On il sonra heç kim nə vaxt bilmir

Kvant kompüterləri haqqında bir çox nəşrləri oxuyan daha az məlumatlı bir insanda belə bir təəssürat yarana bilər ki, bu, adi kompüterlərlə eyni şəkildə işləyən “rəfdənkənar” maşınlardır. Daha yanlış bir şey ola bilməz. Bəziləri hətta kvant kompüterlərinin hələ olmadığına inanırlar. Digərləri isə onların nə üçün istifadə ediləcəyini düşünür, çünki onlar sıfır-bir sistemləri əvəz etmək üçün nəzərdə tutulmayıblar.

Biz tez-tez eşidirik ki, ilk real və düzgün işləyən kvant kompüterləri təxminən on ildən sonra peyda olacaq. Bununla belə, Linley Group-un baş analitiki Linley Gwennap məqalədə qeyd etdiyi kimi, "insanlar on ildən sonra kvant kompüterinin meydana çıxacağını söyləyəndə, bunun nə vaxt baş verəcəyini bilmirlər."

Bu qeyri-müəyyən vəziyyətə baxmayaraq, sözdə rəqabət mühiti. kvant dominantlığı. Kvant işi və çinlilərin irəliləyişlərindən narahat olan ABŞ administrasiyası ötən ilin dekabrında Milli Kvant Təşəbbüsü Aktını qəbul etdi.1). Sənəd kvant hesablamaları və texnologiyalarının tədqiqi, inkişafı, nümayişi və tətbiqi üçün federal dəstəyin təmin edilməsi üçün nəzərdə tutulub. Sehrli on ildən sonra ABŞ hökuməti kvant hesablama infrastrukturunun, ekosistemlərin qurulmasına və insanları işə götürməyə milyardlar xərcləyəcək. Kvant kompüterlərinin bütün əsas tərtibatçıları - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft və Rigetti, eləcə də 1QBit və Zapata kvant alqoritmlərinin yaradıcıları bunu alqışladılar. Milli Kvant Təşəbbüsü.

D-WAve Pionerləri

2007-ci ildə D-Wave Systems 128 kubitlik çip təqdim etdi (2), adlanır dünyanın ilk kvant kompüteri. Ancaq bunun belə adlandırıla biləcəyinə dair heç bir əminlik yox idi - tikintisinin heç bir təfərrüatı olmadan yalnız onun işi göstərildi. 2009-cu ildə D-Wave Systems Google üçün "kvant" şəkil axtarış sistemi hazırladı. 2011-ci ilin may ayında Lockheed Martin D-Wave Systems-dən kvant kompüteri əldə etdi. D dalğası 10 milyon dollara, onun istismarı və əlaqəli alqoritmlərin inkişafı üçün çoxillik müqavilə imzalayarkən.

2012-ci ildə bu maşın ən aşağı enerjiyə malik spiralvari zülal molekulunun tapılması prosesini nümayiş etdirdi. D-Wave Systems şirkətinin tədqiqatçıları müxtəlif nömrələri olan sistemlərdən istifadə edirlər kubitlər, bir sıra riyazi hesablamalar apardı, bəziləri klassik kompüterlərin imkanlarından çox kənarda idi. Bununla belə, 2014-cü ilin əvvəlində Con Smolin və Graham Smith D-Wave Systems maşınının maşın olmadığını iddia edən bir məqalə dərc etdilər. Qısa müddətdən sonra Physics of Nature, D-Wave One hələ də ... olduğunu sübut edən təcrübələrin nəticələrini təqdim etdi.

2014-cü ilin iyun ayında keçirilən başqa bir sınaq klassik kompüter və D-Wave Systems maşını arasında heç bir fərq göstərmədi, lakin şirkət cavab verdi ki, fərq yalnız testdə həll olunanlardan daha mürəkkəb tapşırıqlar üçün nəzərə çarpır. 2017-ci ilin əvvəlində şirkət, ehtimal ki, ibarət olan bir maşın təqdim etdi 2 min kubitən sürətli klassik alqoritmlərdən 2500 dəfə sürətli idi. Və yenə iki ay sonra bir qrup alim bu müqayisənin doğru olmadığını sübut etdi. Bir çox skeptiklər üçün D-Wave sistemləri hələ də kvant kompüterləri deyil, onlarındır simulyasiyalar klassik üsullardan istifadə etməklə.

Dördüncü nəsil D-Wave sistemindən istifadə edir kvant yumşalmalarıkubit vəziyyətləri isə superkeçirici kvant dövrələri ilə həyata keçirilir (Cozefson qovşaqları deyilənlər əsasında). Onlar mütləq sıfıra yaxın bir mühitdə işləyirlər və 2048 kubitlik sistemlə öyünürlər. 2018-ci ilin sonunda D-Wave bazara təqdim edildi BOUNCE, yəni sənin real vaxt kvant tətbiqi mühiti (KAE). Bulud həlli xarici müştərilərə real vaxt rejimində kvant hesablamalarına daxil olmaq imkanı verir.

2019-cu ilin fevral ayında D-Wave növbəti nəsli elan etdi  Pegasus. Onun "dünyanın ən geniş kommersiya kvant sistemi" olduğu elan edildi, hər bir kubitdə altı əvəzinə on beş əlaqə var. 5 kubitdən çox və əvvəllər naməlum səviyyədə səs-küyün azaldılmasını işə salmaq. Cihaz gələn ilin ortalarında satışa çıxmalıdır.

Qubitlər və ya superpozisiyalar üstəgəl dolaşıqlıq

Standart kompüter prosessorları hər biri tək bəli və ya yox cavabını təmsil edən paketlərə və ya məlumat parçalarına əsaslanır. Kvant prosessorları fərqlidir. Onlar sıfır-bir dünyada işləmirlər. dirsək sümüyü, kvant məlumatının ən kiçik və bölünməz vahidi təsvir olunan iki ölçülü sistemdir hilbert məkanı. Buna görə də klassik beat-dən fərqlənir ki, ola bilər hər hansı bir superpozisiya iki kvant vəziyyəti. Qubitin fiziki modeli ən çox spini ½ olan hissəciklərə, məsələn, elektrona və ya tək bir fotonun qütbləşməsinə misal olaraq verilir.

Qubitlərin gücündən istifadə etmək üçün onları adlandırılan bir proses vasitəsilə birləşdirməlisiniz qarışıqlıq. Hər əlavə kubit ilə prosessorun emal gücü ikiqat özünüzü, çünki dolaşıqların sayı prosessorda artıq mövcud olan bütün vəziyyətlərlə yeni qubitin qarışması ilə müşayiət olunur (3). Lakin kubitləri yaratmaq və birləşdirmək və sonra onlara mürəkkəb hesablamalar aparmağı söyləmək asan məsələ deyil. Onlar qalırlar xarici təsirlərə çox həssasdırhesablama səhvlərinə və ən pis halda dolaşıq kubitlərin çürüməsinə səbəb ola bilər, yəni. dekoherenskvant sistemlərinin əsl lənətidir. Əlavə kubitlər əlavə olunduqca xarici qüvvələrin mənfi təsirləri artır. Bu problemin öhdəsindən gəlməyin bir yolu əlavə funksiyanı aktivləşdirməkdir kubitlər "NƏZARƏT"onun yeganə funksiyası çıxışı yoxlamaq və düzəltməkdir.

3. 50-qubit IBM sisteminin simvolik təsviri

Bununla belə, bu o deməkdir ki, zülal molekullarının necə qatlandığını müəyyən etmək və ya atomlardakı fiziki prosesləri simulyasiya etmək kimi mürəkkəb problemlərin həlli üçün faydalı olan daha güclü kvant kompüterlərinə ehtiyac olacaq. çox qubit. Hollandiyanın Delft Universitetindən Tom Watson bu yaxınlarda BBC News-a deyib:

-

Bir sözlə, əgər kvant kompüterləri işə düşəcəksə, böyük və sabit qubit prosessorları istehsal etməyin asan yolunu tapmalısınız.

Qubitlər qeyri-sabit olduğundan, onların bir çoxu ilə bir sistem yaratmaq olduqca çətindir. Beləliklə, əgər sonda kvant hesablamaları üçün bir konsepsiya kimi qubitlər uğursuz olarsa, alimlərin alternativi var: qubit kvant qapıları.

Purdue Universitetindən bir qrup onların yaradılmasını təfərrüatlandıran npj Quantum Information-da araşdırma dərc etdi. Alimlər buna inanırlar təriflərqubitlərdən fərqli olaraq, onlar iki vəziyyətdən çox ola bilər - məsələn, 0, 1 və 2 - və hər bir əlavə vəziyyət üçün bir quditin hesablama gücü artır. Başqa sözlə desək, eyni miqdarda məlumatı kodlaşdırmaq və emal etmək lazımdır. az şöhrət qubitlərdən daha çox.

Quditi ehtiva edən kvant qapısı yaratmaq üçün Purdue komandası dörd quditi tezlik və vaxt baxımından iki dolaşıq fotona kodladı. Komanda fotonları seçdi, çünki onlar ətraf mühitə o qədər də asan təsir göstərmirlər və çoxlu domenlərdən istifadə daha az fotonla daha çox qarışmağa imkan verirdi. Bitmiş qapının emal gücü 20 kubit idi, baxmayaraq ki, yalnız dörd qudit tələb olunurdu, fotonların istifadəsi sayəsində əlavə sabitlik onu gələcək kvant kompüterləri üçün perspektivli bir sistem etdi.

Silikon və ya ion tələləri

Hər kəs bu fikri bölüşməsə də, silikon texnologiyası yaxşı qurulduğundan və böyük bir sənaye artıq onunla əlaqəli olduğundan kvant kompüterlərinin yaradılması üçün silikondan istifadənin böyük üstünlükləri var. Silikon Google və IBM kvant prosessorlarında istifadə olunur, baxmayaraq ki, onlarda çox aşağı temperaturlara qədər soyudulur. Bu, kvant sistemləri üçün ideal material deyil, lakin alimlər bunun üzərində işləyirlər.

Təbiətdə son nəşrə görə, tədqiqatçılar qrupu mikrodalğalı enerjidən silikonda asılmış iki elektron hissəciyi hizalamaq üçün istifadə edib və sonra onlardan bir sıra sınaq hesablamaları aparmaq üçün istifadə ediblər. Xüsusilə, Viskonsin-Madison Universitetinin alimlərinin daxil olduğu qrup, spini mikrodalğalı şüalanmanın enerjisi ilə müəyyən edilən silikon strukturda tək elektron kubitləri "dayandırdı". Superpozisiyada elektron eyni vaxtda iki fərqli ox ətrafında fırlanır. Sonra iki kubit birləşdirildi və sınaq hesablamalarını yerinə yetirmək üçün proqramlaşdırıldı, bundan sonra tədqiqatçılar sistem tərəfindən yaradılan məlumatları eyni test hesablamalarını həyata keçirən standart kompüterdən alınan məlumatlarla müqayisə etdilər. Məlumatları düzəltdikdən sonra proqramlaşdırıla bilən iki bitlik kvant silisium prosessoru.

Baxmayaraq ki, səhvlərin faizi hələ də ion tələləri (yüklü hissəcikləri bir müddət saxlayan qurğular, məsələn, ionlar, elektronlar, protonlar) və ya kompüterlərdən xeyli yüksəkdir.  D-Wave kimi superkeçiricilərə əsaslanaraq, kubitləri xarici səs-küydən təcrid etmək olduqca çətin olduğu üçün nailiyyət diqqətəlayiq olaraq qalır. Mütəxəssislər sistemin genişləndirilməsi və təkmilləşdirilməsi imkanlarını görürlər. Silisiumun istifadəsi texnoloji və iqtisadi baxımdan burada əsas əhəmiyyət kəsb edir.

Bununla belə, bir çox tədqiqatçılar üçün silikon kvant kompüterlərinin gələcəyi deyil. Ötən ilin dekabrında Amerikanın IonQ şirkətinin mühəndislərinin D-Wave və IBM sistemlərini geridə qoyaraq, dünyanın ən məhsuldar kvant kompüterini yaratmaq üçün iterbiumdan istifadə etdikləri barədə məlumatlar ortaya çıxdı.

Nəticə ion tələsində tək atom olan bir maşın oldu (4) kodlaşdırma üçün tək data qubitindən istifadə edir və kubitlər xüsusi lazer impulsları ilə idarə olunur və ölçülür. Kompüter 160 kubit məlumat saxlaya bilən yaddaşa malikdir. O, həmçinin 79 kubitdə eyni vaxtda hesablamalar apara bilir.

4. IonQ ion tələsinin sxemi

IonQ alimləri sözdə standart test keçiriblər Bernstein-Waziraniego alqoritmi. Maşının vəzifəsi 0-dan 1023-ə qədər olan rəqəmi təxmin etmək idi. Klassik kompüterlər 10 bitlik ədəd üçün on bir təxmin edir. Kvant kompüterləri nəticəni 100% əminliklə təxmin etmək üçün iki yanaşmadan istifadə edir. İlk cəhddə IonQ kvant kompüteri verilən ədədlərin orta hesabla 73%-ni təxmin etdi. Alqoritm 1-dən 1023-ə qədər hər hansı bir rəqəm üçün işlədildikdə, adi kompüter üçün müvəffəqiyyət nisbəti 0,2%, IonQ üçün isə 79% təşkil edir.

IonQ ekspertləri hesab edirlər ki, ion tələlərinə əsaslanan sistemlər Google və digər şirkətlərin qurduğu silisium kvant kompüterlərindən üstündür. Onların 79 kubitlik matrisi Google-un Bristlecone kvant prosessorunu 7 kubit üstələyir. IonQ nəticəsi sistemin işləmə müddətinə gəldikdə də sensasiyalıdır. Maşının yaradıcılarının fikrincə, bir kubit üçün o, 99,97% səviyyəsində qalır ki, bu da 0,03% səhv nisbəti deməkdir, rəqabətin ən yaxşı nəticələri isə orta hesabla 0,5% təşkil edir. IonQ cihazı üçün iki bitlik səhv nisbəti 99,3% olmalıdır, əksər rəqiblər isə 95%-i keçmir.

Google tədqiqatçılarının fikrincə, bunu da əlavə etmək lazımdır kvant üstünlüyü – kvant kompüterinin bütün digər mövcud maşınları üstələdiyi nöqtəyə – iki kubitlik qapılarda səhv nisbəti 49%-dən aşağı olması şərti ilə 0,5 kubitlik kvant kompüteri ilə artıq əldə edilə bilər. Bununla belə, kvant hesablamasında ion tələsi metodu hələ də aradan qaldırılmalı olan böyük maneələrlə üzləşir: yavaş icra müddəti və böyük ölçü, həmçinin texnologiyanın dəqiqliyi və miqyası.

Xarabada şifrələrin qalası və digər nəticələr

2019-cu ilin yanvarında CES 2019 sərgisində IBM-in baş direktoru Ginni Rometty elan etdi ki, IBM artıq kommersiya istifadəsi üçün inteqrasiya olunmuş kvant hesablama sistemini təklif edir. IBM kvant kompüterləri5) sistemin bir hissəsi kimi fiziki olaraq Nyu Yorkda yerləşir IBM Q System One. Q Network və Q Quantum Hesablama Mərkəzindən istifadə edərək tərtibatçılar kvant alqoritmlərini tərtib etmək üçün Qiskit proqram təminatından asanlıqla istifadə edə bilərlər. Beləliklə, IBM kvant kompüterlərinin hesablama gücü kimi mövcuddur bulud hesablama xidməti, münasib qiymətə.

D-Wave də bir müddətdir ki, bu cür xidmətləri təqdim edir və digər əsas oyunçular (məsələn, Amazon) oxşar kvant bulud təkliflərini planlaşdırır. Microsoft təqdimatla daha da irəli getdi Q# proqramlaşdırma dili (kimi tələffüz olunur) Visual Studio ilə işləyə və noutbukda işləyə bilər. Proqramçılar kvant alqoritmlərini simulyasiya etmək və klassik və kvant hesablamaları arasında proqram körpüsü yaratmaq üçün alətə malikdirlər.

Bununla belə, sual yaranır ki, kompüterlər və onların hesablama gücü əslində nə üçün faydalı ola bilər? Keçən ilin oktyabrında “Science” jurnalında dərc olunmuş araşdırmada IBM, Waterloo Universiteti və Münhen Texniki Universitetinin alimləri kvant kompüterlərinin həll etmək üçün ən uyğun göründüyü problemlərin növlərini təxmini hesablamağa çalışıblar.

Araşdırmaya görə, belə qurğular kompleksi həll edə biləcək xətti cəbr və optimallaşdırma məsələləri. Bu qeyri-müəyyən səslənir, lakin hazırda çoxlu səy, resurs və vaxt tələb edən və bəzən bizim əlimizdən kənarda qalan məsələlərin daha sadə və daha ucuz həlli üçün imkanlar ola bilər.

5. IBM kvant kompüteri

Faydalı kvant hesablaması kriptoqrafiya sahəsini diametrik olaraq dəyişdirin. Onların sayəsində şifrələmə kodları tez bir zamanda sındırıla bilər və ola bilsin ki, blokçeyn texnologiyası məhv ediləcək. RSA şifrələməsi indi dünyada məlumatların və kommunikasiyaların əksəriyyətini qoruyan güclü və sarsılmaz bir müdafiə kimi görünür. Ancaq kifayət qədər güclü bir kvant kompüteri asanlıqla edə bilər RSA şifrələməsini qırın köməyi ilə Alqoritm Şora.

Bunun qarşısını necə almaq olar? Bəziləri ictimai şifrələmə açarlarının uzunluğunu kvant deşifrəsini aradan qaldırmaq üçün lazım olan ölçüyə qədər artırmağı müdafiə edirlər. Digərləri üçün təhlükəsiz rabitəni təmin etmək üçün tək istifadə edilməlidir. Kvant kriptoqrafiyası sayəsində verilənlərin ələ keçirilməsinin özü onları korlayacaq, bundan sonra hissəciklə müdaxilə edən şəxs ondan faydalı məlumat ala bilməyəcək və alıcıya dinləmə cəhdi barədə xəbərdarlıq ediləcəkdi.

Kvant hesablamasının potensial tətbiqləri də tez-tez xatırlanır. iqtisadi təhlil və proqnozlaşdırma. Kvant sistemləri sayəsində bazar davranışının mürəkkəb modelləri əvvəlkindən daha çox dəyişənləri əhatə edəcək şəkildə genişləndirilə bilər ki, bu da daha dəqiq diaqnoz və proqnozlara gətirib çıxarır. Kvant kompüteri ilə minlərlə dəyişəni eyni vaxtda emal etməklə, inkişaf üçün tələb olunan vaxtı və xərcləri azaltmaq da mümkün olardı. yeni dərmanlar, nəqliyyat və logistika həlləri, təchizat zəncirləri, iqlim modellərihəm də nəhəng mürəkkəbliyin bir çox başqa problemlərinin həlli üçün.

Marigold qanunu

Köhnə kompüterlər dünyasının öz Mur qanunu var idi, kvant kompüterləri isə sözdə Marigold qanunu. O, adını Google-da ən görkəmli kvant mütəxəssislərindən birinə borcludur. Hartmut Nevena (6), hazırda kvant hesablama texnologiyasında irəliləyişlərin edildiyini bildirir ikiqat eksponensial sürət.

Bu o deməkdir ki, klassik kompüterlərdə və Mur qanununda olduğu kimi, ardıcıl təkrarlamalarla performansı ikiqat artırmaq əvəzinə, kvant texnologiyası performansı daha sürətli yaxşılaşdırır.

Mütəxəssislər kvant üstünlüyünün meydana gəlməsini proqnozlaşdırırlar ki, bu da yalnız kvant kompüterlərinin istənilən klassiklərdən üstünlüyünə deyil, həm də başqa yollarla - faydalı kvant kompüterləri erasının başlanğıcı kimi tərcümə edilə bilər. Bu, kimya, astrofizika, tibb, təhlükəsizlik, rabitə və s. sahələrdə irəliləyişlərə yol açacaq.

Bununla belə, belə bir üstünlükün heç vaxt, ən azı, yaxın gələcəkdə olmayacağına dair bir fikir də var. Skeptizmin daha yumşaq variantı budur kvant kompüterləri heç vaxt klassik kompüterləri əvəz etməyəcək, çünki onlar bunu etmək üçün nəzərdə tutulmayıblar. Tennis ayaqqabılarını nüvə təyyarədaşıyıcısı ilə əvəz edə bilməyəcəyiniz kimi, iPhone və ya PC-ni kvant maşını ilə əvəz edə bilməzsiniz.. Klassik kompüterlər sizə oyun oynamaq, e-poçtu yoxlamaq, internetdə gəzmək və proqramları işə salmaq imkanı verir. Kvant kompüterləri əksər hallarda kompüter bitlərində işləyən ikili sistemlər üçün çox mürəkkəb simulyasiyalar həyata keçirir. Başqa sözlə, fərdi istehlakçılar öz kvant kompüterindən demək olar ki, heç bir fayda əldə etməyəcəklər, lakin ixtiranın real benefisiarları, məsələn, NASA və ya Massaçusets Texnologiya İnstitutu olacaq.

Hansı yanaşmanın daha uyğun olduğunu zaman göstərəcək - IBM və ya Google. Neven qanununa görə, bu və ya digər komandanın kvant üstünlüyünü tam nümayiş etdirməsinə cəmi bir neçə ay qalıb. Və bu, artıq "on ildən sonra, yəni nə vaxt olduğunu heç kim bilmir" perspektivi deyil.