Tien jaar later weet niemand wanneer

Voor een minder goed geïnformeerd persoon die een hele reeks publicaties over kwantumcomputers heeft gelezen, zou men de indruk kunnen krijgen dat dit "kant-en-klare" machines zijn die op dezelfde manier werken als gewone computers. Er kan niets meer mis zijn. Sommigen geloven zelfs dat er nog geen kwantumcomputers zijn. En anderen vragen zich af waarvoor ze zullen worden gebruikt, aangezien ze niet zijn ontworpen om nul-één-systemen te vervangen.

We horen vaak dat de eerste echte en goed werkende kwantumcomputers over ongeveer tien jaar zullen verschijnen. Echter, zoals Linley Gwennap, hoofdanalist bij de Linley Group, in het artikel opmerkte, "wanneer mensen zeggen dat er over tien jaar een kwantumcomputer zal verschijnen, weten ze niet wanneer het zal gebeuren."

Ondanks deze vage situatie, de sfeer van concurrentie voor de zogenaamde. kwantum dominantie. Bezorgd over kwantumwerk en het succes van de Chinezen, heeft de Amerikaanse regering afgelopen december de National Quantum Initiative Act aangenomen (1). Het document is bedoeld om federale steun te bieden voor onderzoek, ontwikkeling, demonstratie en toepassing van kwantumcomputers en -technologieën. In een magische tien jaar zal de Amerikaanse regering miljarden uitgeven aan het bouwen van kwantumcomputerinfrastructuur, ecosystemen en het rekruteren van mensen. Alle grote ontwikkelaars van kwantumcomputers - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft en Rigetti, evenals de makers van kwantumalgoritmen 1QBit en Zapata verwelkomden dit. Nationaal kwantuminitiatief.

D-WAve-pioniers

In 2007 introduceerde D-Wave Systems een 128-qubit-chip (2), wordt genoemd 's werelds eerste kwantumcomputer. Het was echter niet zeker of het zo genoemd kon worden - alleen zijn werk werd getoond zonder enige details van zijn constructie. In 2009 ontwikkelde D-Wave Systems een "kwantum" beeldzoekmachine voor Google. In mei 2011 kocht Lockheed Martin een kwantumcomputer van D-Wave Systems. D-golf een voor $ 10 miljoen, terwijl hij een meerjarig contract ondertekent voor de werking en ontwikkeling van gerelateerde algoritmen.

In 2012 demonstreerde deze machine het proces van het vinden van het spiraalvormige eiwitmolecuul met de laagste energie. Onderzoekers van D-Wave Systems gebruiken systemen met verschillende nummers qubits, voerde een aantal wiskundige berekeningen uit, waarvan sommige de mogelijkheden van klassieke computers ver te boven gingen. Begin 2014 publiceerden John Smolin en Graham Smith echter een artikel waarin ze beweerden dat de machine van D-Wave Systems geen machine was. Kort daarna presenteerde Physics of Nature de resultaten van experimenten die aantoonden dat D-Wave One nog steeds ...

Een andere test in juni 2014 toonde geen verschil tussen een klassieke computer en een D-Wave Systems-machine, maar het bedrijf antwoordde dat het verschil alleen merkbaar was voor taken die complexer waren dan de taken die in de test werden opgelost. Begin 2017 onthulde het bedrijf een machine die ogenschijnlijk bestaat uit: 2 qubitswat 2500 keer sneller was dan de snelste klassieke algoritmen. En opnieuw, twee maanden later, bewees een groep wetenschappers dat deze vergelijking niet klopte. Voor veel sceptici zijn D-Wave-systemen nog steeds geen kwantumcomputers, maar hun simulaties met behulp van klassieke methoden.

Het D-Wave-systeem van de vierde generatie maakt gebruik van: kwantumgloeienen de qubit-toestanden worden gerealiseerd door supergeleidende kwantumcircuits (gebaseerd op de zogenaamde Josephson-juncties). Ze opereren in een omgeving die dicht bij het absolute nulpunt ligt en beschikken over een systeem van 2048 qubits. Eind 2018 kwam D-Wave op de markt JUMP, dat is jouw realtime kwantumtoepassingsomgeving (KAE). De cloudoplossing biedt externe klanten realtime toegang tot quantum computing.

In februari 2019 kondigde D-Wave de volgende generatie aan  Пегас. Het werd aangekondigd als "'s werelds meest uitgebreide commerciële kwantumsysteem" met vijftien verbindingen per qubit in plaats van zes, met meer dan 5 qubits en het inschakelen van ruisonderdrukking op een voorheen onbekend niveau. Het toestel zou medio volgend jaar in de verkoop moeten verschijnen.

Qubits, of superposities plus verstrengeling

Standaard computerprocessors vertrouwen op pakketten of stukjes informatie, die elk een enkel ja of nee antwoord vertegenwoordigen. Quantumprocessors zijn anders. Ze werken niet in een nul-één wereld. elleboog bot, de kleinste en ondeelbare eenheid van kwantuminformatie is het beschreven tweedimensionale systeem Hilbert-ruimte. Daarom verschilt het van de klassieke beat doordat het in elke superpositie twee kwantumtoestanden. Het fysieke model van een qubit wordt meestal gegeven als voorbeeld van een deeltje met spin ½, zoals een elektron, of de polarisatie van een enkel foton.

Om de kracht van qubits te benutten, moet je ze verbinden via een proces genaamd verwardheid. Met elke toegevoegde qubit wordt de verwerkingskracht van de processor verdubbelt zichzelf, aangezien het aantal verstrengelingen gepaard gaat met de verstrengeling van een nieuwe qubit met alle toestanden die al beschikbaar zijn in de processor (3). Maar het maken en combineren van qubits en hen vervolgens vertellen ingewikkelde berekeningen uit te voeren, is geen gemakkelijke taak. Ze blijven extreem gevoelig voor invloeden van buitenafwat kan leiden tot rekenfouten en in het ergste geval tot het verval van verstrengelde qubits, d.w.z. decoherentiedat is de echte vloek van kwantumsystemen. Naarmate er extra qubits worden toegevoegd, nemen de nadelige effecten van externe krachten toe. Een manier om met dit probleem om te gaan, is door extra qubits "CONTROLE"waarvan de enige functie het controleren en corrigeren van de uitvoer is.

3. Symbolische weergave van het 50-qubit IBM-systeem

Dit betekent echter dat er krachtigere kwantumcomputers nodig zijn, handig voor het oplossen van complexe problemen, zoals het bepalen hoe eiwitmoleculen vouwen of het simuleren van de fysieke processen in atomen. veel qubits. Tom Watson van de Universiteit van Delft in Nederland vertelde onlangs aan BBC News:

-

Kortom, als kwantumcomputers een grote vlucht willen nemen, moet je een gemakkelijke manier bedenken om grote en stabiele qubit-processors te produceren.

Omdat qubits onstabiel zijn, is het buitengewoon moeilijk om een ​​systeem te maken met veel van deze qubits. Dus als qubits als concept voor kwantumcomputing uiteindelijk mislukken, hebben wetenschappers een alternatief: qubit-quantumpoorten.

Een team van Purdue University publiceerde een studie in npj Quantum Information waarin hun creatie werd beschreven. Wetenschappers geloven dat kuditsin tegenstelling tot qubits kunnen ze in meer dan twee toestanden voorkomen, zoals 0, 1 en 2, en voor elke toegevoegde toestand neemt de rekenkracht van één qudit toe. Met andere woorden, u moet dezelfde hoeveelheid informatie coderen en verwerken. minder glorie dan qubits.

Om kwantumpoorten met qudits te maken, codeerde het Purdue-team vier qudits in twee verstrengelde fotonen in termen van frequentie en tijd. Het team koos voor fotonen omdat ze het milieu niet zo gemakkelijk aantasten, en het gebruik van meerdere domeinen zorgde voor meer verstrengeling met minder fotonen. De voltooide poort had een verwerkingskracht van 20 qubits, hoewel er slechts vier qudits voor nodig waren, met extra stabiliteit door het gebruik van fotonen, waardoor het een veelbelovend systeem is voor toekomstige kwantumcomputers.

Silicium- of ionenvallen

Hoewel niet iedereen deze mening deelt, lijkt het gebruik van silicium om kwantumcomputers te maken enorme voordelen te hebben, aangezien siliciumtechnologie goed ingeburgerd is en er al een grote industrie aan verbonden is. Silicium wordt gebruikt in de kwantumprocessors van Google en IBM, hoewel het daarin wordt gekoeld tot zeer lage temperaturen. Het is geen ideaal materiaal voor kwantumsystemen, maar wetenschappers werken eraan.

Volgens een recente publicatie in Nature heeft een team van onderzoekers microgolfenergie gebruikt om twee in silicium gesuspendeerde elektronendeeltjes op één lijn te brengen en deze vervolgens te gebruiken om een ​​reeks testberekeningen uit te voeren. De groep, die met name wetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison omvatte, "suspendeerde" enkele elektronenqubits in een siliciumstructuur, waarvan de spin werd bepaald door de energie van microgolfstraling. In een superpositie roteerde een elektron gelijktijdig om twee verschillende assen. De twee qubits werden vervolgens gecombineerd en geprogrammeerd om testberekeningen uit te voeren, waarna de onderzoekers de door het systeem gegenereerde gegevens vergeleken met gegevens die werden ontvangen van een standaardcomputer die dezelfde testberekeningen uitvoerde. Na het corrigeren van de gegevens, een programmeerbare twee-bits quantum-siliciumprocessor.

Hoewel het foutenpercentage nog steeds veel hoger is dan bij zogenaamde iontraps (apparaten waarin geladen deeltjes zoals ionen, elektronen, protonen enige tijd worden opgeslagen) of computers  gebaseerd op supergeleiders zoals D-Wave, blijft de prestatie opmerkelijk omdat het isoleren van qubits van externe ruis buitengewoon moeilijk is. Specialisten zien mogelijkheden om het systeem op te schalen en te verbeteren. En daarbij staat het gebruik van silicium, technologisch en economisch gezien, centraal.

Voor veel onderzoekers is silicium echter niet de toekomst van kwantumcomputers. In december vorig jaar verscheen informatie dat de ingenieurs van het Amerikaanse bedrijf IonQ ytterbium gebruikten om 's werelds meest productieve kwantumcomputer te maken, die D-Wave- en IBM-systemen overtrof.

Het resultaat was een machine die een enkel atoom bevatte in een ionenval (4) gebruikt een enkele data-qubit voor codering en de qubits worden bestuurd en gemeten met behulp van speciale laserpulsen. De computer heeft een geheugen dat 160 qubits aan gegevens kan opslaan. Het kan ook gelijktijdig berekeningen uitvoeren op 79 qubits.

4. Schema van de IonQ-ionenval

Wetenschappers van IonQ voerden een standaardtest uit van de zogenaamde Bernstein-Vaziraans algoritme. De taak van de machine was om een ​​getal tussen 0 en 1023 te raden. Klassieke computers doen elf keer raden voor een 10-bits getal. Quantumcomputers gebruiken twee benaderingen om het resultaat met 100% zekerheid te raden. Bij de eerste poging raadde de IonQ-kwantumcomputer gemiddeld 73% van de gegeven getallen. Wanneer het algoritme wordt uitgevoerd voor een getal tussen 1 en 1023, is het slagingspercentage voor een typische computer 0,2%, terwijl het voor IonQ 79% is.

IonQ-experts zijn van mening dat systemen op basis van ionenvallen superieur zijn aan de siliciumquantumcomputers die Google en andere bedrijven bouwen. Hun matrix van 79 qubit presteert 7 qubits beter dan de Bristlecone-quantumprocessor van Google. Het IonQ-resultaat is ook sensationeel als het gaat om de uptime van het systeem. Volgens de makers van de machine blijft deze voor een enkele qubit op 99,97%, wat een foutenpercentage van 0,03% betekent, terwijl de beste resultaten van de competitie gemiddeld ongeveer 0,5% waren. Het 99,3-bits foutenpercentage voor het IonQ-apparaat zou 95% moeten zijn, terwijl de meeste concurrentie niet hoger is dan XNUMX%.

Het is de moeite waard om toe te voegen dat, volgens Google-onderzoekers kwantum suprematie – het punt waarop een kwantumcomputer beter presteert dan alle andere beschikbare machines – kan al worden bereikt met een kwantumcomputer met 49 qubits, mits het foutenpercentage op twee-qubit-poorten onder de 0,5% ligt. De ion trap-methode in quantum computing staat echter nog steeds voor grote hindernissen die moeten worden overwonnen: trage uitvoeringstijd en enorme omvang, evenals de nauwkeurigheid en schaalbaarheid van de technologie.

Bolwerk van cijfers in puin en andere gevolgen

In januari 2019 maakte IBM-CEO Ginni Rometty op CES 2019 bekend dat IBM al een geïntegreerd quantumcomputersysteem voor commercieel gebruik aanbood. IBM-kwantumcomputers5) zich fysiek in New York bevinden als onderdeel van het systeem IBM Q Systeem Eén. Met behulp van het Q Network en Q Quantum Computational Center kunnen ontwikkelaars de Qiskit-software eenvoudig gebruiken om kwantumalgoritmen te compileren. Zo is de rekenkracht van IBM-kwantumcomputers beschikbaar als: cloud computing-service, redelijk geprijsd.

D-Wave levert dergelijke diensten al geruime tijd en andere grote spelers (zoals Amazon) plannen soortgelijke quantumcloud-aanbiedingen. Microsoft ging verder met de introductie Q# programmeertaal (uitgesproken als) die kan werken met Visual Studio en op een laptop kan draaien. Programmeurs hebben een tool om kwantumalgoritmen te simuleren en een softwarematige brug te slaan tussen klassiek en kwantumcomputing.

De vraag is echter, waar kunnen computers en hun rekenkracht eigenlijk voor dienen? In een onderzoek dat afgelopen oktober in het tijdschrift Science werd gepubliceerd, probeerden wetenschappers van IBM, de Universiteit van Waterloo en de Technische Universiteit van München de soorten problemen te benaderen die kwantumcomputers het meest geschikt lijken om op te lossen.

Volgens de studie zullen dergelijke apparaten complexe problemen kunnen oplossen lineaire algebra en optimalisatieproblemen. Het klinkt vaag, maar er zijn wellicht mogelijkheden voor eenvoudigere en goedkopere oplossingen voor vraagstukken die momenteel veel inspanning, middelen en tijd vergen en soms buiten ons bereik liggen.

5. IBM-kwantumcomputer

Handige kwantumcomputers het gebied van cryptografie diametraal veranderen. Dankzij hen konden encryptiecodes snel worden gekraakt en mogelijk blockchain-technologie zal worden vernietigd. RSA-codering lijkt nu een sterke en onverwoestbare verdediging te zijn die de meeste gegevens en communicatie in de wereld beschermt. Een voldoende krachtige kwantumcomputer kan echter gemakkelijk crack RSA-encryptie via Shora's algoritme.

Hoe het te voorkomen? Sommigen pleiten voor het vergroten van de lengte van openbare coderingssleutels tot de grootte die nodig is om kwantumdecodering te overwinnen. Voor anderen moet het alleen worden gebruikt om veilige communicatie te garanderen. Dankzij kwantumcryptografie zou het onderscheppen van de gegevens ze beschadigen, waarna de persoon die zich met het deeltje bemoeit er geen bruikbare informatie uit zou kunnen halen en de ontvanger zou worden gewaarschuwd voor de afluisterpoging.

Mogelijke toepassingen van quantum computing worden ook vaak genoemd. economische analyse en prognoses. Dankzij kwantumsystemen kunnen complexe modellen van marktgedrag worden uitgebreid met veel meer variabelen dan voorheen, wat leidt tot nauwkeurigere diagnoses en voorspellingen. Door duizenden variabelen tegelijkertijd door een kwantumcomputer te verwerken, zou het ook mogelijk zijn om de tijd en kosten die nodig zijn voor ontwikkeling te verminderen. nieuwe medicijnen, transport- en logistieke oplossingen, toeleveringsketens, klimaatmodellenevenals voor het oplossen van vele andere problemen van gigantische complexiteit.

de wet van Nevena

De wereld van oude computers had zijn eigen wet van Moore, terwijl kwantumcomputers geleid moeten worden door de zogenaamde de wet van Nevena. Hij dankt zijn naam aan een van de meest vooraanstaande kwantumspecialisten bij Google, Hartmut Nevena (6), waarin staat dat er momenteel vooruitgang wordt geboekt in de kwantumcomputertechnologie in dubbele exponentiële snelheid.

Dit betekent dat in plaats van de prestaties te verdubbelen met opeenvolgende iteraties, zoals het geval was met klassieke computers en de wet van Moore, kwantumtechnologie de prestaties veel sneller verbetert.

Experts voorspellen de komst van kwantumsuperioriteit, die niet alleen kan worden vertaald in de superioriteit van kwantumcomputers ten opzichte van klassieke, maar ook op andere manieren - als het begin van een tijdperk van bruikbare kwantumcomputers. Dit zal de weg vrijmaken voor doorbraken in de chemie, astrofysica, geneeskunde, veiligheid, communicatie en meer.

Er is echter ook een mening dat een dergelijke superioriteit nooit zal bestaan, althans niet in de nabije toekomst. Een mildere versie van scepticisme is dat: kwantumcomputers zullen klassieke computers nooit vervangen omdat ze daar niet voor zijn ontworpen. Je kunt een iPhone of een pc niet vervangen door een kwantummachine, net zoals je tennisschoenen niet kunt vervangen... door een nucleair vliegdekschip.. Met klassieke computers kun je games spelen, e-mail checken, op internet surfen en programma's uitvoeren. Quantumcomputers voeren in de meeste gevallen simulaties uit die te complex zijn voor binaire systemen die op computerbits draaien. Met andere woorden, individuele consumenten zullen bijna geen voordeel halen uit hun eigen kwantumcomputer, maar de echte begunstigden van de uitvinding zullen bijvoorbeeld NASA of het Massachusetts Institute of Technology zijn.

De tijd zal leren welke benadering geschikter is: IBM of Google. Volgens de wet van Neven zijn we nog maar een paar maanden verwijderd van een volledige demonstratie van kwantumsuperioriteit door een of ander team. En dit is geen vooruitzicht meer "over tien jaar, dat wil zeggen, niemand weet wanneer".