Napulo ka tuig ang milabay walay usa nga nahibal-an kung kanus-a

Sa usa ka tawo nga dili kaayo nahibal-an nga nakabasa sa daghang mga publikasyon bahin sa mga quantum computer, ang usa mahimong makakuha og impresyon nga kini mga "off-the-shelf" nga mga makina nga nagtrabaho sa parehas nga paagi sa ordinaryong mga kompyuter. Wala nay mas sayop pa. Ang uban gani nagtuo nga wala pay quantum computers. Ug ang uban naghunahuna kung unsa kini gamiton, tungod kay wala kini gidesinyo sa pag-ilis sa zero-one nga mga sistema.

Kanunay namong madungog nga ang una nga tinuod ug husto nga naglihok nga mga quantum computer makita sa mga usa ka dekada. Apan, sama sa giingon ni Linley Gwennap, punoan nga analista sa Linley Group, sa artikulo, "kung ang mga tawo moingon nga ang usa ka quantum computer motungha sa napulo ka tuig, wala sila mahibal-an kung kanus-a kini mahitabo."

Bisan pa niining dili klaro nga sitwasyon, ang atmospera sa kompetisyon alang sa gitawag nga. quantum dominasyon. Nabalaka bahin sa quantum work ug sa kalampusan sa mga Intsik, ang administrasyon sa US kaniadtong Disyembre nagpasa sa National Quantum Initiative Act (1). Ang dokumento gituyo aron mahatagan ang pederal nga suporta alang sa panukiduki, pag-uswag, pagpakita, ug aplikasyon sa quantum computing ug mga teknolohiya. Sa usa ka mahika nga napulo ka tuig, ang gobyerno sa US mogasto ug bilyon-bilyon sa pagtukod sa imprastraktura sa quantum computing, ekosistema, ug pagrekrut sa mga tawo. Ang tanan nga mga mayor nga developers sa quantum computers - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft ug Rigetti, ingon man ang mga tiglalang sa quantum algorithms 1QBit ug Zapata abi-abi niini. Nasyonal nga Quantum Initiative.

D-WAve Pioneers

Niadtong 2007, gipaila sa D-Wave Systems ang usa ka 128-qubit chip (2), gitawag ang unang quantum computer sa kalibutan. Bisan pa, dili sigurado kung kini matawag nga - ang operasyon ra ang gipakita, nga wala’y mga detalye sa disenyo niini. Kaniadtong 2009, ang D-Wave Systems nakamugna og "quantum" nga sistema sa pagpangita sa imahe alang sa Google. Niadtong Mayo 2011, nakuha ni Lockheed Martin ang usa ka quantum computer nga gigama sa D-Wave Systems. Usa ka D-wave alang sa $ 10 milyon, samtang nagpirma sa usa ka multi-tuig nga kontrata alang sa operasyon niini ug pagpalambo sa mga may kalabutan nga mga algorithm.

Sa 2012, kini nga makina nagpakita sa proseso sa pagpangita sa helical protina molekula uban sa labing ubos nga enerhiya. Ang mga tigdukiduki gikan sa D-Wave Systems naggamit sa mga sistema nga adunay lainlaing mga numero mga qubit, naghimo ug ubay-ubay nga mga kalkulasyon sa matematika, nga ang pipila niini labaw pa sa kapabilidad sa klasikal nga mga kompyuter. Bisan pa, sa sayong bahin sa 2014, si John Smolin ug Graham Smith nagpatik sa usa ka artikulo nga nag-angkon nga ang makina sa D-Wave Systems dili usa ka makina. Wala madugay pagkahuman, gipresentar sa Physics of Nature ang mga resulta sa mga eksperimento nga nagpamatuod nga ang D-Wave One mao gihapon ...

Ang laing pagsulay sa Hunyo 2014 nagpakita nga walay kalainan tali sa usa ka klasiko nga kompyuter ug sa usa ka D-Wave Systems nga makina, apan ang kompaniya mitubag nga ang kalainan makita lamang alang sa mga buluhaton nga mas komplikado kay sa mga nasulbad sa pagsulay. Sa sayong bahin sa 2017, ang kompanya nagpadayag sa usa ka makina nga kuno naglangkob sa 2 ka libo ka qubitnga 2500 ka beses nga mas paspas kaysa sa labing paspas nga klasikal nga mga algorithm. Ug usab, paglabay sa duha ka bulan, usa ka grupo sa mga siyentista ang nagpamatuod nga kini nga pagtandi dili tukma. Alang sa daghang mga maduhaduhaon, ang mga sistema sa D-Wave dili gihapon mga quantum computer, apan ilang mga simulation gamit ang klasikal nga mga pamaagi.

Ang ikaupat nga henerasyon nga D-Wave system naggamit quantum annealingsug ang mga estado sa usa ka qubit matuman pinaagi sa superconducting quantum circuits (base sa gitawag nga Josephson junctions). Naglihok sila sa usa ka palibot nga hapit sa hingpit nga zero ug gipasigarbo ang usa ka sistema nga 2048 qubits. Sa katapusan sa 2018, ang D-Wave gipaila sa merkado NING-UNTOL, kana mao, imong real-time nga quantum application environment (KAE). Ang solusyon sa panganod nagtugot sa mga kliyente sa gawas nga maka-access sa quantum computing sa tinuud nga oras.

Niadtong Pebrero 2019, gipahibalo sa D-Wave ang sunod nga henerasyon  Pegasus. Gipahibalo kini nga "labing halapad nga komersyal nga sistema sa quantum sa kalibutan" nga adunay kinse ka koneksyon matag qubit imbes nga unom, nga adunay labaw sa 5 qubits ug pag-on sa pagkunhod sa kasaba sa wala pa nahibal-an nga lebel. Ang aparato kinahanglan nga makita sa pagbaligya sa tungatunga sa sunod nga tuig.

Qubits, o superpositions plus entanglement

Ang kasagaran nga mga processor sa kompyuter nagsalig sa mga pakete o mga piraso sa impormasyon, ang matag usa nagrepresentar sa usa ka oo o dili nga tubag. Ang mga processor sa quantum lahi. Wala sila magtrabaho sa usa ka zero-one nga kalibutan. bukog sa siko, ang pinakagamay ug dili mabahin nga yunit sa impormasyon sa quantum mao ang gihulagway nga duha ka dimensyon nga sistema Hilbert nga wanang. Busa, kini lahi gikan sa classic beat sa nga kini mahimong sa bisan unsang superposisyon duha ka quantum states. Ang pisikal nga modelo sa usa ka qubit kasagarang gihatag isip usa ka pananglitan sa usa ka partikulo nga adunay spin ½, sama sa usa ka electron, o ang polarization sa usa ka photon.

Aron magamit ang gahum sa mga qubit, kinahanglan nimo nga ikonektar sila pinaagi sa usa ka proseso nga gitawag kalibog. Sa matag dugang nga qubit, ang gahum sa pagproseso sa processor doble imong kaugalingon, tungod kay ang gidaghanon sa mga entanglement giubanan sa entanglement sa usa ka bag-ong qubit uban sa tanan nga mga estado anaa na sa processor (3). Apan ang paghimo ug paghiusa sa mga qubit ug dayon pagsulti kanila sa paghimo sa makuti nga mga kalkulasyon dili sayon ​​​​nga buluhaton. Nagpabilin sila hilabihan ka sensitibo sa mga impluwensya sa gawasnga mahimong mosangpot sa mga sayop sa pagkalkula ug, sa pinakagrabe nga kaso, ngadto sa pagkadunot sa nalambigit nga mga qubit, i.e. decoherencenga mao ang tinuod nga tunglo sa quantum system. Samtang gidugang ang dugang nga mga qubit, ang dili maayo nga mga epekto sa mga pwersa sa gawas nagdugang. Usa ka paagi sa pag-atubang niini nga problema mao ang pagpagana sa dugang mga qubit "KONTROL"kansang function mao ang pagsusi ug pagtul-id sa output.

3. Simbolikong representasyon sa 50-qubit nga sistema sa IBM

Bisan pa, kini nagpasabut nga kinahanglan ang labi ka kusgan nga mga kompyuter sa quantum, mapuslanon sa pagsulbad sa mga komplikado nga mga problema, sama sa pagtino kung giunsa ang pagpilo sa mga molekula sa protina o pagsundog sa pisikal nga mga proseso sa sulod sa mga atomo. daghang qubit. Si Tom Watson sa University of Delft sa Netherlands bag-o lang misulti sa BBC News:

-

Sa laktud, kung ang mga kompyuter sa quantum kinahanglan nga mogawas, kinahanglan nimo nga maghimo usa ka dali nga paagi aron makahimo mga dagko ug lig-on nga mga processor sa qubit.

Tungod kay ang mga qubit dili lig-on, lisud kaayo ang paghimo og usa ka sistema nga adunay daghan niini. Busa kung, sa katapusan, ang mga qubit isip usa ka konsepto alang sa quantum computing mapakyas, ang mga siyentipiko adunay alternatibo: qubit quantum gates.

Usa ka team gikan sa Purdue University nagpatik sa usa ka pagtuon sa npj Quantum Information nga nagdetalye sa ilang paglalang. Ang mga siyentipiko nagtuo niana kuditsDili sama sa mga qubit, kini mahimong maglungtad sa labaw sa duha ka mga estado-pananglitan, 0, 1, ug 2-ug alang sa matag dugang nga estado, ang computational nga gahum sa usa ka qudit nagdugang. Sa laing pagkasulti, kinahanglan nimo nga i-encode ug iproseso ang parehas nga kantidad sa kasayuran. gamay nga himaya kay sa qubits.

Aron makamugna og mga quantum gate nga adunay mga qudits, ang Purdue team nag-encode sa upat ka qedits ngadto sa duha ka entangled photon sa termino sa frequency ug oras. Gipili sa team ang mga photon tungod kay dili kini kadali nga makaapekto sa palibot, ug ang paggamit sa daghang mga domain gitugotan alang sa dugang nga pagkasabod sa gamay nga mga photon. Ang nahuman nga ganghaan adunay gahum sa pagproseso nga 20 ka qubit, bisan kung kini nanginahanglan lamang og upat ka qudit, nga adunay dugang nga kalig-on tungod sa paggamit sa mga photon, nga naghimo niini nga usa ka maayong sistema alang sa umaabot nga mga quantum computer.

Silicon o ion nga mga lit-ag

Bisan kung dili tanan ang nag-ambit niini nga opinyon, ang paggamit sa silicon sa paghimo sa mga quantum computer ingon og adunay daghang mga bentaha, tungod kay ang teknolohiya sa silicon maayo nga natukod ug usa ka dako nga industriya ang nakig-uban niini. Ang Silicon gigamit sa Google ug IBM nga mga quantum processor, bisan pa kini gipabugnaw sa ubos kaayo nga temperatura niini. Dili kini maayo nga materyal alang sa quantum system, apan ang mga siyentipiko nagtrabaho niini.

Sumala sa usa ka bag-o nga publikasyon sa Kinaiyahan, usa ka grupo sa mga tigdukiduki migamit sa enerhiya sa microwave aron ipahiangay ang duha ka mga partikulo sa elektron nga gisuspinde sa silicon ug dayon gigamit kini sa paghimo sa usa ka serye sa mga kalkulasyon sa pagsulay. Ang grupo, nga naglakip, ilabi na, ang mga siyentipiko gikan sa Unibersidad sa Wisconsin-Madison "nagsuspinde" sa usa ka electronic qubits sa usa ka silicon nga istruktura, ang spin niini gitino sa kusog sa microwave radiation. Sa usa ka superposisyon, ang usa ka electron dungan nga nagtuyok palibot sa duha ka lainlaing mga wasay. Ang duha ka qubits dayon gihiusa ug giprograma aron sa paghimo sa mga kalkulasyon sa pagsulay, pagkahuman gitandi sa mga tigdukiduki ang datos nga nahimo sa sistema sa mga datos nga nadawat gikan sa usa ka standard nga kompyuter nga naghimo sa parehas nga mga kalkulasyon sa pagsulay. Human matul-id ang datos, usa ka programmable duha ka gamay nga quantum silicon processor.

Bisan kung ang porsyento sa mga sayup mas taas pa kaysa sa gitawag nga mga lit-ag sa ion (mga aparato diin ang mga partikulo nga adunay bayad sama sa mga ion, electron, proton gitipigan sa pipila ka panahon) o mga kompyuter.  base sa mga superconductor sama sa D-Wave, ang kalampusan nagpabilin nga talagsaon tungod kay ang paglain sa mga qubit gikan sa gawas nga kasaba lisud kaayo. Nakita sa mga espesyalista ang mga oportunidad alang sa pag-scale ug pagpaayo sa sistema. Ug ang paggamit sa silicon, gikan sa usa ka teknolohikal ug ekonomikanhon nga punto sa panglantaw, mao ang importante nga importansya dinhi.

Bisan pa, alang sa daghang mga tigdukiduki, ang silicon dili ang kaugmaon sa mga kompyuter nga quantum. Niadtong Disyembre sa miaging tuig, nagpakita ang impormasyon nga ang mga inhenyero sa American company nga IonQ migamit sa ytterbium sa paghimo sa labing produktibo nga quantum computer sa kalibutan, nga milabaw sa D-Wave ug IBM nga mga sistema.

Ang resulta mao ang usa ka makina nga adunay usa ka atomo sa usa ka lit-ag sa ion (4) naggamit sa usa ka data qubit alang sa pag-encode, ug ang mga qubit kontrolado ug gisukod gamit ang espesyal nga laser pulses. Ang kompyuter adunay memorya nga makatipig ug 160 ka qubit nga datos. Makahimo usab kini nga kalkulasyon nga dungan sa 79 qubits.

4. Scheme sa IonQ ion trap

Ang mga siyentista gikan sa IonQ nagpahigayon sa usa ka sumbanan nga pagsulay sa gitawag nga Algoritmo sa Bernstein-Vaziranian. Ang tahas sa makina mao ang pagtag-an sa usa ka numero tali sa 0 ug 1023. Ang mga klasikal nga kompyuter nagkuha ug onse ka pagtag-an alang sa 10-bit nga numero. Ang mga kompyuter sa quantum naggamit ug duha ka pamaagi aron matag-an ang resulta nga adunay 100% nga kasiguruhan. Sa una nga pagsulay, ang IonQ quantum computer nakatag-an sa usa ka average nga 73% sa gihatag nga mga numero. Kung ang algorithm gipadagan alang sa bisan unsang numero tali sa 1 ug 1023, ang rate sa kalampusan alang sa usa ka tipikal nga kompyuter mao ang 0,2%, samtang alang sa IonQ kini 79%.

Ang mga eksperto sa IonQ nagtuo nga ang mga sistema nga gibase sa mga lit-ag sa ion mas labaw sa mga silicon nga quantum nga mga kompyuter nga gitukod sa Google ug sa ubang mga kompanya. Ang ilang 79-qubit matrix milabaw sa Bristlecone quantum processor sa Google sa 7 qubits. Ang resulta sa IonQ makapakurat usab kung bahin sa oras sa sistema. Sumala sa mga tiglalang sa makina, alang sa usa ka qubit, kini nagpabilin sa 99,97%, nga nagpasabot sa usa ka error rate sa 0,03%, samtang ang labing maayo nga mga resulta sa kompetisyon nag-average sa mga 0,5%. Ang 99,3-bit error rate alang sa IonQ device kinahanglan nga 95%, samtang ang kadaghanan sa kompetisyon dili molapas sa XNUMX%.

Angayan nga idugang kana, sumala sa mga tigdukiduki sa Google quantum supremacy - ang punto diin ang usa ka quantum computer labaw sa tanan nga magamit nga mga makina - mahimo nang maabot sa usa ka 49-qubit quantum computer, basta ang error rate sa duha ka-qubit gates ubos sa 0,5%. Bisan pa, ang pamaagi sa lit-ag sa ion sa quantum computing nag-atubang gihapon sa dagkong mga babag nga buntogon: hinay nga oras sa pagpatuman ug dako nga gidak-on, ingon man ang katukma ug scalability sa teknolohiya.

Ang kuta sa mga cipher sa kagun-oban ug uban pang mga sangputanan

Niadtong Enero 2019 sa CES 2019, ang CEO sa IBM nga si Ginni Rometty mipahibalo nga ang IBM nagtanyag na og integrated quantum computing system para sa komersyal nga paggamit. IBM quantum nga mga kompyuter5) pisikal nga nahimutang sa New York isip kabahin sa sistema IBM Q System Usa. Gamit ang Q Network ug Q Quantum Computational Center, dali nga magamit sa mga developer ang software sa Qiskit aron makolekta ang mga algorithm sa quantum. Sa ingon, ang gahum sa pag-compute sa IBM quantum nga mga kompyuter magamit ingon serbisyo sa cloud computing, makatarunganon nga presyo.

Naghatag usab ang D-Wave sa ingon nga mga serbisyo sa dugay nga panahon, ug ang uban pang mga dagkong magdudula (sama sa Amazon) nagplano sa parehas nga mga paghalad sa quantum cloud. Nagpadayon ang Microsoft sa pagpaila Q# programming nga pinulongan (gipahayag nga sama) nga mahimong magamit sa Visual Studio ug modagan sa usa ka laptop. Ang mga programmer adunay himan aron masundog ang mga algorithm sa quantum ug maghimo usa ka tulay sa software tali sa klasikal ug quantum computing.

Bisan pa, ang pangutana mao, unsa ang mahimo sa mga kompyuter ug ang ilang gahum sa pag-compute sa tinuud nga mapuslanon? Sa usa ka pagtuon nga gipatik sa miaging Oktubre sa journal Science, ang mga siyentipiko gikan sa IBM, ang University of Waterloo ug ang Technical University of Munich misulay sa pagbanabana sa mga matang sa mga problema nga ang quantum computers daw labing haum sa pagsulbad.

Sumala sa pagtuon, ang maong mga himan makahimo sa pagsulbad sa komplikado linear algebra ug mga problema sa pag-optimize. Morag dili klaro, apan mahimong adunay mga oportunidad alang sa mas simple ug mas barato nga mga solusyon sa mga isyu nga sa pagkakaron nagkinahanglan og daghang paningkamot, mga kapanguhaan ug panahon, ug usahay dili nato maabot.

5. IBM quantum computer

Mapuslanon nga quantum computing diametrically usbon ang natad sa cryptography. Salamat sa kanila, ang mga code sa pag-encrypt mahimong dali nga ma-crack ug, posible, ang teknolohiya sa blockchain maguba. Ang RSA encryption karon daw usa ka lig-on ug dili maguba nga depensa nga nanalipod sa kadaghanan sa mga datos ug komunikasyon sa kalibutan. Bisan pa, ang usa ka igo nga kusog nga quantum computer dali ra crack RSA encryption sa panabang Algoritmo ni Shora.

Unsaon pagpugong niini? Ang uban nagpasiugda sa pagdugang sa gitas-on sa publiko nga mga yawe sa pag-encrypt sa gidak-on nga gikinahanglan aron mabuntog ang quantum decryption. Alang sa uban, kinahanglan nga gamiton kini nga mag-inusara aron masiguro ang luwas nga komunikasyon. Salamat sa quantum cryptography, ang mismong buhat sa pag-intercept sa datos makadaot kanila, pagkahuman ang tawo nga nanghilabot sa partikulo dili na makakuha ug mapuslanon nga kasayuran gikan niini, ug ang nakadawat mapasidan-an bahin sa pagsulay sa pag-eavesdrop.

Ang mga potensyal nga aplikasyon sa quantum computing kanunay usab nga gihisgutan. pagtuki ug pagtagna sa ekonomiya. Salamat sa mga sistema sa quantum, ang mga komplikadong modelo sa pamatasan sa merkado mahimong mapalapad aron maapil ang daghang mga variable kaysa kaniadto, nga nagdala sa mas tukma nga mga pagdayagnos ug mga panagna. Pinaagi sa dungan nga pagproseso sa libu-libo nga mga variable sa usa ka quantum computer, mahimo usab nga makunhuran ang oras ug gasto nga gikinahanglan alang sa pag-uswag. bag-ong mga tambal, mga solusyon sa transportasyon ug logistik, mga kadena sa suplay, mga modelo sa klimaingon man alang sa pagsulbad sa daghang uban pang mga problema sa dako nga pagkakomplikado.

Ang balaod ni Nevena

Ang kalibutan sa daan nga mga kompyuter adunay kaugalingon nga balaod ni Moore, samtang ang mga kompyuter nga quantum kinahanglan magiyahan sa gitawag nga Ang balaod ni Nevena. Utang niya ang iyang ngalan sa usa sa labing inila nga quantum specialist sa Google, Hartmut Nevena (6), nga nag-ingon nga ang mga pag-uswag sa teknolohiya sa quantum computing karon gihimo sa doble nga exponential speed.

Nagpasabot kini nga imbes nga doblehon ang pasundayag sa sunodsunod nga mga pag-uli, sama sa kaso sa klasikal nga mga kompyuter ug balaod ni Moore, ang teknolohiya sa quantum nagpauswag sa performance nga mas paspas.

Gitagna sa mga eksperto ang pag-abot sa quantum superyority, nga mahimong hubaron dili lamang sa pagkalabaw sa quantum nga mga kompyuter sa bisan unsang mga klasiko, apan usab sa ubang mga paagi - isip sinugdanan sa usa ka panahon sa mapuslanon nga mga kompyuter sa quantum. Kini maghatag ug dalan alang sa mga kalampusan sa chemistry, astrophysics, medisina, seguridad, komunikasyon, ug uban pa.

Bisan pa, adunay usa usab nga opinyon nga ang ingon nga pagkalabaw dili gyud maglungtad, labing menos dili sa umaabot nga umaabot. Ang usa ka mas malumo nga bersyon sa pagduhaduha mao kana Ang mga quantum nga kompyuter dili gayud mopuli sa mga klasikal nga kompyuter tungod kay wala kini gidesinyo sa pagbuhat niini. Dili nimo mapulihan ang iPhone o PC gamit ang quantum machine, sama nga dili nimo mapulihan ang mga sapatos sa tennis nga adunay carrier nga nukleyar nga ayroplano.. Gitugotan ka sa mga klasiko nga kompyuter nga magdula, magsusi sa email, mag-surf sa web, ug magpadagan sa mga programa. Ang mga kompyuter sa quantum sa kadaghanan nga mga kaso naghimo og mga simulation nga labi ka komplikado alang sa mga binary system nga nagdagan sa mga bit sa kompyuter. Sa laing pagkasulti, ang mga indibidwal nga mga konsumedor halos wala’y makuha nga kaayohan gikan sa ilang kaugalingon nga quantum computer, apan ang tinuud nga mga benepisyaryo sa imbensyon mao, pananglitan, ang NASA o ang Massachusetts Institute of Technology.

Ang oras ang magsulti kung unsang pamaagi ang labi ka makahuluganon - IBM o Google. Sumala sa Balaod ni Neven, pipila na lang ka bulan gikan sa pagtan-aw sa usa ka bug-os nga demonstrasyon sa quantum supremacy sa usa ka team o lain. Ug dili na kini ang palaaboton sa “napulo ka tuig gikan karon, sa ato pa, kinsay nahibalo kanus-a.”