Ddeng mlynedd yn ddiweddarach does neb yn gwybod pryd

Mae’n bosibl y bydd rhywun llai gwybodus sydd wedi darllen criw cyfan o gyhoeddiadau am gyfrifiaduron cwantwm yn cael yr argraff mai peiriannau “oddi ar y silff” yw’r rhain sy’n gweithio yn yr un ffordd â chyfrifiaduron cyffredin. Ni allai dim fod yn fwy anghywir. Mae rhai hyd yn oed yn credu nad oes unrhyw gyfrifiaduron cwantwm eto. Ac mae eraill yn meddwl tybed at ba ddiben y cânt eu defnyddio, gan nad ydynt wedi'u cynllunio i ddisodli systemau dim-un.

Clywn yn aml y bydd y cyfrifiaduron cwantwm real cyntaf sy'n gweithredu'n iawn yn ymddangos ymhen tua degawd. Fodd bynnag, fel y nododd Linley Gwennap, prif ddadansoddwr Grŵp Linley, yn yr erthygl, “pan fydd pobl yn dweud y bydd cyfrifiadur cwantwm yn ymddangos ymhen deng mlynedd, nid ydynt yn gwybod pryd y bydd yn digwydd.”

Er gwaethaf y sefyllfa annelwig hon, mae'r awyrgylch o gystadleuaeth ar gyfer yr hyn a elwir. goruchafiaeth cwantwm. Yn bryderus am waith cwantwm a datblygiadau'r Tsieineaid, pasiodd gweinyddiaeth yr Unol Daleithiau Ddeddf Menter Cwantwm Cenedlaethol fis Rhagfyr diwethaf.1). Bwriad y ddogfen yw darparu cefnogaeth ffederal ar gyfer ymchwil, datblygu, arddangos a chymhwyso cyfrifiadura cwantwm a thechnolegau. Mewn deng mlynedd hudolus, bydd llywodraeth yr UD yn gwario biliynau yn adeiladu seilwaith cyfrifiadurol cwantwm, ecosystemau, ac yn recriwtio pobl. Croesawodd holl brif ddatblygwyr cyfrifiaduron cwantwm - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft a Rigetti, yn ogystal â chrewyr algorithmau cwantwm 1QBit a Zapata hyn. Menter Cwantwm Cenedlaethol.

Arloeswyr D-WAve

Yn 2007, cyflwynodd D-Wave Systems sglodyn 128-qubit (2), gelwir cyfrifiadur cwantwm cyntaf y byd. Fodd bynnag, nid oedd sicrwydd a ellid ei alw'n hynny - dim ond ei waith a ddangoswyd, heb unrhyw fanylion am ei adeiladwaith. Yn 2009, datblygodd D-Wave Systems beiriant chwilio delwedd "cwantwm" ar gyfer Google. Ym mis Mai 2011, prynodd Lockheed Martin gyfrifiadur cwantwm gan D-Wave Systems. D-ton un am $ 10 miliwn, tra'n llofnodi contract aml-flwyddyn ar gyfer ei weithrediad a datblygu algorithmau cysylltiedig.

Yn 2012, dangosodd y peiriant hwn y broses o ddod o hyd i'r moleciwl protein helical gyda'r egni isaf. Mae ymchwilwyr o D-Wave Systems yn defnyddio systemau gyda rhifau gwahanol cwbits, perfformio nifer o gyfrifiadau mathemategol, rhai ohonynt ymhell y tu hwnt i alluoedd cyfrifiaduron clasurol. Fodd bynnag, yn gynnar yn 2014, cyhoeddodd John Smolin a Graham Smith erthygl yn honni nad peiriant oedd y peiriant D-Wave Systems. Yn fuan wedi hynny, cyflwynodd Ffiseg Natur ganlyniadau arbrofion yn profi bod D-Wave One yn dal i fod ...

Ni ddangosodd prawf arall ym mis Mehefin 2014 unrhyw wahaniaeth rhwng cyfrifiadur clasurol a pheiriant D-Wave Systems, ond ymatebodd y cwmni nad oedd y gwahaniaeth ond yn amlwg ar gyfer tasgau mwy cymhleth na'r rhai a ddatryswyd yn y prawf. Yn gynnar yn 2017, dadorchuddiodd y cwmni beiriant a oedd yn cynnwys yn ôl pob golwg 2 mil cwbitsa oedd 2500 gwaith yn gyflymach na'r algorithmau clasurol cyflymaf. Ac eto, ddeufis yn ddiweddarach, profodd grŵp o wyddonwyr nad oedd y gymhariaeth hon yn gywir. I lawer o amheuwyr, nid cyfrifiaduron cwantwm yw systemau D-Wave o hyd, ond eu efelychiadau defnyddio dulliau clasurol.

Mae'r system D-Wave bedwaredd genhedlaeth yn defnyddio aneliadau cwantwma gwireddir cyflwr cwbit trwy gylchedau cwantwm uwchddargludol (yn seiliedig ar y cyffyrdd Josephson fel y'u gelwir). Maent yn gweithredu mewn amgylchedd sy'n agos at sero absoliwt ac mae ganddynt system o 2048 qubits. Ar ddiwedd 2018, cyflwynodd D-Wave i'r farchnad HYSBYS, hynny yw, eich amgylchedd cymhwysiad cwantwm amser real (KAE). Mae'r datrysiad cwmwl yn rhoi mynediad amser real i gyfrifiadura cwantwm i gleientiaid allanol.

Ym mis Chwefror 2019, cyhoeddodd D-Wave y genhedlaeth nesaf  Pegasus. Fe'i cyhoeddwyd fel "system cwantwm fasnachol helaethaf y byd" gyda phymtheg cysylltiad y cwbit yn lle chwech, gyda dros 5 cwbits a throi lleihau sŵn ymlaen ar lefel anhysbys o'r blaen. Dylai'r ddyfais ymddangos ar werth ganol y flwyddyn nesaf.

Qubits, neu arosodiadau ynghyd â maglu

Mae proseswyr cyfrifiadurol safonol yn dibynnu ar becynnau neu ddarnau o wybodaeth, pob un yn cynrychioli un ateb ie neu na. Mae proseswyr cwantwm yn wahanol. Nid ydynt yn gweithio mewn byd dim-un. asgwrn penelin, yr uned leiaf ac anwahanadwy o wybodaeth cwantwm yw'r system dau ddimensiwn a ddisgrifir gofod hilbert. Felly, mae'n wahanol i'r curiad clasurol yn yr ystyr y gall fod ynddo unrhyw arosodiad dau gyflwr cwantwm. Mae model ffisegol cwbit yn cael ei roi amlaf fel enghraifft o ronyn â sbin ½, fel electron, neu bolareiddiad un ffoton.

Er mwyn harneisio pŵer qubits, rhaid i chi eu cysylltu trwy broses o'r enw dryswch. Gyda phob qubit ychwanegol, pŵer prosesu y prosesydd dyblau eich hun, gan fod y nifer o glymiadau yn cyd-fynd â chyffwrdd cwbit newydd gyda'r holl daleithiau sydd eisoes ar gael yn y prosesydd (3). Ond nid tasg hawdd yw creu a chyfuno qubits ac yna dweud wrthynt am wneud cyfrifiadau cymhleth. Maent yn aros hynod o sensitif i ddylanwadau allanola all arwain at wallau cyfrifo ac, yn yr achos gwaethaf, at ddirywiad cwbits wedi’u maglu, h.y. dadgyssylltiadsef gwir felltith systemau cwantwm. Wrth i qubits ychwanegol gael eu hychwanegu, mae effeithiau andwyol grymoedd allanol yn cynyddu. Un ffordd o ddelio â'r broblem hon yw galluogi ychwanegol cwbits "Rheoli"ei unig swyddogaeth yw gwirio a chywiro'r allbwn.

3. Cynrychiolaeth symbolaidd o'r system IBM 50-qubit

Fodd bynnag, mae hyn yn golygu y bydd angen cyfrifiaduron cwantwm mwy pwerus, sy'n ddefnyddiol ar gyfer datrys problemau cymhleth, megis pennu sut mae moleciwlau protein yn plygu neu efelychu'r prosesau ffisegol y tu mewn i atomau. cwbit iawn. Dywedodd Tom Watson o Brifysgol Delft yn yr Iseldiroedd wrth Newyddion y BBC yn ddiweddar:

-

Yn fyr, os yw cyfrifiaduron cwantwm i godi, mae angen ichi feddwl am ffordd hawdd o gynhyrchu proseswyr qubit mawr a sefydlog.

Gan fod qubits yn ansefydlog, mae'n anodd iawn creu system gyda llawer ohonynt. Felly, os bydd cwbits, yn y diwedd, fel cysyniad ar gyfer cyfrifiadura cwantwm yn methu, mae gan wyddonwyr ddewis arall: gatiau cwantwm qubit.

Cyhoeddodd tîm o Brifysgol Purdue astudiaeth yn npj Quantum Information yn manylu ar eu creu. Mae gwyddonwyr yn credu hynny clodyn wahanol i qubits, gallant fodoli mewn mwy na dau dalaith - er enghraifft, 0, 1, a 2 - ac ar gyfer pob cyflwr ychwanegol, mae pŵer cyfrifiannol un qudit yn cynyddu. Mewn geiriau eraill, mae angen i chi amgodio a phrosesu'r un faint o wybodaeth. llai o ogoniant na qubits.

I greu giât cwantwm yn cynnwys cwdit, amgodiodd tîm Purdue bedwar cwdit yn ddau ffoton wedi'u maglu o ran amlder ac amser. Dewisodd y tîm ffotonau oherwydd nad ydynt yn effeithio ar yr amgylchedd mor hawdd, ac roedd defnyddio parthau lluosog yn caniatáu mwy o gysylltiad â llai o ffotonau. Roedd gan y giât orffenedig bŵer prosesu o 20 qubits, er mai dim ond pedwar qubit oedd ei angen, gyda sefydlogrwydd ychwanegol oherwydd y defnydd o ffotonau, gan ei gwneud yn system addawol ar gyfer cyfrifiaduron cwantwm yn y dyfodol.

Trapiau silicon neu ïon

Er nad yw pawb yn rhannu'r farn hon, mae'n ymddangos bod gan y defnydd o silicon i greu cyfrifiaduron cwantwm fanteision enfawr, gan fod technoleg silicon wedi'i hen sefydlu ac mae diwydiant mawr eisoes yn gysylltiedig ag ef. Defnyddir silicon mewn proseswyr cwantwm Google ac IBM, er ei fod yn cael ei oeri i dymheredd isel iawn ynddynt. Nid yw'n ddeunydd delfrydol ar gyfer systemau cwantwm, ond mae gwyddonwyr yn gweithio arno.

Yn ôl cyhoeddiad diweddar yn Nature, defnyddiodd tîm o ymchwilwyr ynni microdon i alinio dau ronyn electron wedi'u hatal mewn silicon ac yna eu defnyddio i gyflawni cyfres o gyfrifiadau prawf. Roedd y grŵp, a oedd yn cynnwys, yn benodol, gwyddonwyr o Brifysgol Wisconsin-Madison wedi "atal" cwbitau electronig sengl mewn strwythur silicon, y pennwyd ei sbin gan egni ymbelydredd microdon. Mewn arosodiad, roedd electron yn cylchdroi o amgylch dwy echelin wahanol ar yr un pryd. Yna cafodd y ddau qubits eu cyfuno a'u rhaglennu i wneud cyfrifiadau prawf, ac ar ôl hynny cymharodd yr ymchwilwyr y data a gynhyrchwyd gan y system â data a dderbyniwyd gan gyfrifiadur safonol yn perfformio'r un cyfrifiadau prawf. Ar ôl cywiro'r data, mae rhaglenadwy prosesydd silicon cwantwm dau-did.

Er bod canran y gwallau yn dal i fod yn llawer uwch nag mewn trapiau ïon fel y'u gelwir (dyfeisiau sy'n storio gronynnau wedi'u gwefru am beth amser, megis ïonau, electronau, protonau) neu gyfrifiaduron  yn seiliedig ar uwchddargludyddion fel D-Wave, mae'r gamp yn parhau i fod yn rhyfeddol gan fod ynysu qubits rhag sŵn allanol yn hynod o anodd. Mae arbenigwyr yn gweld cyfleoedd ar gyfer graddio a gwella'r system. Ac mae'r defnydd o silicon, o safbwynt technolegol ac economaidd, yn allweddol bwysig yma.

Fodd bynnag, i lawer o ymchwilwyr, nid silicon yw dyfodol cyfrifiaduron cwantwm. Ym mis Rhagfyr y llynedd, ymddangosodd gwybodaeth bod peirianwyr y cwmni Americanaidd IonQ wedi defnyddio ytterbium i greu cyfrifiadur cwantwm mwyaf cynhyrchiol y byd, gan ragori ar systemau D-Wave ac IBM.

Y canlyniad oedd peiriant a oedd yn cynnwys un atom mewn trap ïon (4) yn defnyddio un cwbit data ar gyfer amgodio, ac mae'r qubits yn cael eu rheoli a'u mesur gan ddefnyddio corbys laser arbennig. Mae gan y cyfrifiadur gof sy'n gallu storio 160 qubits o ddata. Gall hefyd wneud cyfrifiadau ar yr un pryd ar 79 qubits.

4. Cynllun y trap ion IonQ

Cynhaliodd gwyddonwyr o IonQ brawf safonol o'r hyn a elwir Algorithm Bernstein-Waziraniego. Tasg y peiriant oedd dyfalu rhif rhwng 0 a 1023. Mae cyfrifiaduron clasurol yn cymryd un ar ddeg o ddyfaliadau ar gyfer rhif 10-did. Mae cyfrifiaduron Quantum yn defnyddio dau ddull i ddyfalu'r canlyniad gyda sicrwydd 100%. Ar yr ymgais gyntaf, fe ddyfalodd cyfrifiadur cwantwm IonQ gyfartaledd o 73% o'r niferoedd a roddwyd. Pan fydd yr algorithm yn cael ei redeg ar gyfer unrhyw rif rhwng 1 a 1023, y gyfradd llwyddiant ar gyfer cyfrifiadur nodweddiadol yw 0,2%, tra ar gyfer IonQ mae'n 79%.

Mae arbenigwyr IonQ yn credu bod systemau sy'n seiliedig ar drapiau ïon yn well na'r cyfrifiaduron cwantwm silicon y mae Google a chwmnïau eraill yn eu hadeiladu. Mae eu matrics 79-qubit yn perfformio'n well na phrosesydd cwantwm Bristlecone Google o 7 qubit. Mae canlyniad IonQ hefyd yn syfrdanol o ran amser uwchraddio system. Yn ôl crewyr y peiriant, ar gyfer qubit sengl, mae'n parhau i fod ar 99,97%, sy'n golygu cyfradd gwallau o 0,03%, tra bod canlyniadau gorau'r gystadleuaeth ar gyfartaledd tua 0,5%. Dylai'r gyfradd gwallau dau-did ar gyfer y ddyfais IonQ fod yn 99,3%, tra nad yw'r rhan fwyaf o gystadleuwyr yn fwy na 95%.

Mae'n werth ychwanegu hynny, yn ôl ymchwilwyr Google goruchafiaeth cwantwm – y pwynt y mae cyfrifiadur cwantwm yn perfformio’n well na’r holl beiriannau eraill sydd ar gael – eisoes wedi’i gyrraedd gyda chyfrifiadur cwantwm gyda 49 qubits, ar yr amod bod y gyfradd gwallau ar giatiau dau-qubit yn is na 0,5%. Fodd bynnag, mae'r dull trap ïon mewn cyfrifiadura cwantwm yn dal i wynebu rhwystrau mawr i'w goresgyn: amser gweithredu araf a maint enfawr, yn ogystal â chywirdeb a scalability y dechnoleg.

Cadarnle seiffrau yn adfeilion a chanlyniadau eraill

Ym mis Ionawr 2019 yn CES 2019, cyhoeddodd Prif Swyddog Gweithredol IBM Ginni Rometty fod IBM eisoes yn cynnig system gyfrifiadura cwantwm integredig at ddefnydd masnachol. Cyfrifiaduron cwantwm IBM5) wedi'u lleoli'n gorfforol yn Efrog Newydd fel rhan o'r system IBM Q System Un. Gan ddefnyddio'r Rhwydwaith Q a Chanolfan Gyfrifiadurol Quantum Q, gall datblygwyr ddefnyddio meddalwedd Qiskit yn hawdd i lunio algorithmau cwantwm. Felly, mae pŵer cyfrifiadurol cyfrifiaduron cwantwm IBM ar gael fel gwasanaeth cyfrifiadura cwmwl, am bris rhesymol.

Mae D-Wave hefyd wedi bod yn darparu gwasanaethau o'r fath ers peth amser, ac mae chwaraewyr mawr eraill (fel Amazon) yn cynllunio cynigion cwmwl cwantwm tebyg. Aeth Microsoft ymhellach gyda'r cyflwyniad Iaith raglennu Q# (ynganu fel) a all weithio gyda Visual Studio a rhedeg ar liniadur. Mae gan raglenwyr offeryn i efelychu algorithmau cwantwm a chreu pont feddalwedd rhwng cyfrifiadura clasurol a chyfrifiadura cwantwm.

Fodd bynnag, y cwestiwn yw, ar gyfer beth y gall cyfrifiaduron a'u pŵer cyfrifiadurol fod yn ddefnyddiol mewn gwirionedd? Mewn astudiaeth a gyhoeddwyd fis Hydref diwethaf yn y cyfnodolyn Science, ceisiodd gwyddonwyr o IBM, Prifysgol Waterloo a Phrifysgol Dechnegol Munich frasamcanu'r mathau o broblemau y mae cyfrifiaduron cwantwm yn ymddangos yn fwyaf addas i'w datrys.

Yn ôl yr astudiaeth, bydd dyfeisiau o'r fath yn gallu datrys cymhleth algebra llinol a phroblemau optimeiddio. Mae’n swnio’n amwys, ond efallai y bydd cyfleoedd ar gyfer atebion symlach a rhatach i faterion sy’n gofyn am lawer o ymdrech, adnoddau ac amser ar hyn o bryd, ac sydd weithiau y tu hwnt i’n cyrraedd.

5. Cyfrifiadur cwantwm IBM

Cyfrifiadura cwantwm defnyddiol newid maes cryptograffeg yn ddiametrig. Diolch iddynt, gallai codau amgryptio gael eu cracio'n gyflym ac, o bosibl, bydd technoleg blockchain yn cael ei ddinistrio. Mae amgryptio RSA bellach yn ymddangos yn amddiffyniad cryf ac annistrywiol sy'n amddiffyn y rhan fwyaf o'r data a chyfathrebu yn y byd. Fodd bynnag, gall cyfrifiadur cwantwm digon pwerus yn hawdd crac amgryptio RSA gyda help Algorithm Shora.

Sut i'w atal? Mae rhai o blaid cynyddu hyd allweddi amgryptio cyhoeddus i'r maint sydd ei angen i oresgyn dadgryptio cwantwm. I eraill, dylid ei ddefnyddio ar ei ben ei hun i sicrhau cyfathrebu diogel. Diolch i cryptograffeg cwantwm, byddai'r union weithred o ryng-gipio'r data yn eu llygru, ac ar ôl hynny ni fyddai'r person sy'n ymyrryd â'r gronyn yn gallu cael gwybodaeth ddefnyddiol ohono, a byddai'r derbynnydd yn cael ei rybuddio am yr ymgais i glustfeinio.

Sonnir yn aml hefyd am gymwysiadau posibl cyfrifiadura cwantwm. dadansoddi a rhagweld economaidd. Diolch i systemau cwantwm, gellir ehangu modelau cymhleth o ymddygiad y farchnad i gynnwys llawer mwy o newidynnau nag o'r blaen, gan arwain at ddiagnosisau a rhagfynegiadau mwy cywir. Trwy brosesu miloedd o newidynnau ar yr un pryd gan gyfrifiadur cwantwm, byddai hefyd yn bosibl lleihau'r amser a'r gost sydd eu hangen ar gyfer datblygu. cyffuriau newydd, atebion trafnidiaeth a logisteg, cadwyni cyflenwi, modelau hinsawddyn ogystal ag ar gyfer datrys llawer o broblemau enfawr eraill o gymhlethdod.

Cyfraith yr aur

Roedd gan fyd hen gyfrifiaduron ei gyfraith Moore ei hun, tra bod yn rhaid i gyfrifiaduron cwantwm gael eu harwain gan yr hyn a elwir yn Cyfraith yr aur. Mae arno ei enw i un o'r arbenigwyr cwantwm amlycaf yn Google, Hartmut Nevena (6), sy'n nodi bod datblygiadau mewn technoleg cyfrifiadura cwantwm yn cael eu gwneud ar hyn o bryd cyflymder esbonyddol dwbl.

Mae hyn yn golygu, yn lle dyblu perfformiad gydag iteriadau olynol, fel yn achos cyfrifiaduron clasurol a chyfraith Moore, mae technoleg cwantwm yn gwella perfformiad yn llawer cyflymach.

Mae arbenigwyr yn rhagweld dyfodiad rhagoriaeth cwantwm, y gellir ei drosi nid yn unig i ragoriaeth cyfrifiaduron cwantwm dros unrhyw rai clasurol, ond hefyd mewn ffyrdd eraill - fel dechrau cyfnod o gyfrifiaduron cwantwm defnyddiol. Bydd hyn yn paratoi'r ffordd ar gyfer datblygiadau arloesol mewn cemeg, astroffiseg, meddygaeth, diogelwch, cyfathrebu, a mwy.

Fodd bynnag, mae barn hefyd na fydd y fath ragoriaeth byth yn bodoli, o leiaf nid yn y dyfodol rhagweladwy. Fersiwn ysgafnach o amheuaeth yw hynny ni fydd cyfrifiaduron cwantwm byth yn disodli cyfrifiaduron clasurol oherwydd nad ydynt wedi'u cynllunio i wneud hynny. Ni allwch ddisodli iPhone neu PC gyda pheiriant cwantwm, yn union fel na allwch ddisodli esgidiau tennis gyda chludwr awyrennau niwclear.. Mae cyfrifiaduron clasurol yn gadael i chi chwarae gemau, gwirio e-bost, syrffio'r we, a rhedeg rhaglenni. Yn y rhan fwyaf o achosion, mae cyfrifiaduron cwantwm yn perfformio efelychiadau sy'n rhy gymhleth ar gyfer systemau deuaidd sy'n rhedeg ar ddarnau cyfrifiadurol. Mewn geiriau eraill, ni fydd defnyddwyr unigol yn cael bron unrhyw fudd o'u cyfrifiadur cwantwm eu hunain, ond gwir fuddiolwyr y ddyfais fydd, er enghraifft, NASA neu Sefydliad Technoleg Massachusetts.

Amser a ddengys pa ddull sydd fwyaf priodol - IBM neu Google. Yn ôl cyfraith Neven, nid ydym ond ychydig fisoedd i ffwrdd o weld arddangosiad llawn o ragoriaeth cwantwm gan un tîm neu'r llall. Ac nid yw hyn bellach yn obaith “mewn deng mlynedd, hynny yw, does neb yn gwybod pryd.”