O'n yil o'tgach, qachonligini hech kim bilmaydi

Kvant kompyuterlari haqidagi ko'plab nashrlarni o'qigan kam ma'lumotga ega bo'lgan odam, bu oddiy kompyuterlar bilan bir xil tarzda ishlaydigan "yaxshi" mashinalar degan taassurot qoldirishi mumkin. Hech narsa noto'g'ri bo'lishi mumkin emas. Ba'zilar hatto kvant kompyuterlari hali mavjud emas deb hisoblashadi. Boshqalar esa ular nima uchun ishlatilishini qiziqtiradi, chunki ular nol bir tizimni almashtirish uchun mo'ljallanmagan.

Biz ko'pincha birinchi haqiqiy va to'g'ri ishlaydigan kvant kompyuterlari taxminan o'n yil ichida paydo bo'lishini eshitamiz. Biroq, Linley Group bosh tahlilchisi Linley Gvennap maqolada ta'kidlaganidek, "odamlar o'n yildan keyin kvant kompyuteri paydo bo'lishini aytishganda, bu qachon sodir bo'lishini bilishmaydi".

Bu noaniq vaziyatga qaramay, deb atalmish uchun raqobat muhiti. kvant ustunligi. Kvant ishi va xitoyliklarning yutuqlaridan xavotirlangan AQSh ma'muriyati o'tgan dekabr oyida Milliy kvant tashabbusi to'g'risidagi qonunni qabul qildi.1). Hujjat kvant hisoblash va texnologiyalarni tadqiq qilish, ishlab chiqish, namoyish qilish va qo'llash uchun federal yordam ko'rsatishga mo'ljallangan. Sehrli o'n yil ichida AQSh hukumati kvant hisoblash infratuzilmasi, ekotizimlar qurish va odamlarni yollash uchun milliardlab mablag' sarflaydi. Kvant kompyuterlarining barcha yirik ishlab chiquvchilari - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft va Rigetti, shuningdek, 1QBit va Zapata kvant algoritmlarini yaratuvchilar buni olqishladilar. Milliy kvant tashabbusi.

D-WAve kashshoflari

2007 yilda D-Wave Systems 128 kubitli chipni (2), deyiladi dunyodagi birinchi kvant kompyuteri. Biroq, buni shunday deb atash mumkinmi yoki yo'qmi, aniq emas edi - faqat uning ishi ko'rsatildi, uning qurilishi tafsilotlarisiz. 2009 yilda D-Wave Systems Google uchun "kvant" tasvir qidiruv tizimini ishlab chiqdi. 2011 yil may oyida Lockheed Martin D-Wave Systems kompaniyasidan kvant kompyuterini sotib oldi. D to'lqini 10 million dollarga, uni ishlatish va tegishli algoritmlarni ishlab chiqish bo'yicha ko'p yillik shartnoma imzolashda.

2012 yilda ushbu mashina eng kam energiyaga ega spiral oqsil molekulasini topish jarayonini namoyish etdi. D-Wave Systems tadqiqotchilari turli raqamlarga ega tizimlardan foydalanadilar kubitlar, bir qator matematik hisob-kitoblarni amalga oshirdi, ularning ba'zilari klassik kompyuterlarning imkoniyatlaridan ancha yuqori edi. Biroq, 2014 yil boshida Jon Smolin va Graham Smit D-Wave Systems mashinasi mashina emasligini da'vo qilgan maqolani nashr etdilar. Ko'p o'tmay, Tabiat fizikasi D-Wave One hali ham borligini isbotlovchi tajribalar natijalarini taqdim etdi ...

2014-yil iyun oyida o‘tkazilgan yana bir sinov klassik kompyuter va D-Wave Systems mashinasi o‘rtasida hech qanday farq yo‘qligini ko‘rsatdi, biroq kompaniya bu farq faqat testda hal qilinganlardan ko‘ra murakkabroq vazifalar uchun seziladi, deb javob berdi. 2017 yil boshida kompaniya go'yoki undan iborat bo'lgan mashinani taqdim etdi 2 ming kubitBu eng tezkor klassik algoritmlardan 2500 marta tezroq edi. Va yana ikki oy o'tgach, bir guruh olimlar bu taqqoslash to'g'ri emasligini isbotladilar. Ko'pgina skeptiklar uchun D-Wave tizimlari hali ham kvant kompyuterlari emas, balki ularning simulyatsiyalar klassik usullardan foydalanish.

To'rtinchi avlod D-Wave tizimi foydalanadi kvant tavlanishlarikubitning holatlari esa o'ta o'tkazuvchan kvant zanjirlari orqali amalga oshiriladi (Jozefson birikmalari deb ataladigan narsalarga asoslanadi). Ular mutlaq nolga yaqin muhitda ishlaydi va 2048 kubitli tizim bilan faxrlanadi. 2018 yil oxirida D-Wave bozorga chiqdi BOUNCE, ya'ni sizning real vaqtda kvant dastur muhiti (KAE). Bulutli yechim tashqi mijozlarga real vaqtda kvant hisoblashlariga kirish imkonini beradi.

2019 yil fevral oyida D-Wave keyingi avlodni e'lon qildi  Pegasus. U "dunyodagi eng keng ko'lamli tijorat kvant tizimi" deb e'lon qilindi, har bir kubit uchun oltita o'rniga o'n beshta ulanish mavjud. 5 kubitdan ortiq va ilgari noma'lum darajada shovqinni kamaytirishni yoqish. Qurilma keyingi yilning o'rtalarida sotuvga chiqishi kerak.

Qubits yoki superpozitsiya va chalkashlik

Standart kompyuter protsessorlari paketlar yoki ma'lumotlar bo'laklariga tayanadi, ularning har biri bitta "ha" yoki "yo'q" javobini ifodalaydi. Kvant protsessorlari boshqacha. Ular nol bir dunyoda ishlamaydi. tirsak suyagi, kvant ma'lumotlarining eng kichik va bo'linmas birligi tasvirlangan ikki o'lchovli tizimdir hilbert fazosi. Shuning uchun u klassik urishdan farq qiladi, chunki u bo'lishi mumkin har qanday superpozitsiya ikkita kvant holati. Kubitning fizik modeli ko'pincha elektron yoki bitta fotonning qutblanishi kabi spin ½ bo'lgan zarrachaga misol sifatida keltirilgan.

Qubitlarning kuchidan foydalanish uchun ularni chaqirilgan jarayon orqali ulashingiz kerak chalkashlik. Har bir qo'shilgan kubit bilan protsessorning ishlov berish quvvati ikki barobar ortadi o'zlarini, chunki chalkashliklar soni protsessorda allaqachon mavjud bo'lgan barcha holatlar bilan yangi qubitning chigallashishi bilan birga keladi (3). Ammo kubitlarni yaratish va birlashtirish va keyin ularga murakkab hisoblarni bajarishni aytish oson ish emas. Ular qoladilar tashqi ta'sirlarga juda sezgirhisoblash xatolariga va eng yomon holatda, chigal qubitlarning parchalanishiga olib kelishi mumkin, ya'ni. dekogerentlikbu kvant tizimlarining haqiqiy la'natidir. Qo'shimcha kubitlar qo'shilsa, tashqi kuchlarning salbiy ta'siri kuchayadi. Ushbu muammoni hal qilishning bir usuli qo'shimchani yoqishdir kubitlar "BOSHQARUV"uning yagona vazifasi chiqishni tekshirish va tuzatishdir.

3. 50 kubitli IBM tizimining ramziy tasviri

Biroq, bu shuni anglatadiki, oqsil molekulalarining qanday katlanishini aniqlash yoki atomlar ichidagi jismoniy jarayonlarni simulyatsiya qilish kabi murakkab muammolarni hal qilish uchun foydali bo'lgan kuchliroq kvant kompyuterlari kerak bo'ladi. juda qubit. Niderlandiyaning Delft universitetidan Tom Uotson yaqinda BBC Newsga shunday dedi:

-

Muxtasar qilib aytganda, agar kvant kompyuterlari paydo bo'ladigan bo'lsa, siz katta va barqaror qubit protsessorlarini ishlab chiqarishning oson yo'lini topishingiz kerak.

Qubitlar beqaror bo'lgani uchun ularning ko'pchiligi bilan tizim yaratish juda qiyin. Shunday qilib, agar oxir-oqibat, kvant hisoblash uchun kontseptsiya sifatida qubitlar muvaffaqiyatsizlikka uchrasa, olimlar muqobil variantga ega: qubit kvant eshiklari.

Purdue universiteti jamoasi npj Quantum Information nashrida ularning yaratilishi haqida batafsil tadqiqot chop etdi. Olimlar bunga ishonishadi maqtovlarkubitlardan farqli o'laroq, ular ikkitadan ortiq holatda mavjud bo'lishi mumkin - masalan, 0, 1 va 2 - va har bir qo'shilgan holat uchun bir quditning hisoblash quvvati ortadi. Boshqacha qilib aytganda, siz bir xil miqdordagi ma'lumotlarni kodlashingiz va qayta ishlashingiz kerak. kamroq shon-sharaf kubitlarga qaraganda.

Quditni o'z ichiga olgan kvant darvozasini yaratish uchun Purdue jamoasi to'rtta quditni chastota va vaqt bo'yicha ikkita chigallashgan fotonga kodladi. Jamoa fotonlarni tanladi, chunki ular atrof-muhitga oson ta'sir qilmaydi va bir nechta domenlardan foydalanish kamroq fotonlar bilan ko'proq chalkashishga imkon berdi. Tayyor darvoza 20 kubitni qayta ishlash quvvatiga ega edi, garchi u faqat to'rt quditni talab qilgan bo'lsa-da, fotonlardan foydalanish hisobiga qo'shimcha barqarorlikka ega bo'lib, uni kelajakdagi kvant kompyuterlari uchun istiqbolli tizimga aylantirdi.

Silikon yoki ion tuzoqlari

Garchi hamma ham bu fikrga qo'shilmasa-da, kvant kompyuterlarini yaratish uchun kremniydan foydalanish katta afzalliklarga ega ko'rinadi, chunki kremniy texnologiyasi yaxshi yo'lga qo'yilgan va katta sanoat allaqachon u bilan bog'langan. Silikon Google va IBM kvant protsessorlarida ishlatiladi, garchi ularda juda past haroratgacha sovutilgan bo'lsa ham. Bu kvant tizimlari uchun ideal material emas, ammo olimlar bu ustida ishlamoqda.

Yaqinda Nature nashrida chop etilgan ma'lumotlarga ko'ra, tadqiqotchilar guruhi kremniyda muallaq bo'lgan ikkita elektron zarrachani tekislash uchun mikroto'lqinli energiyadan foydalangan va keyin ularni bir qator sinov hisob-kitoblarini amalga oshirish uchun ishlatgan. Xususan, Viskonsin-Madison universiteti olimlarini o'z ichiga olgan guruh, spini mikroto'lqinli nurlanish energiyasi bilan aniqlangan kremniy strukturasidagi yagona elektron kubitlarni "to'xtatib qo'ydi". Superpozitsiyada elektron bir vaqtning o'zida ikki xil o'q atrofida aylanadi. Keyin ikkita kubit birlashtirildi va sinov hisoblarini amalga oshirish uchun dasturlashtirildi, shundan so'ng tadqiqotchilar tizim tomonidan yaratilgan ma'lumotlarni bir xil sinov hisoblarini amalga oshiradigan standart kompyuterdan olingan ma'lumotlar bilan solishtirishdi. Ma'lumotlarni tuzatgandan so'ng, dasturlashtiriladigan ikki bitli kvant kremniy protsessor.

Xatolar foizi hali ham ion tuzoqlari (zaryadlangan zarrachalarni ma'lum vaqt saqlaydigan qurilmalar, masalan, ionlar, elektronlar, protonlar) yoki kompyuterlarga qaraganda ancha yuqori bo'lsa ham.  D-Wave kabi supero'tkazgichlarga asoslangan holda, yutuq ajoyib bo'lib qolmoqda, chunki kubitlarni tashqi shovqindan ajratish juda qiyin. Mutaxassislar tizimni kengaytirish va takomillashtirish imkoniyatlarini ko'rishadi. Va silikondan foydalanish, texnologik va iqtisodiy nuqtai nazardan, bu erda asosiy ahamiyatga ega.

Biroq, ko'plab tadqiqotchilar uchun kremniy kvant kompyuterlarining kelajagi emas. O‘tgan yilning dekabr oyida Amerikaning IonQ kompaniyasi muhandislari D-Wave va IBM tizimlaridan o‘zib ketgan dunyodagi eng samarali kvant kompyuterini yaratish uchun iterbiydan foydalangani haqida ma’lumot paydo bo‘ldi.

Natijada ion tuzog'ida bitta atom bo'lgan mashina paydo bo'ldi (4) kodlash uchun bitta ma'lumot qubitidan foydalanadi va kubitlar maxsus lazer impulslari yordamida boshqariladi va o'lchanadi. Kompyuterda 160 kubit ma'lumotlarni saqlashi mumkin bo'lgan xotira mavjud. Shuningdek, u bir vaqtning o'zida 79 kubitda hisob-kitoblarni amalga oshirishi mumkin.

4. IonQ ion tutqichning sxemasi

IonQ olimlari standart sinovni o'tkazdilar Bernshteyn-Vaziraniego algoritmi. Mashinaning vazifasi 0 dan 1023 gacha bo'lgan raqamni taxmin qilish edi. Klassik kompyuterlar 10 bitli raqam uchun o'n bitta taxminni qabul qiladi. Kvant kompyuterlari natijani 100% aniqlik bilan taxmin qilish uchun ikkita yondashuvdan foydalanadi. Birinchi urinishda IonQ kvant kompyuteri berilgan raqamlarning o'rtacha 73 foizini taxmin qildi. Algoritm 1 dan 1023 gacha bo'lgan har qanday raqam uchun ishga tushirilganda, odatdagi kompyuter uchun muvaffaqiyat darajasi 0,2% ni, IonQ uchun esa 79% ni tashkil qiladi.

IonQ ekspertlarining fikricha, ion tuzoqlariga asoslangan tizimlar Google va boshqa kompaniyalar qurayotgan kremniy kvant kompyuterlaridan ustundir. Ularning 79 kubitli matritsasi Google’ning Bristlecone kvant protsessoridan 7 kubitga oshib ketadi. IonQ natijasi tizimning ish vaqti haqida gap ketganda ham shov-shuvli. Mashinani yaratuvchilarning fikriga ko'ra, bitta kubit uchun u 99,97% darajasida qolmoqda, bu 0,03% xatolik darajasini bildiradi, raqobatning eng yaxshi natijalari esa o'rtacha 0,5% ni tashkil qiladi. IonQ qurilmasi uchun ikki bitli xato darajasi 99,3% bo'lishi kerak, aksariyat raqobatchilar esa 95% dan oshmaydi.

Google tadqiqotchilarining fikriga ko'ra, buni qo'shimcha qilish kerak kvant ustunligi - kvant kompyuteri boshqa barcha mavjud mashinalardan ustun bo'lgan nuqtaga - ikki kubitli eshiklardagi xato darajasi 49% dan past bo'lsa, 0,5 kubitli kvant kompyuteri bilan allaqachon erishish mumkin. Biroq, kvant hisoblashda ion tuzog'i usuli haligacha engib o'tish kerak bo'lgan katta to'siqlarga duch kelmoqda: sekin bajarish vaqti va katta hajm, shuningdek texnologiyaning aniqligi va miqyosi.

Xarobalardagi shifrlarning mustahkamligi va boshqa oqibatlar

2019-yil yanvar oyida CES 2019 ko‘rgazmasida IBM bosh direktori Jinni Rometti IBM allaqachon tijorat maqsadlarida foydalanish uchun integratsiyalashgan kvant hisoblash tizimini taklif qilayotganini e’lon qildi. IBM kvant kompyuterlari5) tizimning bir qismi sifatida jismoniy jihatdan Nyu-Yorkda joylashgan IBM Q System One. Q Network va Q Quantum Computational Center yordamida ishlab chiquvchilar kvant algoritmlarini kompilyatsiya qilish uchun Qiskit dasturidan bemalol foydalanishlari mumkin. Shunday qilib, IBM kvant kompyuterlarining hisoblash quvvati sifatida mavjud bulutli hisoblash xizmati, o'rtacha narxda.

D-Wave ham bir muncha vaqt davomida bunday xizmatlarni taqdim etib kelmoqda va boshqa yirik o'yinchilar (masalan, Amazon) shunga o'xshash kvant bulutlarini taklif qilishni rejalashtirmoqda. Microsoft taqdimot bilan oldinga bordi Q# dasturlash tili (kabi talaffuz qilinadi) u Visual Studio bilan ishlaydi va noutbukda ishlaydi. Dasturchilar kvant algoritmlarini simulyatsiya qilish va klassik va kvant hisoblash o'rtasida dasturiy ko'prik yaratish uchun vositaga ega.

Biroq, savol tug'iladi: kompyuterlar va ularning hisoblash quvvati aslida nima uchun foydali bo'lishi mumkin? O'tgan yilning oktyabr oyida Science jurnalida chop etilgan tadqiqotda IBM, Vaterlou universiteti va Myunxen Texnik universiteti olimlari kvant kompyuterlari hal qilish uchun eng mos bo'lgan muammolar turlarini taxmin qilishga harakat qilishdi.

Tadqiqotga ko'ra, bunday qurilmalar murakkab echishga qodir bo'ladi chiziqli algebra va optimallashtirish masalalari. Bu noaniq tuyuladi, lekin hozirda katta kuch, resurslar va vaqtni talab qiladigan, baʼzan esa bizning qoʻlimizdan kelmaydigan masalalarni sodda va arzonroq hal qilish imkoniyatlari mavjud boʻlishi mumkin.

5. IBM kvant kompyuteri

Foydali kvant hisoblash kriptografiya sohasini diametrik ravishda o'zgartiradi. Ularning yordami bilan shifrlash kodlari tezda buzilgan va, ehtimol, blokcheyn texnologiyasi yo'q qilinadi. RSA shifrlash endi dunyodagi ko'pgina ma'lumotlar va aloqalarni himoya qiladigan kuchli va buzilmas mudofaaga o'xshaydi. Biroq, etarli darajada kuchli kvant kompyuteri osongina mumkin RSA shifrlashni buzish yordamida Algoritm Shora.

Qanday qilib oldini olish mumkin? Ba'zilar ommaviy shifrlash kalitlarining uzunligini kvant parolini yengish uchun zarur bo'lgan hajmgacha oshirishni yoqlaydi. Boshqalar uchun xavfsiz aloqani ta'minlash uchun uni yolg'iz ishlatish kerak. Kvant kriptografiyasi tufayli ma'lumotlarni ushlab qolish harakatining o'zi ularni buzadi, shundan so'ng zarrachaga aralashgan odam undan foydali ma'lumot ololmaydi va qabul qiluvchiga tinglash urinishi haqida ogohlantiriladi.

Kvant hisoblashning potentsial ilovalari ham tez-tez tilga olinadi. iqtisodiy tahlil va prognozlash. Kvant tizimlari tufayli bozor xatti-harakatlarining murakkab modellari avvalgidan ko'ra ko'proq o'zgaruvchilarni o'z ichiga olishi uchun kengaytirilishi mumkin, bu esa aniqroq tashxis va prognozlarga olib keladi. Kvant kompyuterida bir vaqtning o'zida minglab o'zgaruvchilarni qayta ishlash orqali ishlab chiqish uchun zarur bo'lgan vaqt va xarajatlarni kamaytirish ham mumkin edi. yangi dorilar, transport va logistika echimlari, ta'minot zanjirlari, iqlim modellarishuningdek, ulkan murakkablikdagi boshqa ko'plab muammolarni hal qilish uchun.

Marigold qonuni

Qadimgi kompyuterlar dunyosining o'ziga xos Mur qonuni bor edi, kvant kompyuterlari esa shunday atalgan qoidalarga amal qilishi kerak. Marigold qonuni. U o'z nomini Google'dagi eng taniqli kvant mutaxassislaridan biriga qarzdor, Xartmut Nevena (6), unda kvant hisoblash texnologiyasidagi yutuqlar hozirda amalga oshirilayotganligini bildiradi ikki tomonlama eksponensial tezlik.

Bu shuni anglatadiki, klassik kompyuterlar va Mur qonunida bo'lgani kabi ketma-ket takrorlash bilan ishlashni ikki baravar oshirish o'rniga, kvant texnologiyasi ishlashni tezroq yaxshilaydi.

Mutaxassislar kvant ustunligining paydo bo'lishini bashorat qilmoqdalar, bu nafaqat kvant kompyuterlarining har qanday klassiklardan ustunligi, balki boshqa yo'llar bilan ham foydali kvant kompyuterlari davrining boshlanishi sifatida. Bu kimyo, astrofizika, tibbiyot, xavfsizlik, aloqa va boshqa sohalarda yutuqlarga yo‘l ochadi.

Biroq, bunday ustunlik hech qachon, hech bo'lmaganda, yaqin kelajakda bo'lmaydi, degan fikr ham mavjud. Skeptizmning yumshoqroq versiyasi - bu kvant kompyuterlari hech qachon klassik kompyuterlarning o'rnini bosa olmaydi, chunki ular buning uchun mo'ljallanmagan. Tennis poyabzallarini yadroviy samolyot tashuvchisi bilan almashtirib bo'lmaganidek, siz iPhone yoki shaxsiy kompyuterni kvant mashinasi bilan almashtira olmaysiz.. Klassik kompyuterlar sizga o'yin o'ynash, elektron pochta xabarlarini tekshirish, internetda kezish va dasturlarni ishga tushirish imkonini beradi. Kvant kompyuterlari ko'p hollarda kompyuter bitlarida ishlaydigan ikkilik tizimlar uchun juda murakkab simulyatsiyalarni bajaradi. Boshqacha qilib aytganda, individual iste'molchilar o'zlarining kvant kompyuterlaridan deyarli hech qanday foyda ko'rmaydilar, ammo ixtironing haqiqiy benefitsiarlari, masalan, NASA yoki Massachusets texnologiya instituti bo'ladi.

Qaysi yondashuv ko'proq mos kelishini vaqt ko'rsatadi - IBM yoki Google. Neven qonuniga ko'ra, u yoki bu jamoaning kvant ustunligini to'liq namoyish etishiga bir necha oy qoldi. Va bu endi "o'n yil ichida, ya'ni qachonligini hech kim bilmaydi" istiqbol emas.