十年後誰也不知道什麼時候
對於一個閱讀過大量有關量子計算機的出版物的消息靈通的人來說，人們可能會覺得這些是“現成的”機器，其工作方式與普通計算機相同。 沒有什麼比這更糟糕的了。 有些人甚至認為還沒有量子計算機。 其他人想知道它們將用於什麼，因為它們並非旨在取代零一系統。
我們經常聽到第一台真正的、功能正常的量子計算機將在大約十年內出現。 然而，正如 Linley Group 首席分析師 Linley Gwennap 在文章中指出的那樣，“當人們說量子計算機將在十年後出現時，他們不知道它何時會發生。”
儘管有這種模糊的情況，所謂的競爭氣氛。 量子優勢。 出於對量子工作和中國人成功的擔憂，美國政府去年 XNUMX 月通過了《國家量子倡議法案》（1）。 該文件旨在為量子計算和技術的研究、開發、演示和應用提供聯邦支持。 在神奇的十年內，美國政府將花費數十億美元建設量子計算基礎設施、生態系統和招聘人員。 量子計算機的所有主要開發商——D-Wave、霍尼韋爾、IBM、英特爾、IonQ、微軟和 Rigetti，以及量子算法的創造者 1QBit 和 Zapata 都對此表示歡迎。 國家量子計劃.
D-Wave 先鋒
2007 年，D-Wave Systems 推出了 128 量子位芯片（2）， 叫做 世界上第一台量子計算機. 然而，不確定是否可以這樣稱呼 - 只展示了他的作品，沒有任何他的建築細節。 2009年，D-Wave Systems為谷歌開發了“量子”圖像搜索引擎。 2011 年 XNUMX 月，洛克希德馬丁公司從 D-Wave Systems 獲得了一台量子計算機。 D波一 10 萬美元，同時簽署了一份多年期合同，用於運營和開發相關算法。
2012年，這台機器演示了尋找能量最低的螺旋蛋白分子的過程。 D-Wave Systems 的研究人員使用不同編號的系統 量子比特，執行了許多數學計算，其中一些遠遠超出了經典計算機的能力。 然而，在 2014 年初，John Smolin 和 Graham Smith 發表了一篇文章，聲稱 D-Wave Systems 機器不是機器。 此後不久，《自然物理學》展示了實驗結果，證明 D-Wave One 仍然...
2014 年 2017 月的另一項測試顯示，經典計算機和 D-Wave Systems 機器之間沒有區別，但該公司回應說，只有在比測試中解決的任務更複雜的任務中，這種差異才明顯。 XNUMX 年初，該公司推出了一款表面上由 2 個量子比特這比最快的經典算法快 2500 倍。 再一次，兩個月後，一組科學家證明這種比較是不准確的。 對於許多懷疑論者來說，D-Wave 系統仍然不是量子計算機，而是它們的 模擬 使用經典方法。
第四代 D-Wave 系統採用 量子退火量子比特的狀態是通過超導量子電路（基於所謂的約瑟夫森結）實現的。 它們在接近絕對零的環境中運行，並擁有 2048 個量子比特的系統。 2018年底，D-Wave推向市場 JUMP，也就是說，你的 實時量子應用環境 (KAE)。 雲解決方案為外部客戶提供了對量子計算的實時訪問。
2019 年 XNUMX 月，D-Wave 宣布下一代 飛馬. 它被宣佈為“世界上最廣泛的商業量子系統”，每個量子比特有 XNUMX 個連接，而不是 XNUMX 個， 超過 5 個量子位 並以以前未知的水平打開降噪。 該設備應該會在明年年中上市銷售。
量子比特，或疊加加糾纏
標準計算機處理器依賴於信息包或信息片段，每個信息代表一個是或否的答案。 量子處理器是不同的。 它們在零一世界中不起作用. 肘骨，量子信息的最小和不可分割的單位是所描述的二維繫統 希爾伯特空間. 因此，它與經典節拍的不同之處在於它可以在 任何疊加 兩個量子態。 量子比特的物理模型通常作為具有自旋 ½ 的粒子的示例給出，例如電子或單個光子的極化。
要利用量子位的力量，您必須通過一個名為 混亂. 每增加一個量子比特，處理器的處理能力 雙打 你自己，因為糾纏的數量伴隨著一個新的量子比特與處理器中已經可用的所有狀態的糾纏（3）。 但是創建和組合量子比特，然後告訴它們進行複雜的計算並不是一件容易的事。 他們留下 對外部影響極為敏感這可能導致計算錯誤，在最壞的情況下，會導致糾纏量子位的衰減，即 退相干這是量子系統的真正詛咒。 隨著額外量子比特的添加，外力的不利影響會增加。 解決此問題的一種方法是啟用額外的 量子比特 “控制”它的唯一功能是檢查和更正輸出。
3. 50-qubit IBM 系統的符號表示
然而，這意味著將需要更強大的量子計算機，用於解決複雜問題，例如確定蛋白質分子如何折疊或模擬原子內部的物理過程。 許多量子比特. 荷蘭代爾夫特大學的湯姆沃森最近告訴 BBC 新聞：
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簡而言之，如果量子計算機要起飛，你需要想出一種簡單的方法來生產大型且穩定的量子比特處理器。
由於量子位是不穩定的，因此很難創建一個包含許多量子位的系統。 因此，如果最終將量子位作為量子計算的概念失敗了，科學家們有一個替代方案：量子位量子門。
普渡大學的一個團隊在 npj Quantum Information 上發表了一項研究，詳細介紹了他們的創作。 科學家們認為 學問與量子位不同的是，它們可以存在於兩種以上的狀態，例如 0、1 和 2，並且每增加一個狀態，一個 qudit 的計算能力就會增加。 換句話說，您需要對相同數量的信息進行編碼和處理。 少光榮 比量子比特。
為了創建包含 qudits 的量子門，Purdue 團隊在頻率和時間方面將四個 qudit 編碼為兩個糾纏光子。 該團隊選擇光子是因為它們不會輕易影響環境，並且使用多個域允許使用更少的光子進行更多的糾纏。 完成的門具有 20 個量子比特的處理能力，儘管它只需要 XNUMX 個量子比特，並且由於使用了光子而具有額外的穩定性，使其成為未來量子計算機的一個有前途的系統。
矽或離子阱
雖然不是每個人都同意這種觀點，但使用矽來構建量子計算機似乎有巨大的好處，因為矽技術已經成熟，並且已經有一個龐大的產業與之相關。 矽用於谷歌和 IBM 的量子處理器，儘管它在它們中被冷卻到非常低的溫度。 它不是量子系統的理想材料，但科學家們正在研究它。
根據最近發表在《自然》雜誌上的一篇文章，一組研究人員使用微波能量來對齊懸浮在矽中的兩個電子粒子，然後用它們進行一系列測試計算。 該小組特別包括威斯康星大學麥迪遜分校的科學家，他們將單電子量子比特“懸浮”在矽結構中，其自旋由微波輻射的能量決定。 在疊加中，一個電子同時圍繞兩個不同的軸旋轉。 然後將兩個量子位組合併編程以執行測試計算，之後研究人員將系統生成的數據與從執行相同測試計算的標準計算機接收的數據進行比較。 校正數據後，可編程 兩位量子矽處理器.
儘管錯誤的百分比仍然遠高於所謂的離子阱（離子、電子、質子等帶電粒子存儲一段時間的設備）或計算機 基於 D-Wave 等超導體，這一成就仍然非常顯著，因為將量子比特與外部噪聲隔離是極其困難的。 專家們看到了擴展和改進系統的機會。 從技術和經濟的角度來看，矽的使用在這里至關重要。
然而，對於許多研究人員來說，矽並不是量子計算機的未來。 去年 XNUMX 月，有消息稱美國公司 IonQ 的工程師使用鐿製造了世界上生產力最高的量子計算機，超過了 D-Wave 和 IBM 系統。
結果是一台在離子阱中包含單個原子的機器（4) 使用單個數據量子位進行編碼，並使用特殊的激光脈衝控制和測量量子位。 這台計算機有一個內存，可以存儲 160 個量子比特的數據。 它還可以同時在 79 個量子位上進行計算。
4. IonQ 離子阱方案
IonQ 的科學家對所謂的 Bernstein-Vaziranian 算法. 機器的任務是猜測一個 0 到 1023 之間的數字。經典計算機需要十一次猜測一個 10 位數字。 量子計算機使用兩種方法來 100% 確定地猜測結果。 在第一次嘗試中，IonQ 量子計算機平均猜到了給定數字的 73%。 當算法對 1 到 1023 之間的任何數字運行時，普通計算機的成功率為 0,2%，而 IonQ 為 79%。
IonQ 專家認為，基於離子阱的系統優於谷歌和其他公司正在建造的矽量子計算機。 他們的 79 量子位矩陣比谷歌的 Bristlecone 量子處理器高出 7 個量子位。 在系統正常運行時間方面，IonQ 的結果也是驚人的。 據該機器的創造者稱，對於單個量子比特，它保持在 99,97%，這意味著錯誤率為 0,03%，而比賽的最佳結果平均約為 0,5%。 IonQ 設備的兩位錯誤率應為 99,3%，而大多數競爭對手不超過 95%。
據谷歌研究人員稱，值得補充的是 量子霸權 - 量子計算機優於所有其他可用機器的點 - 已經可以通過具有 49 個量子位的量子計算機達到，前提是雙量子位門的錯誤率低於 0,5%。 然而，量子計算中的離子阱方法仍然面臨著需要克服的主要障礙：執行時間慢和體積龐大，以及該技術的準確性和可擴展性。
廢墟中的密碼堡壘和其他後果
在 2019 年 2019 月的 CES XNUMX 上，IBM 首席執行官 Ginni Rometty 宣布 IBM 已經在提供用於商業用途的集成量子計算系統。 IBM 量子計算機5) 作為系統的一部分，物理上位於紐約 IBM Q系統一. 使用 Q Network 和 Q Quantum Computational Center，開發人員可以輕鬆使用 Qiskit 軟件編譯量子算法。 因此，IBM 量子計算機的計算能力可作為 雲計算服務， 合理的價格。
D-Wave 提供此類服務已有一段時間了，其他主要參與者（如亞馬遜）也在計劃提供類似的量子云產品。 微軟在介紹中走得更遠 Q#編程語言 （發音為）可以與 Visual Studio 一起使用並在筆記本電腦上運行。 程序員有一個工具來模擬量子算法並在經典計算和量子計算之間建立軟件橋樑。
然而，問題是，計算機及其計算能力究竟有什麼用處？ 在去年 XNUMX 月發表在《科學》雜誌上的一項研究中，來自 IBM、滑鐵盧大學和慕尼黑工業大學的科學家們試圖估計量子計算機似乎最適合解決的問題類型。
根據研究，此類設備將能夠解決複雜的 線性代數和優化問題. 這聽起來很模糊，但對於目前需要大量努力、資源和時間，有時甚至超出我們能力範圍的問題，可能會有更簡單、更便宜的解決方案。
5.IBM量子計算機
有用的量子計算 徹底改變密碼學領域. 多虧了他們，加密代碼可以被快速破解，並且可能， 區塊鏈技術將被摧毀. RSA 加密現在似乎是一種強大且堅不可摧的防禦措施，可以保護世界上的大部分數據和通信。 然而，足夠強大的量子計算機可以輕鬆地 破解RSA加密 在...的幫助下 Shora 算法.
如何預防？ 一些人主張將公共加密密鑰的長度增加到克服量子解密所需的大小。 對於其他人，應單獨使用它以確保安全通信。 多虧了量子密碼學，攔截數據的行為本身就會破壞它們，之後乾擾粒子的人將無法從中獲得有用的信息，並且接收者將被警告竊聽企圖。
量子計算的潛在應用也經常被提及。 經濟分析和預測. 借助量子系統，可以擴展複雜的市場行為模型以包含比以前更多的變量，從而實現更準確的診斷和預測。 通過量子計算機同時處理數千個變量，還可以減少開發所需的時間和成本。 新藥、運輸和物流解決方案、供應鏈、氣候模型以及解決許多其他巨大復雜的問題。
內維納定律
舊計算機的世界有自己的摩爾定律，而量子計算機必須遵循所謂的 內維納定律. 他的名字歸功於谷歌最傑出的量子專家之一， 哈特穆特·內維納 (6)，其中指出目前正在取得量子計算技術的進步 雙指數速度.
這意味著量子技術不會像經典計算機和摩爾定律那樣通過連續迭代使性能翻倍，而是更快地提高性能。
專家預測量子優越性的出現，它不僅可以轉化為量子計算機優於任何經典計算機的優越性，還可以以其他方式轉化為有用的量子計算機時代的開始。 這將為化學、天體物理學、醫學、安全、通信等領域的突破鋪平道路。
然而，也有一種觀點認為，這種優勢永遠不會存在，至少在可預見的未來不會存在。 一種較為溫和的懷疑態度是 量子計算機永遠不會取代經典計算機，因為它們的設計初衷並非如此。 你不能用量子機器代替 iPhone 或 PC，就像你不能用核航空母艦代替網球鞋一樣。. 經典電腦可讓您玩遊戲、查看電子郵件、上網和運行程序。 在大多數情況下，量子計算機執行的模擬對於在計算機位上運行的二進制系統來說過於復雜。 換句話說，個人消費者幾乎不會從他們自己的量子計算機中獲得任何好處，但本發明的真正受益者將是，例如，NASA 或麻省理工學院。
時間會證明哪種方法更合適——IBM 還是谷歌。 根據尼文定律，我們距離看到一個或另一個團隊充分展示量子優勢只有幾個月的時間。 這不再是“十年後，也就是沒人知道什麼時候”的前景。
