ده سال بعد هیچ کس نمی داند چه زمانی

برای یک فرد کم‌آگاه که مجموعه‌ای کامل از نشریات در مورد رایانه‌های کوانتومی را خوانده است، ممکن است این تصور را داشته باشد که اینها ماشین‌هایی هستند که مانند رایانه‌های معمولی کار می‌کنند. هیچ چیز بدتر از این نمی تواند باشد. حتی برخی معتقدند که هنوز کامپیوترهای کوانتومی وجود ندارد. و دیگران تعجب می کنند که آنها برای چه استفاده خواهند شد، زیرا آنها برای جایگزینی سیستم های صفر و یک طراحی نشده اند.

ما اغلب می شنویم که اولین کامپیوترهای کوانتومی واقعی و با عملکرد مناسب حدود یک دهه دیگر ظاهر خواهند شد. با این حال، همانطور که Linley Gwennap، تحلیلگر ارشد در Linley Group در این مقاله اشاره کرد، "وقتی مردم می گویند که یک کامپیوتر کوانتومی در ده سال آینده ظاهر می شود، نمی دانند چه زمانی اتفاق می افتد."

با وجود این وضعیت مبهم، فضای رقابت برای به اصطلاح. تسلط کوانتومی دولت ایالات متحده در دسامبر گذشته که نگران کار کوانتومی و موفقیت چینی ها بود، قانون ابتکار ملی کوانتومی را تصویب کرد.1). این سند برای ارائه پشتیبانی فدرال برای تحقیق، توسعه، نمایش و استفاده از محاسبات کوانتومی و فناوری ها در نظر گرفته شده است. در ده سال جادویی، دولت ایالات متحده میلیاردها دلار برای ساخت زیرساخت‌های محاسباتی کوانتومی، اکوسیستم‌ها و استخدام افراد هزینه خواهد کرد. همه توسعه دهندگان اصلی کامپیوترهای کوانتومی - D-Wave، Honeywell، IBM، Intel، IonQ، Microsoft و Rigetti، و همچنین سازندگان الگوریتم های کوانتومی 1QBit و Zapata از این امر استقبال کردند. ابتکار ملی کوانتومی.

پیشگامان D-WAve

در سال 2007، D-Wave Systems یک تراشه 128 کیوبیتی را معرفی کرد.2)، نامیده میشود اولین کامپیوتر کوانتومی جهان. با این حال، هیچ اطمینانی وجود نداشت که آیا می توان آن را چنین نامید - فقط کار او نشان داده شد، بدون هیچ جزئیاتی از ساخت او. در سال 2009، D-Wave Systems یک موتور جستجوی تصویر «کوانتومی» برای گوگل توسعه داد. در می 2011، لاکهید مارتین یک کامپیوتر کوانتومی را از D-Wave Systems خریداری کرد. موج D یک برای 10 میلیون دلار، ضمن امضای قراردادی چند ساله برای بهره برداری و توسعه الگوریتم های مرتبط.

در سال 2012، این دستگاه فرآیند یافتن مولکول پروتئین مارپیچ را با کمترین انرژی نشان داد. محققان D-Wave Systems از سیستم هایی با اعداد مختلف استفاده می کنند کیوبیت ها، تعدادی محاسبات ریاضی انجام داد که برخی از آنها بسیار فراتر از توانایی های رایانه های کلاسیک بود. با این حال، در اوایل سال 2014، جان اسمولین و گراهام اسمیت مقاله ای را منتشر کردند که مدعی شد دستگاه D-Wave Systems یک ماشین نیست. اندکی پس از آن، فیزیک طبیعت نتایج آزمایش‌هایی را ارائه کرد که ثابت می‌کرد D-Wave One هنوز ...

آزمایش دیگری در ژوئن 2014 نشان داد که هیچ تفاوتی بین یک کامپیوتر کلاسیک و یک دستگاه D-Wave Systems وجود ندارد، اما شرکت پاسخ داد که این تفاوت فقط برای کارهای پیچیده‌تر از موارد حل شده در آزمایش قابل توجه است. در اوایل سال 2017، این شرکت از ماشینی پرده برداری کرد که ظاهراً متشکل از 2 هزار کیوبیتکه 2500 برابر سریعتر از سریعترین الگوریتمهای کلاسیک بود. و دوباره، دو ماه بعد، گروهی از دانشمندان ثابت کردند که این مقایسه دقیق نیست. برای بسیاری از شکاکان، سیستم های D-Wave هنوز کامپیوترهای کوانتومی نیستند، بلکه آنها هستند شبیه سازی ها با استفاده از روش های کلاسیک

نسل چهارم سیستم D-Wave استفاده می کند بازپخت کوانتومیو حالات کیوبیت توسط مدارهای کوانتومی ابررسانا (بر اساس به اصطلاح اتصالات جوزفسون) تحقق می یابد. آنها در محیطی نزدیک به صفر مطلق کار می کنند و دارای سیستمی با 2048 کیوبیت هستند. در پایان سال 2018، D-Wave به بازار معرفی شد شروع کنید، یعنی شما محیط برنامه کوانتومی بلادرنگ (KAE). راه حل ابری دسترسی بلادرنگ به محاسبات کوانتومی را برای مشتریان خارجی فراهم می کند.

در فوریه 2019، D-Wave نسل بعدی را معرفی کرد  پگاسوس. اعلام شد که "گسترده ترین سیستم کوانتومی تجاری جهان" با پانزده اتصال در هر کیوبیت به جای شش، با بیش از 5 کیوبیت و روشن کردن کاهش نویز در سطح ناشناخته قبلی. این دستگاه باید در اواسط سال آینده به فروش برسد.

کیوبیت ها یا برهم نهی ها به علاوه درهم تنیدگی

پردازنده‌های کامپیوتری استاندارد به بسته‌ها یا قطعات اطلاعاتی تکیه می‌کنند که هر کدام یک پاسخ بله یا خیر را نشان می‌دهند. پردازنده های کوانتومی متفاوت هستند. آنها در دنیای صفر و یک کار نمی کنند. استخوان آرنج، کوچکترین و غیر قابل تقسیم اطلاعات کوانتومی سیستم دو بعدی توصیف شده است فضای هیلبرت. بنابراین، آن را با ضربان کلاسیک در آن متفاوت است هر برهم نهی دو حالت کوانتومی مدل فیزیکی یک کیوبیت اغلب به عنوان مثالی از یک ذره با اسپین ½، مانند یک الکترون، یا قطبش یک فوتون منفرد ارائه می شود.

برای مهار قدرت کیوبیت ها، باید آنها را از طریق فرآیندی به نام متصل کنید سردرگمی. با هر کیوبیت اضافه شده، قدرت پردازش پردازنده دو برابر می شود خودت، از آنجایی که تعداد درهم تنیدگی ها با درهم تنیدگی یک کیوبیت جدید با تمام حالت های موجود در پردازنده همراه است (3). اما ایجاد و ترکیب کیوبیت ها و سپس گفتن به آنها برای انجام محاسبات پیچیده کار آسانی نیست. آنها می مانند بسیار حساس به تأثیرات خارجیکه می تواند منجر به اشتباهات محاسباتی شود و در بدترین حالت منجر به فروپاشی کیوبیت های درهم تنیده شود. عدم انسجامکه نفرین واقعی سیستم های کوانتومی است. با اضافه شدن کیوبیت های اضافی، اثرات نامطلوب نیروهای خارجی افزایش می یابد. یکی از راه های مقابله با این مشکل، فعال کردن موارد اضافی است کیوبیت ها "کنترل"که تنها عملکرد آن بررسی و تصحیح خروجی است.

3. نمایش نمادین سیستم 50 کیوبیتی IBM

با این حال، این بدان معناست که رایانه‌های کوانتومی قوی‌تری مورد نیاز خواهند بود که برای حل مسائل پیچیده، مانند تعیین نحوه تا شدن مولکول‌های پروتئین یا شبیه‌سازی فرآیندهای فیزیکی درون اتم‌ها مفید هستند. کیوبیت های زیادی. تام واتسون از دانشگاه دلفت هلند اخیرا به بی بی سی نیوز گفت:

-

به طور خلاصه، اگر قرار است رایانه‌های کوانتومی شروع به کار کنند، باید راهی آسان برای تولید پردازنده‌های کیوبیتی بزرگ و پایدار داشته باشید.

از آنجایی که کیوبیت ها ناپایدار هستند، ایجاد یک سیستم با بسیاری از آنها بسیار دشوار است. بنابراین اگر در نهایت کیوبیت ها به عنوان مفهومی برای محاسبات کوانتومی شکست بخورند، دانشمندان یک جایگزین دارند: دروازه های کوانتومی کیوبیت.

تیمی از دانشگاه پردو مطالعه‌ای را در npj Quantum Information منتشر کردند که جزئیات ایجاد آن‌ها را توضیح می‌داد. دانشمندان معتقدند که ستایشبرخلاف کیوبیت ها می توانند در بیش از دو حالت مانند 0، 1 و 2 وجود داشته باشند و به ازای هر حالت اضافه شده، قدرت محاسباتی یک qudit افزایش می یابد. به عبارت دیگر، شما باید همان مقدار اطلاعات را رمزگذاری و پردازش کنید. شکوه کمتر از کیوبیت ها

برای ایجاد دروازه‌های کوانتومی حاوی qudits، تیم Purdue چهار qudit را در دو فوتون درهم تنیده از نظر فرکانس و زمان رمزگذاری کرد. این تیم فوتون‌ها را به این دلیل انتخاب کردند که آنها به راحتی بر محیط تأثیر نمی‌گذارند و استفاده از حوزه‌های متعدد اجازه درهم‌تنیدگی بیشتر با فوتون‌های کمتر را می‌دهد. گیت تمام شده دارای قدرت پردازشی 20 کیوبیت بود، اگرچه تنها به چهار کودیت نیاز داشت، با پایداری بیشتر به دلیل استفاده از فوتون ها، که آن را به یک سیستم امیدوارکننده برای کامپیوترهای کوانتومی آینده تبدیل می کند.

تله سیلیکونی یا یونی

اگرچه همه با این نظر موافق نیستند، اما به نظر می رسد استفاده از سیلیکون برای ایجاد رایانه های کوانتومی مزایای زیادی دارد، زیرا فناوری سیلیکون به خوبی جا افتاده است و صنعت بزرگی در حال حاضر با آن مرتبط است. سیلیکون در پردازنده‌های کوانتومی گوگل و آی‌بی‌ام استفاده می‌شود، اگرچه در دمای بسیار پایین در آنها خنک می‌شود. این ماده ایده آل برای سیستم های کوانتومی نیست، اما دانشمندان روی آن کار می کنند.

بر اساس انتشار اخیر در نیچر، تیمی از محققان از انرژی مایکروویو برای تراز کردن دو ذره الکترونی معلق در سیلیکون استفاده کردند و سپس از آنها برای انجام یک سری محاسبات آزمایشی استفاده کردند. این گروه، که به ویژه شامل دانشمندان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون بود، کیوبیت‌های تک الکترونی را در یک ساختار سیلیکونی، که اسپین آن توسط انرژی تشعشعات مایکروویو تعیین می‌شد، «معلق» کردند. در یک برهم نهی، یک الکترون به طور همزمان حول دو محور مختلف می چرخید. سپس این دو کیوبیت برای انجام محاسبات آزمایشی ترکیب و برنامه ریزی شدند، پس از آن محققان داده های تولید شده توسط سیستم را با داده های دریافتی از یک کامپیوتر استاندارد که محاسبات آزمایشی مشابه را انجام می داد، مقایسه کردند. پس از تصحیح داده ها، یک قابل برنامه ریزی پردازنده سیلیکونی کوانتومی دو بیتی.

اگرچه درصد خطاها هنوز بسیار بیشتر از به اصطلاح تله های یونی (دستگاه هایی که ذرات باردار مانند یون ها، الکترون ها، پروتون ها برای مدتی ذخیره می شوند) یا رایانه ها است.  این دستاورد بر اساس ابررساناهایی مانند D-Wave قابل توجه است زیرا جداسازی کیوبیت ها از نویز خارجی بسیار دشوار است. متخصصان فرصت هایی را برای مقیاس بندی و بهبود سیستم می بینند. و استفاده از سیلیکون، از نقطه نظر فنی و اقتصادی، در اینجا اهمیت کلیدی دارد.

با این حال، برای بسیاری از محققان، سیلیکون آینده کامپیوترهای کوانتومی نیست. در دسامبر سال گذشته، اطلاعاتی ظاهر شد مبنی بر اینکه مهندسان شرکت آمریکایی IonQ از ایتربیوم برای ساختن پربازده ترین کامپیوتر کوانتومی جهان استفاده کرده اند و از سیستم های D-Wave و IBM پیشی گرفته اند.

نتیجه ماشینی بود که حاوی یک اتم در یک تله یونی بود (4) از یک کیوبیت داده برای رمزگذاری استفاده می کند و کیوبیت ها با استفاده از پالس های لیزری ویژه کنترل و اندازه گیری می شوند. این رایانه دارای حافظه ای است که می تواند 160 کیوبیت داده را ذخیره کند. همچنین می تواند محاسبات را به طور همزمان روی 79 کیوبیت انجام دهد.

4. طرح تله یون IonQ

دانشمندان از IonQ یک آزمایش استاندارد از به اصطلاح انجام دادند الگوریتم برنشتاین وزیرانی. وظیفه ماشین حدس زدن عددی بین 0 تا 1023 بود. کامپیوترهای کلاسیک یازده حدس برای یک عدد 10 بیتی می‌گیرند. کامپیوترهای کوانتومی از دو روش برای حدس زدن نتیجه با اطمینان 100% استفاده می کنند. در اولین تلاش، کامپیوتر کوانتومی IonQ به طور متوسط ​​73 درصد از اعداد داده شده را حدس زد. هنگامی که الگوریتم برای هر عددی بین 1 تا 1023 اجرا می شود، میزان موفقیت برای یک کامپیوتر معمولی 0,2٪ است، در حالی که برای IonQ 79٪ است.

کارشناسان IonQ معتقدند که سیستم های مبتنی بر تله یونی نسبت به کامپیوترهای کوانتومی سیلیکونی که گوگل و سایر شرکت ها در حال ساخت هستند، برتری دارند. ماتریس 79 کیوبیتی آنها 7 کیوبیت از پردازنده کوانتومی Bristlecone گوگل بهتر است. نتیجه IonQ وقتی صحبت از آپتایم سیستم به میان می آید نیز هیجان انگیز است. به گفته سازندگان این دستگاه، برای یک کیوبیت، 99,97 درصد باقی می ماند که به معنای ضریب خطای 0,03 درصد است، در حالی که بهترین نتایج رقابت حدود 0,5 درصد است. نرخ خطای 99,3 بیتی برای دستگاه IonQ باید 95٪ باشد، در حالی که بیشتر رقابت ها از XNUMX٪ تجاوز نمی کند.

شایان ذکر است که به گفته محققان گوگل برتری کوانتومی – نقطه ای که در آن یک کامپیوتر کوانتومی از تمام ماشین های موجود بهتر عمل می کند – در حال حاضر می توان با یک کامپیوتر کوانتومی با 49 کیوبیت به آن دست یافت، مشروط بر اینکه میزان خطا در گیت های دو کیوبیتی زیر 0,5٪ باشد. با این حال، روش تله یونی در محاسبات کوانتومی هنوز با موانع بزرگی مواجه است: زمان اجرای آهسته و اندازه بزرگ، و همچنین دقت و مقیاس پذیری فناوری.

سنگر رمزها در خرابه ها و پیامدهای دیگر

در ژانویه 2019 در نمایشگاه CES 2019، جینی رومتی، مدیرعامل IBM اعلام کرد که IBM قبلاً یک سیستم محاسبات کوانتومی یکپارچه را برای استفاده تجاری ارائه می دهد. کامپیوترهای کوانتومی آی بی ام5) از نظر فیزیکی در نیویورک به عنوان بخشی از سیستم قرار دارند IBM Q System One. با استفاده از شبکه Q و مرکز محاسباتی کوانتومی Q، توسعه دهندگان می توانند به راحتی از نرم افزار Qiskit برای کامپایل الگوریتم های کوانتومی استفاده کنند. بنابراین، قدرت محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی IBM در دسترس است خدمات رایانش ابری، به صورت معقولانه قیمت گذاری شده.

D-Wave نیز مدتی است که چنین خدماتی را ارائه می دهد و دیگر بازیگران اصلی (مانند آمازون) در حال برنامه ریزی ارائه خدمات ابر کوانتومی مشابه هستند. مایکروسافت با معرفی بیشتر پیش رفت زبان برنامه نویسی Q# (مثل تلفظ می شود) که می تواند با ویژوال استودیو کار کند و روی لپ تاپ اجرا شود. برنامه نویسان ابزاری برای شبیه سازی الگوریتم های کوانتومی و ایجاد پل نرم افزاری بین محاسبات کلاسیک و کوانتومی دارند.

با این حال، سؤال این است که رایانه ها و قدرت محاسباتی آنها واقعاً برای چه چیزی می توانند مفید باشند؟ در مطالعه‌ای که اکتبر گذشته در مجله Science منتشر شد، دانشمندان IBM، دانشگاه واترلو و دانشگاه فنی مونیخ تلاش کردند تا انواع مشکلاتی را که رایانه‌های کوانتومی برای حل آنها مناسب‌تر به نظر می‌رسند، تقریب بزنند.

بر اساس این مطالعه، چنین دستگاه هایی قادر به حل پیچیده خواهند بود جبر خطی و مسائل بهینه سازی. مبهم به نظر می‌رسد، اما ممکن است فرصت‌هایی برای راه‌حل‌های ساده‌تر و ارزان‌تر برای مسائلی وجود داشته باشد که در حال حاضر به تلاش، منابع و زمان زیادی نیاز دارند و گاهی اوقات فراتر از دسترس ما هستند.

5. کامپیوتر کوانتومی آی بی ام

محاسبات کوانتومی مفید زمینه رمزنگاری را کاملاً تغییر دهید. به لطف آنها، کدهای رمزگذاری می توانند به سرعت شکسته شوند و احتمالاً، فناوری بلاک چین نابود خواهد شد. رمزگذاری RSA در حال حاضر به نظر می رسد یک دفاع قوی و تخریب ناپذیر است که از بیشتر داده ها و ارتباطات در جهان محافظت می کند. با این حال، یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی قدرتمند می تواند به راحتی کرک رمزگذاری RSA با کمک الگوریتم شورا.

چگونه از آن جلوگیری کنیم؟ برخی از افزایش طول کلیدهای رمزگذاری عمومی به اندازه مورد نیاز برای غلبه بر رمزگشایی کوانتومی حمایت می کنند. برای دیگران، باید به تنهایی برای اطمینان از ارتباطات امن استفاده شود. به لطف رمزنگاری کوانتومی، عمل رهگیری داده ها باعث خراب شدن آنها می شود و پس از آن، فردی که با ذره تداخل می کند نمی تواند اطلاعات مفیدی از آن به دست آورد و به گیرنده در مورد تلاش برای استراق سمع هشدار داده می شود.

کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی نیز اغلب ذکر شده است. تحلیل و پیش بینی اقتصادی. به لطف سیستم‌های کوانتومی، مدل‌های پیچیده رفتار بازار را می‌توان به گونه‌ای گسترش داد که متغیرهای بسیار بیشتری را نسبت به قبل شامل شود که منجر به تشخیص‌ها و پیش‌بینی‌های دقیق‌تر می‌شود. با پردازش همزمان هزاران متغیر توسط یک کامپیوتر کوانتومی، می توان زمان و هزینه مورد نیاز برای توسعه را نیز کاهش داد. داروهای جدید، راه حل های حمل و نقل و تدارکات، زنجیره تامین، مدل های آب و هواییو همچنین برای حل بسیاری از مشکلات دیگر با پیچیدگی عظیم.

قانون نونا

دنیای کامپیوترهای قدیمی قانون مور مخصوص به خود را داشت، در حالی که کامپیوترهای کوانتومی باید توسط به اصطلاح هدایت شوند. قانون نونا. او نام خود را مدیون یکی از برجسته ترین متخصصان کوانتومی در گوگل است. هارتموت نونا (6) که بیان می کند که پیشرفت در فناوری محاسبات کوانتومی در حال حاضر در حال انجام است سرعت نمایی دو برابر.

این بدان معنی است که به جای دو برابر کردن عملکرد با تکرارهای متوالی، همانطور که در مورد کامپیوترهای کلاسیک و قانون مور اتفاق افتاد، فناوری کوانتومی عملکرد را بسیار سریعتر بهبود می بخشد.

کارشناسان ظهور برتری کوانتومی را پیش‌بینی می‌کنند که می‌تواند نه تنها به برتری رایانه‌های کوانتومی بر هر نوع کلاسیک، بلکه به روش‌های دیگر - به عنوان آغاز عصر رایانه‌های کوانتومی مفید ترجمه شود. این راه را برای پیشرفت در شیمی، اخترفیزیک، پزشکی، امنیت، ارتباطات و غیره هموار می کند.

با این حال، این عقیده نیز وجود دارد که چنین برتری هرگز وجود نخواهد داشت، حداقل در آینده قابل پیش بینی. یک نسخه خفیف تر از شک این است کامپیوترهای کوانتومی هرگز جایگزین کامپیوترهای کلاسیک نخواهند شد زیرا برای این کار طراحی نشده اند. شما نمی توانید آیفون یا رایانه شخصی را با ماشین کوانتومی جایگزین کنید، همانطور که نمی توانید کفش های تنیس را با یک ناو هواپیمابر هسته ای جایگزین کنید.. رایانه های کلاسیک به شما امکان می دهند بازی کنید، ایمیل چک کنید، وب گردی کنید و برنامه ها را اجرا کنید. کامپیوترهای کوانتومی در اکثر موارد شبیه سازی هایی را انجام می دهند که برای سیستم های باینری که روی بیت های کامپیوتری اجرا می شوند بسیار پیچیده هستند. به عبارت دیگر، مصرف کنندگان منفرد تقریباً هیچ منفعتی از رایانه کوانتومی خود نخواهند برد، اما ذینفعان واقعی اختراع، برای مثال، ناسا یا مؤسسه فناوری ماساچوست خواهند بود.

زمان نشان خواهد داد که کدام رویکرد مناسب تر است - IBM یا Google. طبق قانون Neven، ما فقط چند ماه با نمایش کامل برتری کوانتومی توسط یک تیم یا تیم دیگر فاصله داریم. و این دیگر یک دورنما نیست "در ده سال، یعنی هیچ کس نمی داند چه زمانی."