Арван жилийн дараа хэзээ болохыг хэн ч мэдэхгүй

Квантын компьютерийн талаар олон нийтлэл уншсан мэдээлэл муутай хүнд эдгээр нь энгийн компьютертэй адилхан ажилладаг "бэлэн" машинууд юм шиг сэтгэгдэл төрүүлж магадгүй юм. Үүнээс илүү буруу зүйл байж болохгүй. Зарим нь бүр квант компьютер байхгүй гэж үздэг. Бусад хүмүүс тэг нэг системийг орлуулахаар төлөвлөөгүй тул тэдгээрийг юунд ашиглахыг гайхдаг.

Анхны бодит бөгөөд зөв ажилладаг квант компьютерууд арав орчим жилийн дараа гарч ирнэ гэж бид олонтаа сонсдог. Гэсэн хэдий ч Линлэй группын ахлах шинжээч Линлэй Гвеннап уг нийтлэлд тэмдэглэснээр, "хүмүүс арван жилийн дараа квант компьютер гарч ирнэ гэж хэлэхэд тэд хэзээ болохыг мэдэхгүй байна."

Хэдийгээр энэ тодорхойгүй нөхцөл байдал, өрсөлдөөний уур амьсгал гэж нэрлэгддэг. квант давамгайлал. Квантын ажил болон хятадуудын амжилтад санаа зовсон АНУ-ын засаг захиргаа өнгөрсөн арванхоёрдугаар сард Үндэсний квантын санаачлагын тухай хуулийг баталсан (1). Энэхүү баримт бичиг нь квант тооцоолол, технологийг судлах, хөгжүүлэх, үзүүлэх, ашиглахад холбооны дэмжлэг үзүүлэх зорилготой юм. Ид шидийн арван жилийн дараа АНУ-ын засгийн газар квантын тооцооллын дэд бүтэц, экосистемийг бий болгож, хүмүүсийг элсүүлэхэд олон тэрбумыг зарцуулах болно. Квантын компьютерын бүх томоохон хөгжүүлэгчид болох D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft, Rigetti, мөн квант алгоритмыг бүтээгчид 1QBit, Zapata нар үүнийг сайшаав. Үндэсний квант санаачилга.

D-WAve анхдагчид

2007 онд D-Wave Systems 128-qubit чип (2), гэж нэрлэдэг дэлхийн анхны квант компьютер. Гэсэн хэдий ч үүнийг ингэж нэрлэж болох эсэх нь тодорхойгүй байсан - зөвхөн түүний бүтээлийг харуулсан бөгөөд түүний барилгын талаар ямар ч нарийн ширийн зүйл байхгүй. 2009 онд D-Wave Systems Google-д зориулж "квант" зургийн хайлтын системийг бүтээжээ. 2011 оны XNUMX-р сард Lockheed Martin D-Wave Systems компаниас квант компьютер худалдаж авсан. D долгион нэг 10 сая доллараар үйл ажиллагаа явуулах, холбогдох алгоритмуудыг боловсруулах олон жилийн гэрээнд гарын үсэг зурсан.

2012 онд энэ машин нь хамгийн бага энергитэй мушгиа хэлбэрийн уургийн молекулыг олох үйл явцыг харуулсан. D-Wave Systems-ийн судлаачид өөр өөр тоо бүхий системийг ашигладаг кубит, математикийн хэд хэдэн тооцоолол хийсэн бөгөөд зарим нь сонгодог компьютерийн чадавхиас хол давсан байв. Гэсэн хэдий ч 2014 оны эхээр Жон Смолин, Грэм Смит нар D-Wave Systems машин нь машин биш байсан гэсэн өгүүлэл нийтэлжээ. Үүний дараахан Physics of Nature нь D-Wave One хэвээр байгааг нотолсон туршилтуудын үр дүнг танилцуулав ...

2014 оны 2017-р сард хийсэн өөр нэг туршилт нь сонгодог компьютер болон D-Wave Systems машинуудын хооронд ямар ч ялгаагүй байсан ч тус компани энэ ялгаа нь зөвхөн тестээр шийдэгдсэнээс илүү төвөгтэй ажлуудад л мэдэгдэхүйц гэж хариулсан. XNUMX оны эхээр тус компаниас бүрдсэн машиныг танилцуулав 2 мянган кубитЭнэ нь хамгийн хурдан сонгодог алгоритмуудаас 2500 дахин хурдан байсан. Хоёр сарын дараа дахин хэсэг эрдэмтэд энэ харьцуулалт үнэн зөв биш болохыг нотолсон. Олон эргэлзээтэй хүмүүсийн хувьд D-Wave систем нь квант компьютер биш, харин тэднийх хэвээр байна симуляци сонгодог аргыг ашиглан.

Дөрөв дэх үеийн D-Wave системийг ашигладаг квант анивалтба кубитийн төлөвүүд нь хэт дамжуулагч квант хэлхээгээр (Жозефсон уулзвар гэж нэрлэгддэг) хэрэгждэг. Тэд үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо орчинд ажилладаг бөгөөд 2048 кубитийн системээр сайрхдаг. 2018 оны сүүлээр D-Wave зах зээлд нэвтэрсэн BOUNCE, өөрөөр хэлбэл таны бодит цагийн квант хэрэглээний орчин (KAE). Клоуд шийдэл нь гадны үйлчлүүлэгчдэд квант тооцоололд бодит цагийн нэвтрэх боломжийг олгодог.

2019 оны XNUMX-р сард D-Wave дараагийн үеийг зарлав  Пегасус. Энэ нь нэг кубитт зургаа биш арван таван холболттой "дэлхийн хамгийн өргөн хүрээтэй арилжааны квант систем" гэж зарласан. 5 кубитээс дээш мөн дуу чимээг бууруулахыг урьд өмнө нь мэдэгдээгүй түвшинд асаана. Төхөөрөмж ирэх оны дундуур худалдаанд гарах ёстой.

Кубит, эсвэл суперпозиция нэмэх орооцолдох

Стандарт компьютерийн процессорууд нь пакетууд эсвэл мэдээллийн хэсгүүдэд тулгуурладаг бөгөөд тус бүр нь тийм эсвэл үгүй ​​гэсэн ганц хариултыг илэрхийлдэг. Квант процессорууд өөр өөр байдаг. Тэд тэг нэг ертөнцөд ажилладаггүй. тохойн яс, квант мэдээллийн хамгийн жижиг бөгөөд хуваагдашгүй нэгж нь тайлбарласан хоёр хэмжээст систем юм Хилбертийн орон зай. Тиймээс энэ нь байж чаддагаараа сонгодог цохилтоос ялгаатай аливаа суперпозиция хоёр квант төлөв. Кубитийн физик загварыг ихэвчлэн электрон гэх мэт ½ спинтэй бөөмс, эсвэл нэг фотоны туйлшралын жишээ болгон өгдөг.

Кубитуудын хүчийг ашиглахын тулд тэдгээрийг процессоор дамжуулан холбох ёстой төөрөгдөл. Нэмэлт кубит бүрээр процессорын боловсруулах хүчин чадал хоёр дахин нэмэгддэг та өөрөө, учир нь орооцолдлын тоо нь процессор дээр аль хэдийн бэлэн байгаа бүх төлөвтэй шинэ кубит орооцолдох дагалддаг (3). Гэхдээ кубит үүсгэж, нэгтгэж, дараа нь нарийн төвөгтэй тооцоолол хийхийг тэдэнд хэлэх нь тийм ч амар ажил биш юм. Тэд үлдэнэ гадны нөлөөнд маш мэдрэмтгийЭнэ нь тооцооллын алдаа, хамгийн муу тохиолдолд орооцолдсон кубитуудын задралд хүргэж болзошгүй, i.e. уялдаа холбоогүй байдалЭнэ нь квант системийн жинхэнэ хараал юм. Нэмэлт кубит нэмэгдэх тусам гадны хүчний сөрөг нөлөө нэмэгддэг. Энэ асуудлыг шийдэх нэг арга бол нэмэлтийг идэвхжүүлэх явдал юм кубит "ХЯНАЛТ"түүний цорын ганц үүрэг нь гаралтыг шалгах, засах явдал юм.

3. 50 кубит IBM системийн бэлгэдлийн дүрслэл

Гэсэн хэдий ч энэ нь уургийн молекулууд хэрхэн нугалж байгааг тодорхойлох, атомын доторх физик процессыг дуурайлган дуурайлган хийх гэх мэт нарийн төвөгтэй асуудлыг шийдвэрлэхэд илүү хүчирхэг квант компьютер хэрэгтэй болно гэсэн үг юм. олон кубит. Нидерландын Делфтийн их сургуулийн Том Ватсон саяхан BBC News-т хэлэхдээ:

-

Товчхондоо, хэрэв квант компьютерууд гарах гэж байгаа бол та том, тогтвортой qubit процессор үйлдвэрлэх хялбар аргыг олох хэрэгтэй.

Кубитууд тогтворгүй байдаг тул тэдгээрийн олонхтой систем үүсгэх нь туйлын хэцүү байдаг. Хэрэв эцэст нь квант тооцооллын концепц болох кубитууд бүтэлгүйтвэл эрдэмтэд өөр хувилбартай болно: qubit quantum gates.

Пурдюгийн их сургуулийн баг npj Quantum Information сэтгүүлд тэдний бүтээлийг нарийвчлан харуулсан судалгаа нийтэлжээ. Эрдэмтэд үүнд итгэдэг kuditsКубитээс ялгаатай нь тэдгээр нь 0, 1, 2 гэх мэт хоёроос дээш төлөвт байж болох ба нэмсэн төлөв бүрийн хувьд нэг квдитын тооцоолох хүчин чадал нэмэгддэг. Өөрөөр хэлбэл, ижил хэмжээний мэдээллийг кодлож, боловсруулах хэрэгтэй. бага алдар кубитээс илүү.

Кудит агуулсан квант хаалга үүсгэхийн тулд Пурдюгийн баг дөрвөн квдитийг давтамж, цаг хугацааны хувьд орооцолдсон хоёр фотонд кодлосон. Баг нь фотонуудыг сонгосон учир нь тэдгээр нь байгаль орчинд тийм ч амархан нөлөөлдөггүй бөгөөд олон домэйн ашиглах нь цөөн фотонуудтай илүү орооцолдох боломжийг олгосон юм. Дууссан хаалга нь 20 кубит боловсруулах хүчин чадалтай байсан ч зөвхөн дөрвөн qudit шаардлагатай байсан ч фотонуудын ачаар тогтвортой байдал нэмэгдсэн нь ирээдүйн квант компьютеруудад ирээдүйтэй систем болсон юм.

Цахиур эсвэл ионы хавх

Хэдийгээр хүн бүр ийм үзэл бодолтой байдаггүй ч цахиурын технологи сайн хөгжсөн, үүнтэй холбоотой томоохон үйлдвэрүүд аль хэдийн бий болсон тул квант компьютер бүтээхэд цахиур ашиглах нь асар их ашиг тустай юм шиг санагддаг. Цахиурыг Google болон IBM-ийн квант процессоруудад ашигладаг боловч тэдгээрт маш бага температурт хөргөдөг. Энэ нь квант системд тохиромжтой материал биш ч эрдэмтэд үүн дээр ажиллаж байна.

Саяхан Nature сэтгүүлд нийтлэгдсэнээр судлаачдын баг богино долгионы энергийг ашиглан цахиурт дүүжлэгдсэн хоёр электрон бөөмсийг хооронд нь холбож, дараа нь тэдгээрийг хэд хэдэн туршилтын тооцоололд ашигласан байна. Ялангуяа Висконсин-Мэдисоны их сургуулийн эрдэмтдийг багтаасан тус бүлэг нь богино долгионы цацрагийн эрч хүчээр тодорхойлогддог цахиурын бүтцэд нэг электрон кубитийг "түдгэлзүүлсэн". Суперпозицияд электрон хоёр өөр тэнхлэгийн эргэн тойронд нэгэн зэрэг эргэлддэг. Дараа нь хоёр кубитийг нэгтгэж, туршилтын тооцоолол хийх программчлагдсан бөгөөд дараа нь судлаачид системээс үүсгэсэн өгөгдлийг ижил туршилтын тооцоолол хийж буй стандарт компьютерээс хүлээн авсан өгөгдөлтэй харьцуулсан. Өгөгдлийг зассаны дараа програмчлах боломжтой хоёр битийн квант цахиурын процессор.

Хэдийгээр алдааны хувь нь ионы урхи гэж нэрлэгддэг төхөөрөмж (ион, электрон, протон гэх мэт цэнэглэгдсэн хэсгүүд хэсэг хугацаанд хадгалагддаг төхөөрөмж) эсвэл компьютерээс хамаагүй өндөр хэвээр байна.  D-Wave гэх мэт хэт дамжуулагч дээр суурилж, гаднах чимээ шуугианаас кубитуудыг тусгаарлах нь маш хэцүү тул ололт нь гайхалтай хэвээр байна. Мэргэжилтнүүд системийг өргөжүүлэх, сайжруулах боломжуудыг харж байна. Технологи, эдийн засгийн үүднээс цахиурыг ашиглах нь энд чухал ач холбогдолтой юм.

Гэсэн хэдий ч олон судлаачдын хувьд цахиур нь квант компьютерын ирээдүй биш юм. Өнгөрсөн оны арванхоёрдугаар сард Америкийн IonQ компанийн инженерүүд итербиумыг ашиглан дэлхийн хамгийн бүтээмжтэй квант компьютерийг бүтээж, D-Wave болон IBM системүүдийг гүйцэтгэсэн гэсэн мэдээлэл гарч байсан.

Үр дүн нь ионы хавханд ганц атом агуулсан машин (4) нь кодлохдоо нэг өгөгдлийн кубит ашигладаг бөгөөд тусгай лазер импульс ашиглан кубитуудыг хянаж, хэмждэг. Компьютер нь 160 кубит өгөгдөл хадгалах санах ойтой. Мөн 79 кубит дээр нэгэн зэрэг тооцоолол хийх боломжтой.

4. IonQ ионы урхины схем

IonQ-ийн эрдэмтэд гэж нэрлэгддэг стандарт туршилтыг явуулсан Бернштейн-Вазираниего алгоритм. Машины даалгавар нь 0-ээс 1023 хүртэлх тоог таах явдал байв. Сонгодог компьютерууд 10 битийн тоог арван нэгэн таамагладаг. Квантын компьютерууд үр дүнг 100% итгэлтэйгээр таамаглах хоёр аргыг ашигладаг. Эхний оролдлогоор IonQ квант компьютер өгөгдсөн тоонуудын дунджаар 73%-ийг таасан. Алгоритмыг 1-ээс 1023 хүртэлх тоон дээр ажиллуулахад энгийн компьютерийн амжилт 0,2% байхад IonQ-ийн хувьд 79% байна.

IonQ-ийн мэргэжилтнүүд ионы урхинд суурилсан системүүд нь Google болон бусад компаниудын барьж буй цахиурын квант компьютерээс давуу гэж үздэг. Тэдний 79-кубит матриц нь Google-ийн Bristlecone квант процессороос 7 кубитээр илүү юм. IonQ-ийн үр дүн нь системийн ажиллах цагийн тухайд бас гайхалтай юм. Машиныг бүтээгчдийн үзэж байгаагаар нэг квбитийн хувьд энэ нь 99,97% хэвээр байгаа бөгөөд энэ нь алдааны түвшин 0,03% гэсэн үг бөгөөд өрсөлдөөний хамгийн сайн үр дүн дунджаар 0,5% байна. IonQ төхөөрөмжийн 99,3 битийн алдааны түвшин 95% байх ёстой бол ихэнх өрсөлдөгчид XNUMX% -иас хэтрэхгүй байна.

Google-ийн судлаачдын үзэж байгаагаар үүнийг нэмэх нь зүйтэй юм квантын давамгайлал – квантын компьютер бусад бүх машинуудаас давж гарах цэг – хоёр квбитийн хаалган дээрх алдааны түвшин 49%-иас бага байвал 0,5 кубит бүхий квант компьютерт аль хэдийн хүрч болно. Гэсэн хэдий ч квант тооцоолол дахь ионы урхины арга нь гүйцэтгэхэд удаан хугацаа, асар том хэмжээ, технологийн нарийвчлал, өргөтгөх боломжтой зэрэг томоохон саад бэрхшээлүүдтэй тулгарсаар байна.

Шифрүүдийн бат бэх балгас болон бусад үр дагавар

2019 оны 2019-р сард CES XNUMX үзэсгэлэн дээр IBM-ийн гүйцэтгэх захирал Жинни Рометти IBM нь арилжааны зорилгоор нэгдсэн квант тооцооллын системийг аль хэдийн санал болгож байгааг зарлав. IBM квант компьютерууд5) нь системийн нэг хэсэг болгон Нью Йорк хотод физик байдлаар байрладаг IBM Q Системийн нэг. Q Network болон Q Quantum Computational Center-ийг ашигласнаар хөгжүүлэгчид Qiskit программ хангамжийг ашиглан квант алгоритмыг эмхэтгэх боломжтой. Тиймээс IBM квант компьютеруудын тооцоолох хүчин чадал нь боломжтой юм үүлэн тооцоолох үйлчилгээ, боломжийн үнэтэй.

D-Wave мөн ийм үйлчилгээ үзүүлсээр багагүй хугацаа өнгөрч байгаа бөгөөд бусад томоохон тоглогчид (Амазон гэх мэт) ижил төстэй квант үүлэн санал болгохоор төлөвлөж байна. Майкрософт танилцуулгатай хамт цааш явав Q# програмчлалын хэл Visual Studio-той ажиллах боломжтой бөгөөд зөөврийн компьютер дээр ажиллах боломжтой. Программистууд квант алгоритмыг дуурайж, сонгодог болон квант тооцооллын хооронд програм хангамжийн гүүрийг бий болгох хэрэгсэлтэй байдаг.

Гэсэн хэдий ч асуулт бол компьютер болон тэдгээрийн тооцоолох хүчин чадал нь үнэндээ юунд хэрэгтэй вэ? Өнгөрсөн XNUMX-р сард Science сэтгүүлд нийтлэгдсэн судалгаанд IBM, Ватерлоогийн их сургууль, Мюнхений Техникийн их сургуулийн эрдэмтэд квант компьютер шийдвэрлэхэд хамгийн тохиромжтой мэт санагдах асуудлын төрлийг ойролцоогоор гаргахыг оролдсон.

Судалгааны дагуу ийм төхөөрөмж нь нарийн төвөгтэй асуудлыг шийдвэрлэх боломжтой болно шугаман алгебр ба оновчлолын бодлого. Энэ нь бүрхэг сонсогдож байгаа ч одоогийн байдлаар асар их хүчин чармайлт, нөөц, цаг хугацаа шаарддаг, заримдаа бидний хүрч чадахгүй байгаа асуудлуудыг илүү хялбар, хямдаар шийдэх боломжууд байж болох юм.

5. IBM квант компьютер

Ашигтай квант тооцоолол криптографийн талбарыг эрс өөрчлөх. Тэдний ачаар шифрлэлтийн кодыг хурдан эвдэж, магадгүй блокчейн технологи устгагдана. RSA шифрлэлт нь одоо дэлхий дээрх ихэнх өгөгдөл, харилцаа холбоог хамгаалдаг хүчирхэг, эвдэшгүй хамгаалалт болж байх шиг байна. Гэсэн хэдий ч, хангалттай хүчирхэг квант компьютер амархан RSA шифрлэлтийг эвдэх тусламжтайгаар Шорагийн алгоритм.

Үүнээс хэрхэн сэргийлэх вэ? Зарим нь олон нийтийн шифрлэлтийн түлхүүрүүдийн уртыг квант шифрлэлтийг даван туулахад шаардагдах хэмжээгээр нэмэгдүүлэхийг дэмждэг. Бусад хүмүүсийн хувьд аюулгүй харилцаа холбоог хангахын тулд үүнийг дангаар нь ашиглах ёстой. Квантын криптографийн ачаар өгөгдлийг таслан зогсоох үйлдэл нь тэдгээрийг гэмтээж, үүний дараа бөөмсөнд саад учруулсан хүн түүнээс хэрэгтэй мэдээлэл авч чадахгүй бөгөөд хүлээн авагчид чагнах оролдлогын талаар анхааруулах болно.

Квантын тооцооллын боломжит хэрэглээг мөн байнга дурддаг. эдийн засгийн шинжилгээ, таамаглал. Квантын системийн ачаар зах зээлийн зан үйлийн цогц загварууд өмнөхөөсөө олон хувьсагчдыг багтааж өргөжүүлж, илүү үнэн зөв оношлох, таамаглахад хүргэдэг. Мянга мянган хувьсагчдыг квант компьютерээр нэгэн зэрэг боловсруулснаар боловсруулахад шаардагдах цаг хугацаа, зардлыг багасгах боломжтой болно. шинэ эм, тээвэр ложистикийн шийдэл, нийлүүлэлтийн сүлжээ, цаг уурын загвартүүнчлэн асар том төвөгтэй бусад олон асуудлыг шийдвэрлэхэд зориулагдсан.

Невенагийн хууль

Хуучин компьютерийн ертөнц өөрийн гэсэн Мурын хуультай байсан бол квант компьютерууд нь энэ хууль гэж нэрлэгддэг зүйлийг удирдан чиглүүлэх ёстой. Невенагийн хууль. Тэрээр өөрийн нэрээ Google-ийн хамгийн алдартай квант мэргэжилтнүүдийн нэгэнд өртэй. Хартмут Невена (6), квант тооцоолох технологийн дэвшил одоогоор хийгдэж байна давхар экспоненциал хурд.

Энэ нь сонгодог компьютер болон Мурын хуультай адил дараалсан давталтаар гүйцэтгэлийг хоёр дахин нэмэгдүүлэхийн оронд квант технологи нь гүйцэтгэлийг илүү хурдан сайжруулдаг гэсэн үг юм.

Мэргэжилтнүүд квантын давуу тал гарч ирэхийг таамаглаж байгаа бөгөөд үүнийг зөвхөн квантын компьютерын аль ч сонгодог компьютерээс давуу тал гэж орчуулж болохоос гадна өөр аргаар ашигтай квант компьютерын эриний эхлэл гэж хэлж болно. Энэ нь хими, астрофизик, анагаах ухаан, аюулгүй байдал, харилцаа холбоо болон бусад салбарт нээлт хийх замыг нээх болно.

Гэсэн хэдий ч ийм давуу тал хэзээ ч байхгүй, ядаж ойрын ирээдүйд байхгүй гэсэн үзэл бодол бас байдаг. Эргэлзээний арай зөөлөн хувилбар бол тэр юм квант компьютерууд хэзээ ч сонгодог компьютерийг орлохгүй, учир нь тэдгээр нь тийм зориулагдаагүй. Теннисний гутлыг цөмийн онгоц тээгчээр сольж болохгүйтэй адил iPhone, компьютерийг квант төхөөрөмжөөр сольж болохгүй.. Сонгодог компьютерууд нь тоглоом тоглох, цахим шуудан шалгах, вэб хуудсуудаар аялах, програм ажиллуулах боломжийг олгодог. Квантын компьютерууд ихэнх тохиолдолд компьютерийн бит дээр ажилладаг хоёртын системд хэтэрхий төвөгтэй симуляци хийдэг. Өөрөөр хэлбэл, хувь хэрэглэгчид өөрсдийн квант компьютерээс бараг ямар ч ашиг хүртэхгүй, харин шинэ бүтээлийн жинхэнэ ашиг хүртэгчид нь жишээ нь НАСА эсвэл Массачусетсийн Технологийн Институт байх болно.

IBM эсвэл Google-ийн аль нь илүү тохиромжтой болохыг цаг хугацаа харуулах болно. Невений хуулийн дагуу бид аль нэг баг квантын давуу байдлыг бүрэн харуулахыг харахад хэдхэн сарын л үлдлээ. Энэ нь "арван жилийн дараа, өөрөөр хэлбэл хэзээ хэзээ болохыг хэн ч мэдэхгүй" гэсэн хэтийн төлөв байхаа больсон.