Quantum Excellence: Alt om kvante datamaskiner

Intels stand på CES Consumer Electronics Conference i Las Vegas tidligere i år var som vanlig fylt med journalister og tech-bloggere. Nye produkter fra den største produsenten av mikrochips er alltid potensielt interessante, selv om de siste årene disse oppdateringene - litt mer kjerner, litt mindre strømforbruk - tiltrekker seg mindre og mindre oppmerksomhet fra publikum. Denne gangen hadde imidlertid teknologigiganten virkelig noe å skryte av: besøkende ble vist Tangle Lake kvanteprosessor, i stand til - om enn teoretisk og bare i noen oppgaver - å gjøre det som hittil bare de beste superdatamaskinene hadde råd.

Tangle Lake, verken i størrelse eller form, skiller seg ut for mye fra vanlige Intel-produkter. Men prinsippene som han arbeider er langt fra de som tradisjonell elektronikk er bygget på. I stedet for milliarder av transistorer, har den nye brikken bare 49 elementer. Og dette er ikke halvlederstrømbrytere, men qubits ("kvantebiter"), enhetsceller som er i stand til å jobbe med kvanteinformasjon. I dette tilfellet er de små superledende antenner.

Dette er ikke det eneste alternativet for å få qubits for en kvantecomputer, men i dette tilfellet er antallet deres viktigere. 49 er ikke en plate: Selv før Tangle Lake-presentasjonen snakket IBM om å jobbe med en 50-kvbit kvantecomputer, og en gruppe ledet av Harvard-fysikeren Mikhail Lukin laget en eksperimentell datamaskin på 51 qubit. Det er lett å se at alle disse prosjektene er bygd rundt et tall på femti qubits: det er på den linjen vanligvis er satt, hvoretter vi kan forvente begynnelsen av "kvanteoverlegenhet".

Fordel med usikkerhet

Richard Feynman foreslo i 1981 å ikke bruke vanlige datamaskiner, men andre kvantesystemer som kunne spille rollen som en forenklet modell, for å beregne oppførselen til kvantesystemer. I rettferdighet er det verdt å legge til at ideen tilsynelatende var i luften: nesten et år før den ble uttrykt av den sovjetiske matematikeren Yuri Manin. Faktisk ligger vanskelighetsgraden som vanlige datamaskiner møter ved modellering av slike systemer i deres helt kvante natur, i den fatale usikkerheten til parametrene til samvirkende partikler.

Tre typer kvantemaskiner. 1. Enhet for kvantgloving

Den minst universelle formen for en kvantecomputer. Det er enklest å bygge, men det kan bare utføre et veldig begrenset spekter av oppgaver relatert til optimalisering. Mange eksperter tviler på at en slik enhet kan ha noen fordeler i forhold til en tradisjonell datamaskin. Bruksområde: optimaliseringsoppgaver Allsidighet: begrenset. Datakraft: overskrider ikke tradisjonelle

Anta at vi må beregne hvordan et atom oppfører seg hvis vi retter et foton mot det; for dette må vi finne ut polariseringen av fotonet. Den eneste måten å gjøre dette på er å ta målinger, og før det vil polarisasjonen forbli usikker: fysikere snakker om superposisjon, pålegg av mulige verdier. For beregninger må alle alternativer vurderes separat, og i vårt eksempel vil det ta dobbelt så lang tid som om de nødvendige polarisasjonsparametrene var kjent. Dessuten er det verdt å begynne å legge til andre komponenter til systemet (flere atomer, flere fotoner), og usikkerheter vil måtte multipliseres, og kompleksiteten i beregningene vil vokse eksponentielt.

Tanken med en kvantecomputer var å gjøre en feil til en dyd: bruk selve usikkerheten til beregningene, noe som så kompliserer vanlige beregninger. Se for deg at du må hente et passord der de to siste bitene er ukjente. Fire kombinasjoner er mulig her: 00, 01, 10 og 11. I det klassiske tilfellet må hver av dem vurderes separat: erstatt den på rett sted og sjekk resultatet. Imidlertid, hvis et kvanteobjekt - for eksempel to qubits med en superposisjon av polarisering - blir informasjonsbæreren, kan alle fire kombinasjoner sjekkes samtidig.

2. Analog kvantecomputer Gjør det mulig å simulere komplekse kvanteinteraksjoner som ikke er tilgjengelige for modellering på tradisjonelle datamaskiner. Det antas at en analog kvantecomputer vil inneholde fra 50 til 100 qubits. Bruksområde: kvantekjemi, utvikling av nye materialer, optimaliseringsproblemer, prøvetaking, kvantedynamikk. Universitet: delvis. Datakraft: Høy

Hvis den riktige kombinasjonen av mulige kvbittilstander eksisterer, er det ingen tvil om at de også vil godta det. Hovedsaken er å organisere samspillet mellom dem slik at vi kan lese og forstå det resulterende svaret. Kraften til kvantecomputere ligger nettopp i det eksponentielt økende antall operasjoner som kan gjøres i ett trinn. Et system på to qubits lar deg samtidig vurdere fire alternativer for utvikling av hendelser, et system på fire - 16. Etter 50, som vi husker, setter "kvanteoverlegenhet" seg inn, og det er ikke lenger nok atomer for antall kombinasjoner av alle mulige tilstander i en kvantecomputer på 300 qubits. i universet.

For å ta denne linjen trenger vi fysiske bærere av qubits. Denne rollen kan spilles av individuelle atomer som kan være i forskjellige energitilstander, eller defekter i krystallstrukturen ("ledige stillinger") som bærer spinn i forskjellige retninger, eller til og med relativt store gjenstander - som de superledende antenner som Tangle Lake er bygget på. Det er vanskelig å si hvilket alternativ som vil bli standarden i fremtiden. Så på en gang var det med en elektrisk lampe: fysikk er forståelig, men en hel haug med tekniske løsninger ble foreslått. Bare opplevelsen av applikasjonen vil vise fordelene, ulempene og utsiktene til forskjellige systemer.

3. Universal kvantecomputer Den kraftigste og mest fleksible versjonen av en kvantecomputer med tanke på beregningsproblemer. Utviklingen av en slik enhet er forbundet med et stort antall tekniske vanskeligheter. I henhold til nåværende estimater, bør sammensetningen ha minst 100.000 fysiske qubits. Bruksområde: sikker databehandling, maskinlæring, kryptografi, kvantekjemi, utvikling av nye materialer, optimaliseringsproblemer, prøvetaking, kvantedynamikk, søk. Universitet: full, med akselerasjon angående tradisjonelle datamaskiner. Datakraft: Ekstremt høy

Minimumssett

For å lage en ekte kvantecomputer trenger du imidlertid ikke bare et sett med qubits, men også kanalene for samspillet deres. I en konvensjonell datamaskin spiller ledninger og elektriske kontakter denne rollen, og i en kvantecomputer effekten av sammenfiltring. Innfiltrede partikler har felles kvanteparametere: de kan skilles fysisk, men deres oppførsel vil forbli bundet uavhengig av avstand. Kvittene i en kvantecomputer er ikke så langt unna, men det er nettopp intrikatene som binder dem til et enkelt, sammenhengende responsivt system.

I tillegg må den nye datamaskinen skrive og lese informasjon. I prinsippet er dette det enkleste: for input-output kan du bruke stråling, for eksempel laser eller mikrobølgeovn, fokusert på individuelle qubits, slik at du kan "skrive" og "lese" tilstanden deres. Teknisk sett er dette en ganske delikat jobb som krever dyrt utstyr, men fysikere har klart å gjøre dette i lang tid. Det er mye vanskeligere å oppfylle det siste kravet: å isolere qubits fra omverdenen så pålitelig som mulig for å holde deres forviklinger i en tid tilstrekkelig til beregninger og datautveksling.


Bristlecone Google

Den siste utviklingen av John Martinis-gruppen i forskningsenheten til søkekorporasjonen viser et eksempel på en ny tilnærming til problemet med feilretting, så viktig for kvanteberegning. Qubits er forskjøvet på mikrobrikken slik at “de hvite” brukes til logiske operasjoner, og “de svarte” brukes til å kontrollere feil.

Schrodinger katt kan selv fortelle hvor vanskelig det er å bevare kvante-naturen til et stort og sammensatt system. Ideen om dette tankeeksperimentet er viden kjent: dyret som er plassert i boksen er både levende og død, siden dets skjebne avhenger av den usikre tilstanden til en viss partikkel. Før du åpner boksen (måling), er partikkelenes parametere i en superposisjon av to tilstander, og med dem er katten i en superposisjon. Vanligvis siteres dette eksperimentet som et eksempel på kvanteverdenens paradoksale natur, men hvis du tenker på det, snakker det også om noe annet.

Samtidig skjer ikke levende og døde katter bare fordi katten er et makroskopisk objekt. Den består av mange partikler, som hele tiden prøver å komme i interaksjon med det ytre miljøet og “kollapse”, mister usikkerhet og går over i en av de mulige tilstandene. På samme måte med en datamaskin: jo flere kvitteringer, jo kraftigere kan den være, men samtidig ligner den mer og mer på en Schrödinger-katt, som synes det er vanskelig å opprettholde kvantetilstanden. Det er grunnen til at qubits nødvendigvis plasseres i vakuumkamre, de lager utspekulerte kjøleordninger og utvikler sofistikerte feilretting metoder.


Tangle lake intel

I tillegg til antall qubits og bruken av superledende antenner med Josephson-kryss som grunnlag for enheten, er ingenting spesifikt kjent om Tangle Lake.

Bøyningspunkt

Nå som det er ganske klart hva kvantekalkulatoren egentlig betyr og hvilke fordeler den kan ha, er det klart at kvanteteknologier ikke vil erstatte det gode gamle silisiumet verken i morgen eller i en fjern fremtid. Dette betyr imidlertid overhode ikke at all snakk om "kvanteoverlegenhet" er en annen and. Ja, i dag er det bare noen få beregningsoppgaver som kvantecomputere kan få fart på. Men denne akselerasjonen er ikke 10 eller 100 ganger, men mye mer - jo vanskeligere oppgaven, desto mer merkbar.


50Q IBM

IBM introduserte 50-kvbit-datamaskinen i november 2017, men lite er kjent om den. Spesielt hevdes det at dens koherentetid (under hvilke beregninger kan utføres) nådde rekord 90 mikrosekunder for systemet.

Løsningen av mange slike problemer er allerede nødvendig i praksis. For eksempel tillater Shore-algoritmen å hacke de mest moderne sifrene på få sekunder, og Love Grover-algoritmen reduserer grunnleggende kompleksiteten ved å søke i store datamengder. Vi skal ikke glemme kvanteberegningene, som Feynman og Manin opprinnelig snakket om. I følge statistikk okkuperer de i dag opptil 30-40% av dataressursene til alle superdatamaskiner. Og tilsynelatende er dette området som vil være den første til å føle "kvantepushen" fra opprettelsen av nye maskiner. Og dette vil bety nye materialer, nye medisiner, en ny forståelse av superledningsevne.


19Q Rigetti Computing

Hovedtrekket i brikken på 19 qubit er spesialiseringen i maskinlæring. Systemet er designet for å løse problemer med dataklynger, for eksempel når du gjenkjenner bilder.

Det er ingen tvil om at det vil være flere slike eksempler: utvalget av praktiske applikasjoner på hvilken som helst datamaskin blir klart først etter at det er funnet passende algoritmer for den som ennå ikke skal utvikles. Opprettelsen av dem er et område som er så ungt at du ifølge en forsker "kan skrive på ett brett navnene til alle som arbeider med det i verden." Spesialister mangler sårt, spesielt nå, når IT-giganter er inkludert i kvanteløpet, klare til å lokke ansatte med hele laboratorier.


2000Q D-Wave

2000Q inneholder 2048 qubits, som formelt gjør det til det mest komplekse kvantesystemet i verden. Imidlertid er D-Wave-arkitekturen betydelig forskjellig fra andre enheter og egner seg bare for å løse veldig smale oppgaver. Mange eksperter tviler på at D-Wave-tilnærmingen generelt kan ha noen praktisk fordel av bruken av kvanteeffekter.

Ankomsten av tiden for "kvanteoverlegenhet" kan ikke sammenlignes med utgivelsen av den første personlige datamaskinen eller den mobile revolusjonen. Vanlige forbrukere vil ikke føle noen grunnleggende endringer på minst noen få år til. Men hvis vi snakker om bransjen, så har den allerede endret seg. En skarp interesse for kryptografi etter kvantum, opprettelse av giganter som IBM og Microsoft, plattformer for utvikling av kvantealgoritmer, milliarder av dollar investering - kvantrevolusjonshistorien er allerede skrevet.

tidslinje

Fram til 1990: utvikling av kvantemekanikk, teoretisk arbeid

1927

Werner Heisenberg formulerer usikkerhetsprinsippet.

1981

I foredraget "Modelling Physics on Computers" formulerer Richard Feynman det grunnleggende om kvanteberegning.

1985

David Deutsch beskriver et universelt kvantumdatasystem for enhver beregning.

Etter 1990: praktiske forsøk på å lage kvantemaskiner. Start av aktiv forskningsfinansiering

1994

Peter Shore åpner en kvantealgoritme for faktorisering av heltal, som gjør det mulig å bryte moderne kryptosystemer.

1994

Peter Zoller og Juan Ignacio Sirac implementerer det første eksperimentelle skjemaet for en kvantecomputer, etter å ha mottatt logikkporten C-NOT.

1997Alexey Kitaev lager en pålitelig metode for feilretting i kvanteberegning.
1998

De første to-qubit datamaskinene ble opprettet ved Oxford University og IBM.

2001

IBMs kvantecomputer dekomponerer nummer 15 med Shore-algoritmen.

2008

D-Wave kunngjør opprettelsen av en 28-qubit enhet.

2016

IBM lanserer skytjeneste for Quantum Experience for ekstern tilgang til Quantum Computing.

2017

Minst fire uavhengige grupper rapporterer om oppretting av kalkulatorer med omtrent femti kbiter.

2018

John Martinis-gruppen kunngjør Bristlecone, en kvantecomputer med 72 kvbit med feilretting.

Artikkelen "Quantum Excellence" ble publisert i tidsskriftet Popular Mechanics (nr. 5, mai 2018).

Anbefalt

Hvordan Kevlar ble oppfunnet: materiale sterkere enn stål
2019
Pedagogisk prosjekt "Synkronisering"
2019
Et program som kan falske enhver håndskrift
2019