Miaka kumi baadaye hakuna anayejua ni lini

Kwa mtu asiye na ufahamu mdogo ambaye amesoma rundo zima la machapisho kuhusu kompyuta za quantum, mtu anaweza kupata hisia kwamba hizi ni mashine "zisizo na rafu" zinazofanya kazi kwa njia sawa na kompyuta za kawaida. Hakuna inaweza kuwa mbaya zaidi. Wengine hata wanaamini kuwa hakuna kompyuta za quantum bado. Na wengine wanashangaa watatumiwa nini, kwani hawajaundwa kuchukua nafasi ya mifumo ya sifuri-moja.

Mara nyingi tunasikia kwamba kompyuta za kwanza halisi na zinazofanya kazi vizuri zitaonekana katika takriban muongo mmoja. Hata hivyo, kama Linley Gwennap, mchambuzi mkuu katika Kikundi cha Linley, alivyosema katika makala hiyo, “watu wanaposema kwamba kompyuta ya kiasi itatokea baada ya miaka kumi, hawajui itatokea lini.”

Licha ya hali hii isiyo wazi, hali ya ushindani kwa kinachojulikana. utawala wa quantum. Kwa kuwa na wasiwasi juu ya kazi ya kiasi na mafanikio ya Wachina, utawala wa Marekani Desemba mwaka jana ulipitisha Sheria ya Mpango wa Kitaifa wa Quantum (1) Hati hiyo inakusudiwa kutoa usaidizi wa shirikisho kwa utafiti, maendeleo, maonyesho, na matumizi ya kompyuta na teknolojia ya quantum. Katika miaka kumi ya ajabu, serikali ya Marekani itatumia mabilioni kujenga miundombinu ya kompyuta ya kiasi, mifumo ya ikolojia, na kuajiri watu. Watengenezaji wakuu wote wa kompyuta za quantum - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft na Rigetti, pamoja na waundaji wa algoriti za quantum 1QBit na Zapata walikaribisha hii. Mpango wa Kitaifa wa Quantum.

Waanzilishi wa D-Wave

Mnamo 2007, D-Wave Systems ilianzisha chip ya 128-qubit (2), inaitwa kompyuta ya kwanza ya quantum duniani. Walakini, hakukuwa na uhakika ikiwa inaweza kuitwa hivyo - kazi yake tu ndiyo iliyoonyeshwa, bila maelezo yoyote ya ujenzi wake. Mnamo 2009, Mifumo ya D-Wave ilitengeneza injini ya utaftaji ya picha ya "quantum" kwa Google. Mnamo Mei 2011, Lockheed Martin alipata kompyuta ya quantum kutoka kwa D-Wave Systems. D-wimbi moja kwa dola milioni 10, wakati wa kusaini mkataba wa miaka mingi kwa uendeshaji wake na maendeleo ya algorithms zinazohusiana.

Mnamo 2012, mashine hii ilionyesha mchakato wa kupata molekuli ya protini ya helical yenye nishati ya chini zaidi. Watafiti kutoka Mifumo ya D-Wave hutumia mifumo yenye nambari tofauti qubits, ilifanya mahesabu kadhaa ya hisabati, ambayo baadhi yake yalikuwa zaidi ya uwezo wa kompyuta za classical. Hata hivyo, mwanzoni mwa 2014, John Smolin na Graham Smith walichapisha makala wakidai kwamba mashine ya D-Wave Systems haikuwa mashine. Muda mfupi baadaye, Fizikia ya Asili iliwasilisha matokeo ya majaribio yaliyothibitisha kuwa D-Wave One bado ...

Jaribio lingine mnamo Juni 2014 halikuonyesha tofauti kati ya kompyuta ya kawaida na mashine ya D-Wave Systems, lakini kampuni ilijibu kuwa tofauti hiyo inaonekana tu kwa kazi ngumu zaidi kuliko zile zilizotatuliwa kwenye jaribio. Mapema mwaka wa 2017, kampuni ilizindua mashine inayoonekana kuwa na 2 elfu qubitsambayo ilikuwa mara 2500 haraka kuliko algoriti za classical za haraka sana. Na tena, miezi miwili baadaye, kikundi cha wanasayansi kilithibitisha kuwa ulinganisho huu haukuwa sahihi. Kwa wasiwasi wengi, mifumo ya D-Wave bado sio kompyuta za quantum, lakini zao simulizi kwa kutumia njia za classical.

Mfumo wa D-Wave wa kizazi cha nne hutumia annealings quantumna majimbo ya qubit hugunduliwa na mizunguko ya quantum superconducting (kulingana na kinachojulikana kama makutano ya Josephson). Wanafanya kazi katika mazingira karibu na sifuri kabisa na kujivunia mfumo wa 2048 qubits. Mwisho wa 2018, D-Wave ililetwa kwenye soko BUNCE, yaani yako mazingira ya matumizi ya quantum ya muda halisi (KAE). Suluhisho la wingu huwapa wateja wa nje ufikiaji wa wakati halisi wa kompyuta ya quantum.

Mnamo Februari 2019, D-Wave ilitangaza kizazi kijacho  Pegasus. Ilitangazwa kuwa "mfumo mpana zaidi wa viwango vya kibiashara ulimwenguni" na viunganisho kumi na tano kwa kila kobiti badala ya sita, na zaidi ya 5 qubits na kuwasha upunguzaji wa kelele katika kiwango kisichojulikana hapo awali. Kifaa kinapaswa kuonekana kuuzwa katikati ya mwaka ujao.

Qubits, au nafasi za juu pamoja na mtego

Vichakataji vya kawaida vya kompyuta hutegemea pakiti au vipande vya habari, kila kimoja kikiwakilisha jibu moja la ndiyo au hapana. Wasindikaji wa Quantum ni tofauti. Hazifanyi kazi katika ulimwengu wa sifuri-moja. mfupa wa kiwiko, kitengo kidogo na kisichogawanyika cha habari ya quantum ni mfumo ulioelezewa wa pande mbili Nafasi ya Hilbert. Kwa hiyo, inatofautiana na kupiga classic kwa kuwa inaweza kuwa ndani nafasi yoyote ya juu majimbo mawili ya quantum. Muundo halisi wa qubit mara nyingi hutolewa kama mfano wa chembe yenye spin ½, kama vile elektroni, au mgawanyiko wa fotoni moja.

Ili kuunganisha nguvu za qubits, lazima uunganishe kupitia mchakato unaoitwa mkanganyiko. Kwa kila qubit iliyoongezwa, nguvu ya usindikaji ya kichakataji maradufu mwenyewe, kwa kuwa idadi ya miunganisho inaambatana na kuingizwa kwa qubit mpya na majimbo yote ambayo tayari yanapatikana kwenye kichakataji (3) Lakini kuunda na kuchanganya qubits na kisha kuwaambia wafanye hesabu ngumu sio kazi rahisi. Wanakaa nyeti sana kwa mvuto wa njeambayo inaweza kusababisha makosa ya hesabu na, katika hali mbaya zaidi, kwa kuoza kwa qubits iliyoingizwa, i.e. mshikamanoambayo ni laana halisi ya mifumo ya quantum. Kadiri qubits za ziada zinaongezwa, athari mbaya za nguvu za nje huongezeka. Njia moja ya kukabiliana na tatizo hili ni kuwezesha ziada qubits "DHIBITI"ambao kazi yake pekee ni kuangalia na kusahihisha matokeo.

3. Uwakilishi wa ishara wa mfumo wa IBM wa qubit 50

Walakini, hii inamaanisha kuwa kompyuta zenye nguvu zaidi za quantum zitahitajika, muhimu kwa kutatua shida ngumu, kama vile kubaini jinsi molekuli za protini zinavyokunja au kuiga michakato ya asili ndani ya atomi. qubit nyingi. Tom Watson wa Chuo Kikuu cha Delft nchini Uholanzi hivi majuzi aliambia BBC News:

-

Kwa kifupi, ikiwa kompyuta za quantum zitaanza, unahitaji kuja na njia rahisi ya kutengeneza vichakataji vikubwa na thabiti vya qubit.

Kwa kuwa qubits sio thabiti, ni ngumu sana kuunda mfumo na wengi wao. Kwa hivyo ikiwa, mwishowe, qubits kama dhana ya kompyuta ya quantum itashindwa, wanasayansi wana njia mbadala: milango ya qubit quantum.

Timu kutoka Chuo Kikuu cha Purdue ilichapisha utafiti katika npj Quantum Information inayoelezea uumbaji wao. Wanasayansi wanaamini hivyo maelezotofauti na qubits, zinaweza kuwepo katika zaidi ya majimbo mawili, kama vile 0, 1, na 2, na kwa kila jimbo lililoongezwa, nguvu ya hesabu ya qudit moja huongezeka. Kwa maneno mengine, unahitaji kusimba na kuchakata kiasi sawa cha habari. utukufu mdogo kuliko qubits.

Ili kuunda milango ya quantum iliyo na qudits, timu ya Purdue ilisimba quditi nne kwenye fotoni mbili zilizonaswa kulingana na marudio na wakati. Timu ilichagua fotoni kwa sababu haziathiri mazingira kwa urahisi, na kutumia vikoa vingi vinavyoruhusiwa kwa msongamano zaidi na fotoni chache. Lango lililomalizika lilikuwa na nguvu ya usindikaji ya qubits 20, ingawa ilihitaji tu qudits nne, na utulivu ulioongezwa kutokana na matumizi ya photoni, na kuifanya kuwa mfumo wa kuahidi kwa kompyuta za quantum za baadaye.

Mitego ya silicon au ion

Ingawa si kila mtu anashiriki maoni haya, matumizi ya silicon kujenga kompyuta za quantum inaonekana kuwa na faida kubwa, kwani teknolojia ya silicon imeanzishwa vizuri na tayari kuna sekta kubwa inayohusishwa nayo. Silicon hutumiwa katika vichakataji vya quantum vya Google na IBM, ingawa hupozwa ndani yao kwa joto la chini sana. Sio nyenzo bora kwa mifumo ya quantum, lakini wanasayansi wanaifanyia kazi.

Kulingana na uchapishaji wa hivi majuzi katika Nature, timu ya watafiti ilitumia nishati ya microwave kupatanisha chembe mbili za elektroni zilizoahirishwa kwenye silicon na kisha kuzitumia kufanya mfululizo wa hesabu za majaribio. Kikundi, ambacho kilijumuisha, haswa, wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Wisconsin-Madison "walisimamisha" qubits za elektroni moja katika muundo wa silicon, spin ambayo iliamua na nishati ya mionzi ya microwave. Katika nafasi ya juu, elektroni wakati huo huo ilizunguka karibu na shoka mbili tofauti. Qubits mbili kisha ziliunganishwa na kuratibiwa kufanya hesabu za mtihani, baada ya hapo watafiti walilinganisha data inayotokana na mfumo na data iliyopokelewa kutoka kwa kompyuta ya kawaida inayofanya hesabu sawa za mtihani. Baada ya kusahihisha data, programu inayoweza kutekelezwa processor ya silicon ya quantum mbili-bit.

Ingawa asilimia ya makosa bado ni kubwa zaidi kuliko ile inayoitwa mitego ya ioni (vifaa ambavyo chembe za chaji kama vile ioni, elektroni, protoni huhifadhiwa kwa muda) au kompyuta.  kulingana na waendeshaji wakuu kama vile D-Wave, mafanikio yanabaki kuwa ya kushangaza kwani kutenganisha qubits kutoka kwa kelele ya nje ni ngumu sana. Wataalamu wanaona fursa za kuongeza na kuboresha mfumo. Na matumizi ya silicon, kutoka kwa mtazamo wa kiteknolojia na kiuchumi, ni ya umuhimu muhimu hapa.

Walakini, kwa watafiti wengi, silicon sio siku zijazo za kompyuta za quantum. Mnamo Desemba mwaka jana, habari zilionekana kwamba wahandisi wa kampuni ya Kiamerika ya IonQ walitumia ytterbium kuunda kompyuta yenye tija zaidi ulimwenguni, ikipita mifumo ya D-Wave na IBM.

Matokeo yake yalikuwa mashine ambayo ilikuwa na atomi moja kwenye mtego wa ioni (4) hutumia qubit moja ya data kwa usimbaji, na qubits hudhibitiwa na kupimwa kwa kutumia mipigo maalum ya laser. Kompyuta ina kumbukumbu ambayo inaweza kuhifadhi qubits 160 za data. Inaweza pia kufanya mahesabu kwa wakati mmoja kwenye qubits 79.

4. Mpango wa mtego wa ioni wa IonQ

Wanasayansi kutoka IonQ walifanya mtihani wa kawaida wa kinachojulikana Algorithm ya Bernstein-Vaziranian. Kazi ya mashine ilikuwa kukisia nambari kati ya 0 na 1023. Kompyuta za kawaida huchukua nadhani kumi na moja kwa nambari ya 10-bit. Kompyuta za Quantum hutumia mbinu mbili kukisia matokeo kwa uhakika wa 100%. Katika jaribio la kwanza, kompyuta ya IonQ quantum ilikisia wastani wa 73% ya nambari zilizotolewa. Wakati algorithm inaendeshwa kwa nambari yoyote kati ya 1 na 1023, kiwango cha mafanikio kwa kompyuta ya kawaida ni 0,2%, wakati kwa IonQ ni 79%.

Wataalamu wa IonQ wanaamini kuwa mifumo inayotegemea mitego ya ioni ni bora kuliko kompyuta za silicon quantum ambazo Google na kampuni zingine zinaunda. Matrix yao ya qubit 79 hupita kichakataji cha Google cha Bristlecone quantum kwa qubits 7. Matokeo ya IonQ pia ni ya kuvutia linapokuja suala la uboreshaji wa mfumo. Kwa mujibu wa waundaji wa mashine, kwa qubit moja, inabakia 99,97%, ambayo ina maana kiwango cha makosa ya 0,03%, wakati matokeo bora ya ushindani yalikuwa wastani wa 0,5%. Kiwango cha makosa ya 99,3-bit kwa kifaa cha IonQ kinapaswa kuwa 95%, wakati ushindani mwingi hauzidi XNUMX%.

Inafaa kuongeza kuwa, kulingana na watafiti wa Google ukuu wa quantum - mahali ambapo kompyuta ya quantum inashinda mashine zingine zote zinazopatikana - inaweza tayari kufikiwa na kompyuta ya quantum yenye qubits 49, mradi kiwango cha makosa kwenye milango ya qubit mbili iko chini ya 0,5%. Hata hivyo, mbinu ya mtego wa ioni katika kompyuta ya kiasi bado inakabiliwa na vikwazo vikubwa vya kushinda: wakati wa polepole wa utekelezaji na ukubwa mkubwa, pamoja na usahihi na kasi ya teknolojia.

Ngome ya ciphers katika magofu na matokeo mengine

Mnamo Januari 2019 katika CES 2019, Mkurugenzi Mtendaji wa IBM Ginni Rometty alitangaza kwamba IBM ilikuwa tayari ikitoa mfumo wa kompyuta wa quantum uliojumuishwa kwa matumizi ya kibiashara. Kompyuta za quantum za IBM5) ziko katika New York kama sehemu ya mfumo Mfumo wa IBM Q Moja. Kwa kutumia Mtandao wa Q na Kituo cha Mahesabu cha Q Quantum, wasanidi programu wanaweza kutumia programu ya Qiskit kwa urahisi kukusanya algoriti za quantum. Kwa hivyo, nguvu ya kompyuta ya IBM quantum kompyuta inapatikana kama huduma ya kompyuta ya wingu, bei ya kuridhisha.

D-Wave pia imekuwa ikitoa huduma kama hizo kwa muda sasa, na wachezaji wengine wakuu (kama vile Amazon) wanapanga matoleo sawa ya wingu ya quantum. Microsoft ilienda mbali zaidi na utangulizi Q# lugha ya programu (hutamkwa kama) ambayo inaweza kufanya kazi na Visual Studio na kukimbia kwenye kompyuta ndogo. Watayarishaji programu wana zana ya kuiga algoriti za quantum na kuunda daraja la programu kati ya kompyuta ya zamani na ya quantum.

Walakini, swali ni, kompyuta na nguvu zao za kompyuta zinaweza kuwa muhimu kwa nini? Katika utafiti uliochapishwa Oktoba iliyopita katika jarida la Sayansi, wanasayansi kutoka IBM, Chuo Kikuu cha Waterloo na Chuo Kikuu cha Kiufundi cha Munich walijaribu kukadiria aina za matatizo ambayo kompyuta za quantum zinaonekana kufaa zaidi kutatua.

Kulingana na utafiti huo, vifaa vile vitaweza kutatua tata aljebra ya mstari na matatizo ya uboreshaji. Inaonekana kuwa haijulikani, lakini kunaweza kuwa na fursa za ufumbuzi rahisi na wa bei nafuu kwa masuala ambayo kwa sasa yanahitaji juhudi nyingi, rasilimali na wakati, na wakati mwingine ni nje ya uwezo wetu.

5. IBM quantum kompyuta

Muhimu quantum kompyuta diametrically kubadilisha uwanja wa cryptography. Shukrani kwao, nambari za usimbuaji zinaweza kupasuka haraka na, ikiwezekana, teknolojia ya blockchain itaharibiwa. Usimbaji fiche wa RSA sasa unaonekana kuwa ulinzi thabiti na usioweza kuharibika ambao hulinda data na mawasiliano mengi duniani. Walakini, kompyuta yenye nguvu ya kutosha inaweza kwa urahisi crack usimbaji fiche wa RSA na msaada Algorithm ya Shora.

Jinsi ya kuizuia? Baadhi ya watetezi wa kuongeza urefu wa funguo za usimbaji fiche kwa ukubwa unaohitajika ili kushinda usimbaji fiche wa quantum. Kwa wengine, inapaswa kutumika peke yake ili kuhakikisha mawasiliano salama. Shukrani kwa usimbaji fiche wa quantum, kitendo chenyewe cha kunasa data kingeipotosha, baada ya hapo mtu anayeingilia chembe hangeweza kupata taarifa muhimu kutoka kwayo, na mpokeaji angeonywa kuhusu jaribio la kuisikiliza.

Utumizi unaowezekana wa kompyuta ya quantum pia hutajwa mara kwa mara. uchambuzi wa kiuchumi na utabiri. Shukrani kwa mifumo ya quantum, mifano changamano ya tabia ya soko inaweza kupanuliwa ili kujumuisha vigezo vingi zaidi kuliko hapo awali, na hivyo kusababisha utambuzi sahihi zaidi na ubashiri. Kwa kuchakata maelfu ya vigeu kwa wakati mmoja na kompyuta ya quantum, itawezekana pia kupunguza muda na gharama inayohitajika kwa usanidi. madawa mapya, ufumbuzi wa usafiri na vifaa, minyororo ya usambazaji, mifano ya hali ya hewana pia kwa kutatua shida zingine nyingi za ugumu mkubwa.

Sheria ya Nevena

Ulimwengu wa kompyuta za zamani ulikuwa na sheria yake ya Moore, wakati kompyuta za quantum lazima ziongozwe na kinachojulikana kama sheria. Sheria ya Nevena. Jina lake linadaiwa na mmoja wa wataalam maarufu wa quantum katika Google, Hartmut Nevena (6), ambayo inasema kwamba maendeleo katika teknolojia ya kompyuta ya quantum yanafanywa kwa sasa kasi ya kielelezo mara mbili.

Hii inamaanisha kuwa badala ya kuongeza utendaji maradufu kwa marudio mfululizo, kama ilivyokuwa kwa kompyuta za kitambo na sheria ya Moore, teknolojia ya quantum inaboresha utendaji haraka zaidi.

Wataalam wanatabiri ujio wa ukuu wa quantum, ambayo inaweza kutafsiriwa sio tu katika ubora wa kompyuta za quantum juu ya zile za kitambo, lakini pia kwa njia zingine - kama mwanzo wa enzi ya kompyuta muhimu za quantum. Hii itafungua njia ya mafanikio katika kemia, unajimu, dawa, usalama, mawasiliano, na zaidi.

Walakini, pia kuna maoni kwamba ukuu kama huo hautawahi kuwepo, angalau sio katika siku zijazo zinazoonekana. Toleo dogo la kutilia shaka ni hilo kompyuta za quantum hazitawahi kuchukua nafasi ya kompyuta za kawaida kwa sababu hazijaundwa kufanya hivyo. Huwezi kubadilisha iPhone au Kompyuta na mashine ya quantum, kama vile huwezi kubadilisha viatu vya tenisi... na carrier wa ndege za nyuklia.. Kompyuta za kawaida hukuruhusu kucheza michezo, kuangalia barua pepe, kuvinjari wavuti na kuendesha programu. Kompyuta za quantum katika hali nyingi hufanya simulations ambazo ni ngumu sana kwa mifumo ya binary inayoendesha kwenye bits za kompyuta. Kwa maneno mengine, watumiaji binafsi hawatapata faida yoyote kutoka kwa kompyuta yao ya quantum, lakini walengwa wa kweli wa uvumbuzi watakuwa, kwa mfano, NASA au Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts.

Muda utaonyesha ni njia gani inayofaa zaidi - IBM au Google. Kulingana na sheria ya Neven, tumebakiwa na miezi michache tu kuona onyesho kamili la ubora wa kiasi kutoka kwa timu moja au nyingine. Na hii sio matarajio tena "katika miaka kumi, ambayo ni, hakuna mtu anayejua ni lini."