirsetningu snérist rafeind samtímis um tvo mismunandi ása. Tveir qubits voru síðan sameinaðir og forritaðir til að framkvæma prófunarútreikninga, eftir það báru rannsakendur saman gögnin sem kerfið myndaði við gögn sem berast frá venjulegri tölvu sem framkvæmir sömu prófunarútreikninga. Eftir að hafa leiðrétt gögnin er forritanlegt tveggja bita skammtakísil örgjörvi.

Þó að villuhlutfallið sé enn mun hærra en í svokölluðum jónagildrum (tækjum þar sem hlaðnar agnir eins og jónir, rafeindir, róteindir eru geymdar í nokkurn tíma) eða tölvum  byggt á ofurleiðurum eins og D-Wave er árangurinn eftirtektarverður þar sem það er mjög erfitt að einangra qubits frá utanaðkomandi hávaða. Sérfræðingar sjá tækifæri til að stækka og bæta kerfið. Og notkun kísils, frá tæknilegu og efnahagslegu sjónarmiði, skiptir hér höfuðmáli.

Hins vegar, fyrir marga vísindamenn, er kísill ekki framtíð skammtatölva. Í desember á síðasta ári birtust upplýsingar um að verkfræðingar bandaríska fyrirtækisins IonQ notuðu ytterbium til að búa til afkastamestu skammtatölvu heimsins, sem færi fram úr D-Wave og IBM kerfum.

Niðurstaðan var vél sem innihélt eitt atóm í jónagildru (4) notar einn gagnahluta fyrir kóðun og qubitunum er stjórnað og mæld með sérstökum leysipúlsum. Tölvan er með minni sem getur geymt 160 qubits af gögnum. Það getur líka framkvæmt útreikninga samtímis á 79 qubits.

4. Skipulag IonQ jónagildru

Vísindamenn frá IonQ gerðu staðlað próf á svokölluðum Bernstein-Vaziraniego reiknirit. Verkefni vélarinnar var að giska á tölu á milli 0 og 1023. Klassískar tölvur taka ellefu getgátur fyrir 10 bita tölu. Skammtatölvur nota tvær aðferðir til að giska á niðurstöðuna með 100% vissu. Í fyrstu tilraun giskaði IonQ skammtatölvan að meðaltali um 73% af uppgefnum tölum. Þegar reikniritið er keyrt fyrir hvaða tölu sem er á milli 1 og 1023 er árangur fyrir dæmigerða tölvu 0,2%, en fyrir IonQ er það 79%.

Sérfræðingar IonQ telja að kerfi sem byggjast á jónagildrum séu betri en kísilskammtatölvurnar sem Google og önnur fyrirtæki eru að smíða. 79 qubit fylki þeirra er betri en Bristlecone skammtaörgjörvi Google um 7 qubits. Niðurstaðan IonQ er líka tilkomumikil þegar kemur að spennutíma kerfisins. Samkvæmt höfundum vélarinnar, fyrir einn qubit, er það áfram í 99,97%, sem þýðir villuhlutfall upp á 0,03%, en besti árangur keppninnar var að meðaltali um 0,5%. Tveggja bita villuhlutfall fyrir IonQ tækið ætti að vera 99,3% á meðan flestir keppendur fara ekki yfir 95%.

Það er þess virði að bæta því við, samkvæmt Google vísindamönnum skammtafræði yfirburði – þeim tímapunkti þar sem skammtatölva er betri en allar aðrar tiltækar vélar – er nú þegar hægt að ná með skammtatölvu með 49 qubits, að því tilskildu að villuhlutfall á tveggja qubit hliðum sé undir 0,5%. Hins vegar stendur jónagildruaðferðin í skammtafræði enn frammi fyrir miklum hindrunum sem þarf að yfirstíga: hægur framkvæmdartími og gríðarleg stærð, auk nákvæmni og sveigjanleika tækninnar.

Vígi dulmáls í rústum og öðrum afleiðingum

Í janúar 2019 á CES 2019 tilkynnti forstjóri IBM, Ginni Rometty, að IBM væri nú þegar að bjóða upp á samþætt skammtatölvukerfi til notkunar í atvinnuskyni. IBM skammtatölvur5) eru líkamlega staðsettir í New York sem hluti af kerfinu IBM Q System One. Með því að nota Q Network og Q Quantum Computational Center geta verktaki auðveldlega notað Qiskit hugbúnaðinn til að setja saman skammtafræðireiknirit. Þannig er reiknikraftur IBM skammtatölva tiltækur sem skýjatölvuþjónusta, sanngjarnt verð.

D-Wave hefur einnig veitt slíka þjónustu í nokkurn tíma núna og aðrir stórir aðilar (eins og Amazon) eru að skipuleggja svipaða skammtaskýjaframboð. Microsoft gekk lengra með kynninguna Q# forritunarmál (borið fram eins og) sem getur unnið með Visual Studio og keyrt á fartölvu. Forritarar hafa tól til að líkja eftir skammta reikniritum og búa til hugbúnaðarbrú milli klassískrar og skammtatölvunar.

Hins vegar er spurningin, til hvers geta tölvur og tölvugeta þeirra í raun verið gagnleg? Í rannsókn sem birt var í október síðastliðnum í tímaritinu Science reyndu vísindamenn frá IBM, háskólanum í Waterloo og Tækniháskólanum í München að ná saman hvers konar vandamálum skammtatölvur virðast best til þess fallnar að leysa.

Samkvæmt rannsókninni munu slík tæki geta leyst flókin línuleg algebru og hagræðingarvandamál. Það hljómar óljóst, en það geta verið tækifæri fyrir einfaldari og ódýrari lausnir á málum sem nú krefjast mikillar fyrirhafnar, fjármagns og tíma og eru stundum utan seilingar.

5. IBM skammtatölva

Gagnleg skammtafræði breyta þvermál sviði dulritunar. Þökk sé þeim var hægt að brjóta dulkóðunarkóða fljótt og mögulega, blockchain tækni verður eytt. RSA dulkóðun virðist nú vera sterk og óslítandi vörn sem verndar flest gögn og samskipti í heiminum. Hins vegar getur nægilega öflug skammtatölva auðveldlega sprunga RSA dulkóðun með hjálpinni Reiknirit Shora.

Hvernig á að koma í veg fyrir það? Sumir eru talsmenn að auka lengd opinberra dulkóðunarlykla í þá stærð sem þarf til að vinna bug á skammtafræðilegri dulkóðun. Fyrir aðra ætti það að vera notað eitt og sér til að tryggja örugg samskipti. Þökk sé skammtadulkóðun myndi það sjálft að stöðva gögnin spilla þeim, eftir það myndi sá sem truflaði ögnina ekki geta fengið gagnlegar upplýsingar úr henni og viðtakandinn yrði varaður við hlerunartilrauninni.

Möguleg notkun skammtatölvunar er einnig oft nefnd. haggreiningar og spár. Þökk sé skammtakerfum er hægt að stækka flókin líkön af markaðshegðun til að innihalda miklu fleiri breytur en áður, sem leiðir til nákvæmari greininga og spár. Með því að vinna úr þúsundum breyta samtímis með skammtatölvu væri líka hægt að draga úr tíma og kostnaði sem þarf til þróunar. ný lyf, flutninga- og flutningalausnir, aðfangakeðjur, loftslagslíkönsem og til að leysa mörg önnur vandamál af risastórum flóknum hætti.

Marigold lög

Heimur gamalla tölva hafði sitt eigið lögmál Moore, en skammtatölvur verða að hafa að leiðarljósi sk. Marigold lög. Hann á nafn sitt að þakka einum af þekktustu skammtafræðisérfræðingum Google, Hartmut Nevena (6), þar sem fram kemur að framfarir í skammtatölvutækni séu nú í gangi tvöfaldur veldisvísishraði.

Þetta þýðir að í stað þess að tvöfalda frammistöðu með endurteknum í röð, eins og var með klassískar tölvur og lögmál Moores, bætir skammtatæknin frammistöðu mun hraðar.

Sérfræðingar spá fyrir um tilkomu skammtafræðilegra yfirburða, sem hægt er að þýða ekki aðeins yfir í yfirburði skammtatölva umfram hvaða klassískar tölvur, heldur einnig á annan hátt - sem upphaf tímabils gagnlegra skammtatölva. Þetta mun ryðja brautina fyrir bylting í efnafræði, stjarneðlisfræði, læknisfræði, öryggismálum, samskiptum og fleiru.

Hins vegar er einnig sú skoðun að slíkir yfirburðir verði aldrei fyrir hendi, að minnsta kosti ekki í fyrirsjáanlegri framtíð. Minni útgáfa af efahyggju er það skammtatölvur munu aldrei leysa klassískar tölvur af hólmi því þær eru ekki hannaðar til þess. Þú getur ekki skipt út iPhone eða tölvu fyrir skammtavél, rétt eins og þú getur ekki skipt út tennisskóm fyrir kjarnorkuflugmóðurskip.. Klassískar tölvur gera þér kleift að spila leiki, athuga tölvupóst, vafra um vefinn og keyra forrit. Skammtatölvur framkvæma í flestum tilfellum eftirlíkingar sem eru of flóknar fyrir tvöfalda kerfi sem keyra á tölvubitum. Með öðrum orðum, einstakir neytendur munu nánast engan ávinning af eigin skammtatölvu, en raunverulegir ávinningshafar uppfinningarinnar verða til dæmis NASA eða Massachusetts Institute of Technology.

Tíminn mun leiða í ljós hvor aðferðin er hentugri - IBM eða Google. Samkvæmt lögum Neven erum við aðeins nokkra mánuði frá því að sjá fulla sýningu á skammtafræðilegum yfirburðum af einu eða öðru liði. Og þetta er ekki lengur möguleiki „eftir tíu ár, það er að segja enginn veit hvenær“.