Через десять лет неизвестно когда

У менее информированного человека, прочитавшего целую кучу публикаций о квантовых компьютерах, может сложиться впечатление, что это «готовые» машины, работающие так же, как и обычные компьютеры. Ничто не могло быть более неправильным. Некоторые даже считают, что квантовых компьютеров пока нет. А другие задаются вопросом, для чего они будут использоваться, поскольку они не созданы для замены систем ноль-единица.

Мы часто слышим, что первые настоящие и нормально функционирующие квантовые компьютеры появятся примерно через десятилетие. Однако, как отметил в статье Линли Гвеннап, главный аналитик Linley Group, «когда люди говорят, что квантовый компьютер появится через десять лет, они не знают, когда это произойдет».

Несмотря на эту невнятную ситуацию, уже чувствуется атмосфера конкуренции за т.н. квантовое превосходство. Обеспокоенная квантовыми работами и успехами китайцев, американская администрация в декабре прошлого года приняла Акт о национальной квантовой инициативе (1). Документ предназначен для оказания федеральной поддержки исследованиям, разработкам, демонстрации и применению квантовых вычислений и технологий. За волшебные десять лет правительство США потратит миллиарды на создание инфраструктуры квантовых вычислений, экосистемы и набор людей. Все основные разработчики квантовых компьютеров — D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft и Rigetti, а также создатели квантовых алгоритмов 1QBit и Zapata приветствовали это. Национальная квантовая инициатива.

Пионеры D-WAve

В 2007 году компания D-Wave Systems представила 128-кубитный чип (2), называется первый в мире квантовый компьютер. Однако не было уверенности, можно ли его так назвать – была показана только его работа без каких-либо подробностей его конструкции. В 2009 году компания D-Wave Systems разработала для Google «квантовую» систему поиска изображений. В мае 2011 года Lockheed Martin приобрела квантовый компьютер производства D-Wave Systems. D-волна один за 10 миллионов долларов, при этом подписав многолетний контракт на его эксплуатацию и разработку соответствующих алгоритмов.

В 2012 году эта машина продемонстрировала процесс нахождения спиральной белковой молекулы с наименьшей энергией. Исследователи из D-Wave Systems используют системы с разными номерами кубиты, выполнил ряд математических вычислений, некоторые из которых были далеко за пределами возможностей классических компьютеров. Однако в начале 2014 года Джон Смолин и Грэм Смит опубликовали статью, в которой утверждали, что машина D-Wave Systems не была машиной. Вскоре после этого «Физика природы» представила результаты экспериментов, доказывающих, что D-Wave One все-таки…

Другой тест, проведенный в июне 2014 года, не показал разницы между классическим компьютером и машиной D-Wave Systems, но компания ответила, что разница заметна только для более сложных задач, чем решаемые в тесте. В начале 2017 года компания представила машину, якобы состоящую из 2 тысячи кубитычто было в 2500 раз быстрее самых быстрых классических алгоритмов. И снова — спустя два месяца группа ученых доказала, что это сравнение не было точным. Для многих скептиков системы D-Wave по-прежнему являются не квантовыми компьютерами, а их симуляции используя классические методы.

Система D-Wave четвертого поколения использует квантовые отжигиа состояния кубита реализуются сверхпроводящими квантовыми цепями (на основе так называемых джозефсоновских контактов). Они работают в среде, близкой к абсолютному нулю, и могут похвастаться системой из 2048 кубитов. В конце 2018 года компания D-Wave представила на рынке ПРЫЖОК, то есть свой среда квантовых приложений реального времени (КАЭ). Облачное решение обеспечивает доступ внешних клиентов к квантовым вычислениям в режиме реального времени.

В феврале 2019 года D-Wave анонсировала следующее поколение  Пегас. Было объявлено, что это «самая обширная коммерческая квантовая система в мире» с пятнадцатью соединениями на кубит вместо шести, с более 5 кубиты и включение шумоподавления на ранее неизвестном уровне. Устройство должно появиться в продаже в середине следующего года.

Кубиты, или суперпозиции плюс запутанность

Стандартные компьютерные процессоры полагаются на пакеты или фрагменты информации, каждый из которых представляет собой один ответ «да» или «нет». Квантовые процессоры разные. Они не работают в мире ноль-единица. локтевая кость, наименьшая и неделимая единица квантовой информации представляет собой описываемую двумерную систему гильбертово пространство. Поэтому она отличается от классической биты тем, что может быть в любая суперпозиция два квантовых состояния. В качестве физической модели кубита чаще всего приводится пример частицы со спином ½, например электрона, или поляризации одиночного фотона.

Чтобы использовать мощь кубитов, вы должны соединить их с помощью процесса, называемого путаница. С каждым добавленным кубитом вычислительная мощность процессора удваивается сами, так как количество запутываний сопровождается запутыванием нового кубита со всеми состояниями, уже имеющимися в процессоре (3). Но создание и объединение кубитов, а затем указание им выполнять запутанные вычисления — непростая задача. Они остаются чрезвычайно чувствителен к внешним воздействиямчто может привести к ошибкам вычислений и, в худшем случае, к распаду запутанных кубитов, т.е. декогеренциячто является настоящим проклятием квантовых систем. По мере добавления дополнительных кубитов неблагоприятное воздействие внешних сил усиливается. Один из способов справиться с этой проблемой — включить дополнительные кубиты “Контроль”единственной функцией которого становится проверка и исправление выходных данных.

3. Символическое представление 50-кубитной системы IBM

Однако это означает, что потребуются более мощные квантовые компьютеры, полезные для решения сложных задач, таких как определение того, как сворачиваются белковые молекулы, или моделирование физических процессов внутри атомов. много кубитов. Том Уотсон из Делфтского университета в Нидерландах недавно сказал BBC News:

–

Короче говоря, если квантовые компьютеры хотят взлететь, вам нужно придумать простой способ производства больших и стабильных кубитных процессоров.

Поскольку кубиты нестабильны, создать систему со многими из них крайне сложно. Так что, если, в конце концов, кубиты как концепция квантовых вычислений потерпят неудачу, у ученых есть альтернатива: квантовые вентили кубитов.

Команда из Университета Пердью опубликовала исследование в «npj Quantum Information», в котором подробно описала свое создание. Ученые считают, что кудитыв отличие от кубитов, они могут существовать более чем в двух состояниях — например, 0, 1 и 2, и для каждого добавленного состояния вычислительная мощность одного кудита увеличивается. Другими словами, вам нужно кодировать и обрабатывать одинаковое количество информации. меньше славы чем кубиты.

Для создания квантовых ворот, содержащих кудит, команда Purdue закодировала четыре кудита в два запутанных фотона с точки зрения частоты и времени. Команда выбрала фотоны, потому что они не так легко воздействуют на окружающую среду, а использование нескольких доменов позволило добиться большей запутанности с меньшим количеством фотонов. Готовый вентиль имел вычислительную мощность 20 кубитов, хотя для этого требовалось всего четыре кудита, с дополнительной стабильностью благодаря использованию фотонов, что делало его многообещающей системой для будущих квантовых компьютеров.

Кремниевые или ионные ловушки

Хотя не все разделяют это мнение, использование кремния для создания квантовых компьютеров, по-видимому, имеет огромные преимущества, поскольку кремниевая технология хорошо освоена и с ней уже связана крупная промышленность. Кремний используется в квантовых процессорах Google и IBM, хотя и охлаждается в них до очень низких температур. Это не идеальный материал для квантовых систем, но ученые над ним работают.

Согласно недавней публикации в Nature, группа исследователей использовала микроволновую энергию для выравнивания двух электронных частиц, взвешенных в кремнии, а затем использовала их для выполнения ряда тестовых расчетов. Группа, в которую входили, в частности, Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон «подвесили» в кремниевой структуре одиночные электронные кубиты, спин которых определялся энергией микроволнового излучения. В суперпозиции электрон одновременно вращался вокруг двух разных осей. Затем два кубита были объединены и запрограммированы для выполнения пробных расчетов, после чего исследователи сопоставили данные, сгенерированные системой, с данными, полученными от стандартного компьютера, выполняющего те же тестовые расчеты. После корректировки данных была сделана программируемая двухбитный квантовый кремниевый процессор.

Хотя процент ошибок все еще намного выше, чем в так называемом ионные ловушки (устройства, в которых в течение некоторого времени хранятся заряженные частицы, например, ионы, электроны, протоны) или компьютеры  на основе сверхпроводников, таких как D-Wave, достижение остается замечательным, поскольку изоляция кубитов от внешнего шума чрезвычайно сложна. Специалисты видят возможности для масштабирования и улучшения системы. И использование кремния, с технологической и экономической точки зрения, имеет здесь ключевое значение.

Однако для многих исследователей кремний не является будущим квантовых компьютеров. В декабре прошлого года появилась информация, что инженеры американской компании IonQ использовали иттербий для создания самого производительного в мире квантового компьютера, превосходящего системы D-Wave и IBM.

В результате получилась машина, которая содержала один атом в ионной ловушке (4) использует один кубит данных для кодирования, а кубиты контролируются и измеряются с помощью специальных лазерных импульсов. Компьютер имеет память, которая может хранить 160 кубитов данных. Он также может выполнять вычисления одновременно на 79 кубитах.

4. Схема ионной ловушки IonQ

Ученые из IonQ провели стандартный тест так называемого алгоритм Бернштейна-Вазираниего. Задача машины состояла в том, чтобы угадать число от 0 до 1023. Классическим компьютерам требуется одиннадцать попыток для 10-битного числа. Квантовые компьютеры используют два подхода, чтобы угадать результат со 100% уверенностью. С первой попытки квантовый компьютер IonQ угадал в среднем 73% заданных чисел. Когда алгоритм запускается для любого числа от 1 до 1023, вероятность успеха обычного компьютера составляет 0,2%, а для IonQ — 79%.

Специалисты IonQ считают, что системы на основе ионных ловушек превосходят кремниевые квантовые компьютеры, которые строят Google и другие компании. Их 79-кубитная матрица превосходит квантовый процессор Google Bristlecone на 7 кубитов. Результат IonQ также является сенсационным, когда речь идет о безотказности системы. По данным создателей машины, для одного кубита она остается на уровне 99,97%, что означает коэффициент ошибок 0,03%, тогда как лучшие результаты конкурса в среднем составляли около 0,5%. Двухбитный коэффициент безошибочности для устройства IonQ должен быть на уровне 99,3%, тогда как у большинства конкурентов он не превышает 95%.

Стоит добавить, что по подсчетам исследователей Google квантовое превосходство – точка, в которой квантовый компьютер превосходит все другие доступные машины, – уже может быть достигнута с квантовым компьютером с 49 кубитами, при условии, что частота ошибок на двухкубитных вентилях ниже 0,5%. Тем не менее, метод ионной ловушки в квантовых вычислениях все еще сталкивается с серьезными препятствиями, которые необходимо преодолеть: медленное время выполнения и огромный размер, а также точность и масштабируемость технологии.

Оплот шифров в руинах и другие последствия

В январе 2019 года на выставке CES 2019 генеральный директор IBM Джинни Рометти объявила, что IBM уже предлагает интегрированную систему квантовых вычислений для коммерческого использования. Квантовые компьютеры IBM (англ.5) физически расположены в Нью-Йорке как часть системы IBM Q System One. Используя Q Network и Q Quantum Computational Center, разработчики могут легко использовать программное обеспечение Qiskit для компиляции квантовых алгоритмов. Таким образом, вычислительная мощность квантовых компьютеров IBM доступна как служба облачных вычислений, разумно оцененный.

D-Wave также предоставляет такие услуги в течение некоторого времени, и другие крупные игроки (такие как Amazon) планируют аналогичные предложения квантового облака. Microsoft пошла дальше с введением Q# язык программирования (произносится как), который может работать с Visual Studio и работать на ноутбуке. У программистов есть инструмент для моделирования квантовых алгоритмов и создания программного моста между классическими и квантовыми вычислениями.

Однако вопрос в том, для чего на самом деле могут быть полезны компьютеры и их вычислительные мощности? В исследовании, опубликованном в октябре прошлого года, в журнале Science ученые из IBM, Университета Ватерлоо и Технического университета Мюнхена попытались аппроксимировать типы задач, для решения которых квантовые компьютеры кажутся наиболее подходящими.

Согласно исследованию, такие устройства смогут решать сложные линейная алгебра и задачи оптимизации. Звучит расплывчато, но могут существовать возможности для более простого и дешевого решения вопросов, которые в настоящее время требуют больших усилий, ресурсов и времени, а иногда и находятся за пределами нашей досягаемости.

5. Квантовый компьютер IBM

Полезные квантовые вычисления диаметрально изменить область криптографии. Благодаря им шифровальные коды можно было быстро взломать и, возможно, технология блокчейн будет уничтожена. Шифрование RSA теперь кажется надежной и нерушимой защитой, которая защищает большую часть данных и коммуникаций в мире. Однако достаточно мощный квантовый компьютер может с легкостью взломать шифрование RSA с помощью Алгоритм Шора.

Как это предотвратить? Некоторые выступают за увеличение длины открытых ключей шифрования до размера, необходимого для преодоления квантового дешифрования. По мнению других, следует использовать в одиночку для обеспечения безопасности связи. Благодаря квантовой криптографии сам акт перехвата данных повредил бы их, после чего человек, вмешавшийся в частицу, не смог бы получить от нее полезную информацию, а получатель был бы предупрежден о попытке подслушивания.

Также часто упоминаются потенциальные приложения квантовых вычислений. экономический анализ и прогнозирование. Благодаря квантовым системам сложные модели рыночного поведения можно расширить, включив в них гораздо больше переменных, чем раньше, что приведет к более точным диагнозам и прогнозам. Благодаря одновременной обработке тысяч переменных квантовым компьютером также можно было бы сократить время и затраты, необходимые для разработки. новые лекарства, транспортные и логистические решения, цепочки поставок, климатические моделиа также для решения многих других задач гигантской сложности.

Закон Невена

В мире старых компьютеров был свой закон Мура, в то время как квантовые компьютеры должны руководствоваться так называемым Закон Невена. Своим названием он обязан одному из самых выдающихся квантовых специалистов Google, Хартмут Невена (6), в котором говорится, что достижения в технологии квантовых вычислений в настоящее время делаются в двойная экспоненциальная скорость.

Это означает, что вместо удвоения производительности с помощью последовательных итераций, как это было в случае с классическими компьютерами и законом Мура, квантовая технология повышает производительность гораздо быстрее.

Эксперты предсказывают наступление квантового превосходства, которое можно перевести не только в превосходство квантовых компьютеров над любыми классическими, но и другими способами — как начало эры полезных квантовых компьютеров. Это откроет путь к прорывам в химии, астрофизике, медицине, безопасности, связи и многом другом.

Однако существует также мнение, что такого превосходства никогда не будет, по крайней мере, в обозримом будущем. Более мягкий вариант скептицизма состоит в том, что квантовые компьютеры никогда не заменят классические компьютеры, потому что они не предназначены для этого. Нельзя заменить айфон или ПК квантовой машиной, как нельзя заменить теннисные туфли… атомным авианосцем. Классические компьютеры позволяют играть в игры, проверять электронную почту, просматривать веб-страницы и запускать программы. Квантовые компьютеры в большинстве случаев выполняют симуляции, которые слишком сложны для бинарных систем, работающих на компьютерных битах. Иными словами, индивидуальные потребители почти не получат пользы от собственного квантового компьютера, но реальными бенефициарами изобретения станут, например, НАСА или Массачусетский технологический институт.

Время покажет, какой подход более целесообразен — IBM или Google. Согласно закону Невена, нам осталось всего несколько месяцев, чтобы увидеть полноценную демонстрацию квантового превосходства той или иной командой. И это уже не перспектива “лет через десять, то есть неизвестно когда”.