Mười năm sau không ai biết khi nào

Đối với một người ít hiểu biết hơn, những người đã đọc cả đống ấn phẩm về máy tính lượng tử, người ta có thể có ấn tượng rằng đây là những cỗ máy “có sẵn” hoạt động giống như máy tính thông thường. Không có gì có thể sai hơn. Một số người thậm chí còn tin rằng vẫn chưa có máy tính lượng tử. Và những người khác tự hỏi chúng sẽ được sử dụng để làm gì, vì chúng không được thiết kế để thay thế các hệ thống zero-one.

Chúng ta thường nghe nói rằng những chiếc máy tính lượng tử thực sự đầu tiên hoạt động đúng chức năng sẽ xuất hiện trong khoảng một thập kỷ nữa. Tuy nhiên, như Linley Gwennap, nhà phân tích trưởng của Linley Group, đã lưu ý trong bài báo, “khi mọi người nói rằng một máy tính lượng tử sẽ xuất hiện sau XNUMX năm nữa, họ không biết khi nào điều đó sẽ xảy ra”.

Bất chấp tình huống mơ hồ này, bầu không khí cạnh tranh cho cái gọi là. sự thống trị lượng tử. Lo ngại về công việc lượng tử và sự thành công của người Trung Quốc, chính quyền Hoa Kỳ vào tháng XNUMX năm ngoái đã thông qua Đạo luật Sáng kiến ​​Lượng tử Quốc gia (1). Tài liệu nhằm cung cấp hỗ trợ liên bang cho việc nghiên cứu, phát triển, trình diễn và ứng dụng công nghệ và máy tính lượng tử. Trong 1 năm kỳ diệu, chính phủ Mỹ sẽ chi hàng tỷ USD để xây dựng cơ sở hạ tầng máy tính lượng tử, hệ sinh thái và tuyển dụng nhân sự. Tất cả các nhà phát triển lớn của máy tính lượng tử - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft và Rigetti, cũng như những người tạo ra thuật toán lượng tử XNUMXQBit và Zapata đều hoan nghênh điều này. Sáng kiến ​​lượng tử quốc gia.

Người tiên phong của D-WAve

Năm 2007, D-Wave Systems giới thiệu chip 128-qubit (2), được gọi là máy tính lượng tử đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, không có gì chắc chắn liệu nó có thể được gọi như vậy hay không - chỉ có tác phẩm của anh ấy được hiển thị, không có bất kỳ chi tiết nào về công trình của anh ấy. Năm 2009, D-Wave Systems đã phát triển công cụ tìm kiếm hình ảnh "lượng tử" cho Google. Vào tháng 2011 năm XNUMX, Lockheed Martin đã mua lại một máy tính lượng tử từ D-Wave Systems. D-wave một với giá 10 triệu đô la, đồng thời ký hợp đồng nhiều năm để vận hành và phát triển các thuật toán liên quan.

Vào năm 2012, chiếc máy này đã trình diễn quá trình tìm kiếm phân tử protein dạng xoắn có năng lượng thấp nhất. Các nhà nghiên cứu từ Hệ thống D-Wave sử dụng các hệ thống với các số khác nhau qubit, thực hiện một số phép tính toán học, một số trong số đó vượt xa khả năng của máy tính cổ điển. Tuy nhiên, vào đầu năm 2014, John Smolin và Graham Smith đã xuất bản một bài báo khẳng định rằng cỗ máy D-Wave Systems không phải là một cỗ máy. Ngay sau đó, Vật lý tự nhiên đã trình bày kết quả thí nghiệm chứng minh rằng D-Wave One vẫn ...

Một thử nghiệm khác vào tháng 2014 năm 2017 cho thấy không có sự khác biệt giữa máy tính cổ điển và máy D-Wave Systems, nhưng công ty trả lời rằng sự khác biệt chỉ đáng chú ý đối với các tác vụ phức tạp hơn so với những tác vụ được giải quyết trong thử nghiệm. Vào đầu năm XNUMX, công ty đã tiết lộ một cỗ máy có vẻ như bao gồm 2 nghìn qubitnhanh hơn 2500 lần so với các thuật toán cổ điển nhanh nhất. Và một lần nữa, hai tháng sau, một nhóm các nhà khoa học đã chứng minh rằng sự so sánh này là không chính xác. Đối với nhiều người hoài nghi, hệ thống D-Wave vẫn không phải là máy tính lượng tử, mà là mô phỏng sử dụng các phương pháp cổ điển.

Hệ thống D-Wave thế hệ thứ tư sử dụng ủ lượng tửvà các trạng thái qubit được thực hiện bằng các mạch lượng tử siêu dẫn (dựa trên cái gọi là các mối nối Josephson). Chúng hoạt động trong một môi trường gần với độ không tuyệt đối và tự hào có hệ thống 2048 qubit. Cuối năm 2018, D-Wave giới thiệu ra thị trường NẢY, đó là, của bạn môi trường ứng dụng lượng tử thời gian thực (KAE). Giải pháp đám mây cung cấp cho các khách hàng bên ngoài quyền truy cập theo thời gian thực vào điện toán lượng tử.

Vào tháng 2019 năm XNUMX, D-Wave đã công bố thế hệ tiếp theo  Chốt. Nó được công bố là "hệ thống lượng tử thương mại rộng lớn nhất thế giới" với mười lăm kết nối trên mỗi qubit thay vì sáu, với trên 5 qubit và bật tính năng giảm tiếng ồn ở mức chưa xác định trước đó. Thiết bị sẽ xuất hiện trên thị trường vào giữa năm sau.

Qubit, hoặc chồng chất cộng với sự vướng víu

Các bộ xử lý máy tính tiêu chuẩn dựa trên các gói hoặc mẩu thông tin, mỗi gói đại diện cho một câu trả lời có hoặc không. Các bộ xử lý lượng tử thì khác. Họ không hoạt động trong một thế giới không-một. xương khuỷu tay, đơn vị nhỏ nhất và không thể phân chia của thông tin lượng tử là hệ thống hai chiều được mô tả Không gian Hilbert. Do đó, nó khác với nhịp cổ điển ở chỗ nó có thể ở bất kỳ chồng chất nào hai trạng thái lượng tử. Mô hình vật lý của qubit thường được đưa ra làm ví dụ về hạt có spin ½, chẳng hạn như electron, hoặc sự phân cực của một photon.

Để khai thác sức mạnh của qubit, bạn phải kết nối chúng thông qua một quá trình được gọi là nhầm lẫn. Với mỗi qubit được thêm vào, sức mạnh xử lý của bộ xử lý nhân đôi chính mình, vì số lượng vướng mắc đi kèm với sự vướng víu của một qubit mới với tất cả các trạng thái đã có sẵn trong bộ xử lý (3). Nhưng việc tạo và kết hợp các qubit, và sau đó yêu cầu chúng thực hiện các phép tính phức tạp không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Họ ở lại cực kỳ nhạy cảm với các tác động bên ngoàiđiều này có thể dẫn đến sai số tính toán và trong trường hợp xấu nhất, dẫn đến sự phân rã của các qubit vướng víu, tức là sự rời rạcđó là lời nguyền thực sự của các hệ thống lượng tử. Khi các qubit bổ sung được thêm vào, các tác động bất lợi của ngoại lực tăng lên. Một cách để giải quyết vấn đề này là bật bổ sung qubit "Điều khiển"có chức năng duy nhất là kiểm tra và hiệu chỉnh kết quả đầu ra.

3. Biểu diễn tượng trưng của hệ thống IBM 50 qubit

Tuy nhiên, điều này có nghĩa là sẽ cần những máy tính lượng tử mạnh hơn, hữu ích để giải quyết các vấn đề phức tạp, chẳng hạn như xác định cách các phân tử protein gấp lại hoặc mô phỏng các quá trình vật lý bên trong nguyên tử. nhiều qubit. Tom Watson của Đại học Delft ở Hà Lan gần đây đã nói với BBC News:

–

Nói tóm lại, nếu máy tính lượng tử muốn phát triển, bạn cần nghĩ ra một cách dễ dàng để sản xuất bộ xử lý qubit lớn và ổn định.

Vì các qubit không ổn định, nên việc tạo ra một hệ thống với nhiều qubit là điều cực kỳ khó khăn. Vì vậy, nếu cuối cùng, qubit như một khái niệm cho tính toán lượng tử không thành công, các nhà khoa học có một giải pháp thay thế: cổng lượng tử qubit.

Một nhóm từ Đại học Purdue đã công bố một nghiên cứu trên npj Quantum Information mô tả chi tiết việc tạo ra chúng. Các nhà khoa học tin rằng kuditskhông giống như qubit, chúng có thể tồn tại ở nhiều hơn hai trạng thái, chẳng hạn như 0, 1 và 2, và đối với mỗi trạng thái được thêm vào, sức mạnh tính toán của một qudit sẽ tăng lên. Nói cách khác, bạn cần mã hóa và xử lý cùng một lượng thông tin. ít vinh quang hơn qubit.

Để tạo ra một cổng lượng tử chứa một qudit, nhóm Purdue đã mã hóa bốn qudit thành hai photon vướng víu về tần số và thời gian. Nhóm nghiên cứu đã chọn các photon vì chúng không dễ tác động đến môi trường và sử dụng nhiều miền cho phép gây vướng víu hơn với ít photon hơn. Cổng hoàn thiện có sức mạnh xử lý 20 qubit, mặc dù nó chỉ yêu cầu bốn qubit, với độ ổn định bổ sung do sử dụng các photon, khiến nó trở thành một hệ thống đầy hứa hẹn cho các máy tính lượng tử trong tương lai.

Bẫy silicon hoặc ion

Mặc dù không phải ai cũng có chung quan điểm này, nhưng việc sử dụng silicon để chế tạo máy tính lượng tử dường như mang lại những lợi ích to lớn, vì công nghệ silicon đã được phát triển tốt và đã có một ngành công nghiệp lớn gắn liền với nó. Silicon được sử dụng trong các bộ xử lý lượng tử của Google và IBM, mặc dù nó được làm mát ở nhiệt độ rất thấp. Nó không phải là vật liệu lý tưởng cho các hệ thống lượng tử, nhưng các nhà khoa học đang nghiên cứu về nó.

Theo một công bố gần đây trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng năng lượng vi sóng để sắp xếp hai hạt điện tử lơ lửng trong silicon và sau đó sử dụng chúng để thực hiện một loạt các phép tính thử nghiệm. Nhóm, đặc biệt là các nhà khoa học từ Đại học Wisconsin-Madison đã "lơ lửng" các qubit electron đơn trong một cấu trúc silicon, spin của chúng được xác định bởi năng lượng của bức xạ vi sóng. Trong một sự chồng chất, một electron đồng thời quay quanh hai trục khác nhau. Hai qubit sau đó được kết hợp và lập trình để thực hiện các phép tính thử nghiệm, sau đó các nhà nghiên cứu so sánh dữ liệu do hệ thống tạo ra với dữ liệu nhận được từ một máy tính tiêu chuẩn thực hiện các phép tính thử nghiệm tương tự. Sau khi sửa dữ liệu, có thể lập trình bộ xử lý silicon lượng tử hai bit.

Mặc dù tỷ lệ lỗi vẫn cao hơn nhiều so với cái gọi là bẫy ion (thiết bị trong đó các hạt mang điện như ion, electron, proton được lưu trữ trong một thời gian) hoặc máy tính.  dựa trên các chất siêu dẫn như D-Wave, thành tựu vẫn đáng ghi nhận vì việc cô lập qubit khỏi tiếng ồn bên ngoài là vô cùng khó khăn. Các chuyên gia nhận thấy cơ hội để mở rộng và cải thiện hệ thống. Và việc sử dụng silicon, từ quan điểm công nghệ và kinh tế, có tầm quan trọng hàng đầu ở đây.

Tuy nhiên, đối với nhiều nhà nghiên cứu, silicon không phải là tương lai của máy tính lượng tử. Vào tháng XNUMX năm ngoái, xuất hiện thông tin cho rằng các kỹ sư của công ty Mỹ IonQ đã sử dụng ytterbium để tạo ra máy tính lượng tử có năng suất cao nhất thế giới, vượt qua cả hệ thống D-Wave và IBM.

Kết quả là một cỗ máy chứa một nguyên tử duy nhất trong bẫy ion (4) sử dụng một qubit dữ liệu để mã hóa và các qubit được điều khiển và đo bằng các xung laze đặc biệt. Máy tính có bộ nhớ có thể lưu trữ 160 qubit dữ liệu. Nó cũng có thể thực hiện các phép tính đồng thời trên 79 qubit.

4. Sơ đồ bẫy ion IonQ

Các nhà khoa học từ IonQ đã tiến hành một cuộc kiểm tra tiêu chuẩn về cái gọi là Thuật toán Bernstein-Vaziraniego. Nhiệm vụ của máy là đoán một số trong khoảng từ 0 đến 1023. Máy tính cổ điển thực hiện 10 lần đoán cho một số 100 bit. Máy tính lượng tử sử dụng hai cách tiếp cận để đoán kết quả với độ chắc chắn 73%. Trong lần thử đầu tiên, máy tính lượng tử IonQ đã đoán được trung bình 1% các con số đã cho. Khi thuật toán được chạy cho bất kỳ số nào từ 1023 đến 0,2, tỷ lệ thành công cho một máy tính thông thường là 79%, trong khi đối với IonQ là XNUMX%.

Các chuyên gia của IonQ tin rằng hệ thống dựa trên bẫy ion vượt trội hơn so với máy tính lượng tử silicon mà Google và các công ty khác đang xây dựng. Ma trận 79 qubit của họ vượt trội hơn bộ xử lý lượng tử Bristlecone của Google 7 qubit. Kết quả IonQ cũng rất đáng kinh ngạc khi nói đến thời gian hoạt động của hệ thống. Theo những người tạo ra chiếc máy này, đối với một qubit, nó vẫn ở mức 99,97%, có nghĩa là tỷ lệ lỗi là 0,03%, trong khi kết quả tốt nhất của cuộc thi là trung bình khoảng 0,5%. Tỷ lệ lỗi hai bit của thiết bị IonQ phải ở mức 99,3%, trong khi hầu hết các đối thủ cạnh tranh không vượt quá 95%.

Điều đáng nói là, theo các nhà nghiên cứu của Google quyền tối cao lượng tử – điểm mà máy tính lượng tử vượt trội hơn tất cả các máy hiện có khác – có thể đạt được với máy tính lượng tử có 49 qubit, miễn là tỷ lệ lỗi trên cổng hai qubit dưới 0,5%. Tuy nhiên, phương pháp bẫy ion trong điện toán lượng tử vẫn phải đối mặt với những rào cản lớn cần vượt qua: thời gian thực hiện chậm và kích thước khổng lồ, cũng như độ chính xác và khả năng mở rộng của công nghệ.

Thành trì mật mã trong đống đổ nát và những hậu quả khác

Vào tháng 2019 năm 2019 tại CES XNUMX, Giám đốc điều hành IBM Ginni Rometty thông báo rằng IBM đã cung cấp một hệ thống điện toán lượng tử tích hợp để sử dụng cho mục đích thương mại. Máy tính lượng tử IBM5) được đặt tại New York như một phần của hệ thống Hệ thống Q của IBM. Sử dụng Mạng Q và Trung tâm Tính toán Lượng tử Q, các nhà phát triển có thể dễ dàng sử dụng phần mềm Qiskit để biên dịch các thuật toán lượng tử. Do đó, sức mạnh tính toán của máy tính lượng tử IBM có sẵn như dịch vụ điện toán đám mây, giá cả hợp lý.

D-Wave cũng đã cung cấp các dịch vụ như vậy một thời gian và các công ty lớn khác (chẳng hạn như Amazon) cũng đang lên kế hoạch cho các dịch vụ đám mây lượng tử tương tự. Microsoft đã tiến xa hơn với phần giới thiệu Ngôn ngữ lập trình Q # (phát âm là) có thể hoạt động với Visual Studio và chạy trên máy tính xách tay. Các lập trình viên có một công cụ để mô phỏng các thuật toán lượng tử và tạo ra một cầu nối phần mềm giữa điện toán cổ điển và lượng tử.

Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là máy tính và sức mạnh tính toán của chúng thực sự có ích gì? Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng XNUMX năm ngoái trên tạp chí Science, các nhà khoa học từ IBM, Đại học Waterloo và Đại học Kỹ thuật Munich đã cố gắng tính gần đúng các dạng vấn đề mà máy tính lượng tử có vẻ phù hợp nhất để giải quyết.

Theo nghiên cứu, các thiết bị như vậy sẽ có thể giải quyết các vấn đề phức tạp đại số tuyến tính và các bài toán tối ưu hóa. Nghe có vẻ mơ hồ, nhưng có thể có cơ hội cho các giải pháp đơn giản và rẻ hơn cho các vấn đề hiện đang đòi hỏi nhiều nỗ lực, nguồn lực và thời gian, và đôi khi nằm ngoài tầm với của chúng ta.

5. Máy tính lượng tử IBM

Tính toán lượng tử hữu ích thay đổi đường kính lĩnh vực mật mã. Nhờ chúng, các mã mã hóa có thể nhanh chóng bị bẻ khóa và có thể công nghệ blockchain sẽ bị phá hủy. Mã hóa RSA giờ đây dường như là một lớp bảo vệ mạnh mẽ và không thể phá hủy, bảo vệ hầu hết các dữ liệu và thông tin liên lạc trên thế giới. Tuy nhiên, một máy tính lượng tử đủ mạnh có thể dễ dàng bẻ khóa mã hóa RSA thông qua Thuật toán rút gọn.

Làm thế nào để ngăn chặn nó? Một số người ủng hộ việc tăng độ dài của các khóa mã hóa công khai đến kích thước cần thiết để vượt qua quá trình giải mã lượng tử. Đối với những người khác, nó nên được sử dụng một mình để đảm bảo thông tin liên lạc an toàn. Nhờ mật mã lượng tử, chính hành động đánh chặn dữ liệu sẽ làm hỏng chúng, sau đó người can thiệp vào hạt sẽ không thể lấy được thông tin hữu ích từ nó và người nhận sẽ được cảnh báo về nỗ lực nghe trộm.

Các ứng dụng tiềm năng của điện toán lượng tử cũng thường xuyên được đề cập. phân tích và dự báo kinh tế. Nhờ các hệ thống lượng tử, các mô hình phức tạp về hành vi thị trường có thể được mở rộng để bao gồm nhiều biến hơn trước đây, dẫn đến các chẩn đoán và dự đoán chính xác hơn. Bằng cách xử lý đồng thời hàng nghìn biến bằng máy tính lượng tử, cũng có thể giảm thời gian và chi phí cần thiết để phát triển. thuốc mới, giải pháp vận chuyển và hậu cần, chuỗi cung ứng, mô hình khí hậucũng như để giải quyết nhiều vấn đề phức tạp khác.

Định luật Nevena

Thế giới máy tính cũ có định luật Moore riêng của nó, trong khi máy tính lượng tử phải được hướng dẫn bởi cái gọi là Định luật Nevena. Anh ấy mang ơn một trong những chuyên gia lượng tử nổi tiếng nhất tại Google, Hartmut Nevena (6), nói rằng những tiến bộ trong công nghệ điện toán lượng tử hiện đang được thực hiện trong tăng gấp đôi tốc độ theo cấp số nhân.

Điều này có nghĩa là thay vì tăng gấp đôi hiệu suất với các lần lặp lại liên tiếp, như trường hợp của máy tính cổ điển và định luật Moore, công nghệ lượng tử cải thiện hiệu suất nhanh hơn nhiều.

Các chuyên gia dự đoán sự ra đời của tính ưu việt lượng tử, có thể được dịch không chỉ thành tính ưu việt của máy tính lượng tử so với bất kỳ loại máy tính cổ điển nào, mà còn theo những cách khác - như sự khởi đầu của kỷ nguyên máy tính lượng tử hữu ích. Điều này sẽ mở đường cho những đột phá trong hóa học, vật lý thiên văn, y học, an ninh, thông tin liên lạc và hơn thế nữa.

Tuy nhiên, cũng có ý kiến ​​cho rằng sự vượt trội như vậy sẽ không bao giờ tồn tại, ít nhất là không phải trong tương lai gần. Một phiên bản nhẹ nhàng hơn của sự hoài nghi là máy tính lượng tử sẽ không bao giờ thay thế máy tính cổ điển vì chúng không được thiết kế để làm như vậy. Bạn không thể thay thế iPhone hoặc PC bằng máy lượng tử, cũng như bạn không thể thay thế giày tennis bằng tàu sân bay hạt nhân.. Máy tính cổ điển cho phép bạn chơi trò chơi, kiểm tra email, lướt web và chạy các chương trình. Máy tính lượng tử trong hầu hết các trường hợp thực hiện mô phỏng quá phức tạp đối với các hệ thống nhị phân chạy trên các bit máy tính. Nói cách khác, người tiêu dùng cá nhân sẽ hầu như không nhận được lợi ích gì từ máy tính lượng tử của riêng họ, nhưng những người thụ hưởng thực sự của phát minh này sẽ là NASA hoặc Viện Công nghệ Massachusetts.

Thời gian sẽ cho biết cách tiếp cận nào phù hợp hơn - IBM hay Google. Theo định luật Neven, chúng ta chỉ còn vài tháng nữa là có thể chứng kiến ​​sự thể hiện đầy đủ về ưu thế lượng tử của nhóm này hay nhóm khác. Và đây không còn là viễn cảnh “trong mười năm nữa, tức là không ai biết khi nào”.