Hamar urte geroago inork ez daki noiz

Ordenagailu kuantikoei buruzko argitalpen mordoa irakurri duen pertsona gutxiago informatu bati, inpresioa izan lezake hauek ordenagailu arrunten antzera funtzionatzen duten "apaletik kanpoko" makinak direla. Ezin da ezer okerrago egon. Batzuek uste dute oraindik ez dagoela ordenagailu kuantikorik. Eta beste batzuk galdetzen dute zertarako erabiliko diren, ez baitira zero-bat sistema ordezkatzeko diseinatuta.

Askotan entzuten dugu hamarkada bat barru agertuko direla benetako eta behar bezala funtzionatzen duten lehen ordenagailu kuantikoak. Hala ere, Linley Gwennap-ek, Linley Group-eko analista nagusiak artikuluan adierazi duenez, "jendeak hamar urte barru ordenagailu kuantiko bat agertuko dela esaten duenean, ez daki noiz gertatuko den".

Egoera lauso hori izan arren, deiturikoen lehia giroa. nagusitasun kuantikoa. Lan kuantikoarekin eta txinatarren arrakastarekin kezkatuta, joan den abenduan AEBetako administrazioak National Quantum Initiative Acta onartu zuen (1). Dokumentuak konputazio eta teknologi kuantikoen ikerketa, garapena, demostrazioa eta aplikazioari laguntza federala ematea da. Hamar urte magiko batean, AEBetako gobernuak milioika milioi gastatuko ditu konputazio kuantikoko azpiegiturak, ekosistemak eta pertsonak kontratatzen. Ordenagailu kuantikoen garatzaile nagusi guztiek - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft eta Rigetti, baita 1QBit eta Zapata algoritmo kuantikoen sortzaileek ere ongi etorria izan zuten. Ekimen Kuantiko Nazionala.

D-WAve Aitzindariak

2007an, D-Wave Systems-ek 128 qubit-eko txip bat aurkeztu zuen (2), deitzen da munduko lehen ordenagailu kuantikoa. Hala ere, ez zegoen ziurtasunik horrela deitu zitekeen ala ez - bere obra baino ez zen erakusten, bere eraikuntzaren xehetasunik gabe. 2009an, D-Wave Systems-ek Googlerako irudi-bilatzaile "kuantiko" bat garatu zuen. 2011ko maiatzean, Lockheed Martinek D-Wave Systems-en ordenagailu kuantiko bat eskuratu zuen. D-uhin bat $ 10 milioiren truke, bere funtzionamendurako eta erlazionatutako algoritmoen garapenerako urte anitzeko kontratua sinatzen zuen bitartean.

2012an, makina honek energia gutxien duen proteina molekula helikoidala aurkitzeko prozesua frogatu zuen. D-Wave Systems-eko ikertzaileek zenbaki desberdinak dituzten sistemak erabiltzen dituzte qubitak, hainbat kalkulu matematiko egin zituen, eta horietako batzuk ordenagailu klasikoen gaitasunetatik urrun zeuden. Hala ere, 2014 hasieran, John Smolin eta Graham Smith-ek D-Wave Systems makina makina bat ez zela esaten zuen artikulu bat argitaratu zuten. Handik gutxira, Physics of Nature-k D-Wave One oraindik dagoela frogatzen duten esperimentuen emaitzak aurkeztu zituen ...

2014ko ekainean egindako beste proba batek ez zuen desberdintasunik erakutsi ordenagailu klasiko baten eta D-Wave Systems makina baten artean, baina konpainiak erantzun zuen aldea soilik nabaritzen zela proban ebatzitakoak baino zeregin konplexuagoetan. 2017 hasieran, konpainiak itxuraz osatutako makina bat aurkeztu zuen 2 mila qubitalgoritmo klasiko azkarrenak baino 2500 aldiz azkarragoa zena. Eta berriro ere, bi hilabete geroago, zientzialari talde batek frogatu zuen konparazio hori ez zela zehatza. Eszeptiko askorentzat, D-Wave sistemak oraindik ez dira ordenagailu kuantikoak, haienak baizik simulazioak metodo klasikoak erabiliz.

Laugarren belaunaldiko D-Wave sistema erabiltzen du recozimendu kuantikoaketa qubit-egoerak zirkuitu kuantiko supereroaleen bidez gauzatzen dira (Josephson-en lotuneetan oinarrituta). Zero absolututik hurbil dagoen ingurune batean funtzionatzen dute eta 2048 qubit-eko sistema dute. 2018 amaieran, D-Wave merkatuan sartu zen ERREBOTEA, hau da, zure denbora errealeko aplikazio kuantikoen ingurunea (KAE). Hodeiko irtenbideak kanpoko bezeroei denbora errealeko sarbidea eskaintzen die informatika kuantikorako.

2019ko otsailean, D-Wavek hurrengo belaunaldia iragarri zuen  Pegasus. "Munduko sistema kuantiko komertzial zabalena" zela iragarri zuten, seiren ordez qubit bakoitzeko hamabost konexiorekin. 5 qubit baino gehiago eta zarata murriztea orain arte ezezaguna den mailan aktibatzea. Datorren urtearen erdialdean agertu beharko litzateke gailua salgai.

Qubitak, edo gainjartzeak gehi korapilatzea

Ordenagailu prozesadore estandarrak pakete edo informazio zatietan oinarritzen dira, bakoitzak baiezko edo ezezko erantzun bakarra adierazten du. Prozesadore kuantikoak desberdinak dira. Ez dute lan egiten zero-bat munduan. ukondo-hezurra, informazio kuantikoaren unitate txikiena eta zatiezina deskribatutako bi dimentsioko sistema da Hilbert espazioa. Hori dela eta, beat klasikotik desberdina da, izan daitekeelakoan edozein gainjartze bi egoera kuantiko. Qubit baten eredu fisikoa gehienetan spin ½ duen partikula baten adibide gisa ematen da, hala nola elektroi bat, edo fotoi bakar baten polarizazioa.

Qubit-en boterea aprobetxatzeko, izeneko prozesu baten bidez konektatu behar dituzu nahasmena. Gehitutako qubit bakoitzarekin, prozesadorearen prozesatzeko ahalmena bikoitzak beraiek, entanglements kopurua qubit berri baten korapilatzearekin batera baitago prozesadorean dagoeneko eskuragarri dauden egoera guztiekin (3). Baina qubitak sortzea eta konbinatzea eta gero kalkulu korapilatsuak egiteko esatea ez da lan erraza. geratzen dira kanpoko eraginekiko oso sentikorrahorrek kalkulu akatsak sor ditzake eta, kasurik okerrenean, nahasitako qubiten desintegrazioa, alegia. dekoherentziasistema kuantikoen benetako madarikazioa dena. Qubit gehigarriak gehitzen diren heinean, kanpoko indarren ondorio kaltegarriak areagotzen dira. Arazo honi aurre egiteko modu bat osagarriak gaitzea da qubitak "KONTROLA"bere funtzio bakarra irteera egiaztatzea eta zuzentzea da.

3. 50 qubit-eko IBM sistemaren irudikapen sinbolikoa

Hala ere, horrek esan nahi du ordenagailu kuantiko indartsuagoak beharko direla, problema konplexuak konpontzeko erabilgarriak, hala nola proteina molekulak nola tolesten diren zehazteko edo atomoen barruko prozesu fisikoak simulatzeko. qubit asko. Herbehereetako Delft-eko Unibertsitateko Tom Watsonek BBC News-i esan dio berriki:

-

Laburbilduz, ordenagailu kuantikoak aireratuko badira, qubit prozesadore handi eta egonkorrak ekoizteko modu erraz bat asmatu behar duzu.

Qubitak ezegonkorrak direnez, oso zaila da haietako askorekin sistema bat sortzea. Beraz, azkenean, qubitek konputazio kuantikorako kontzeptu gisa huts egiten badute, zientzialariek badute alternatiba bat: qubit ate kuantikoak.

Purdue Unibertsitateko talde batek ikerketa bat argitaratu zuen npj Quantum Information aldizkarian haien sorrera zehazten duena. Zientzialariek hori uste dute kuditsqubitak ez bezala, bi egoera baino gehiagotan egon daitezke, hala nola 0, 1 eta 2, eta gehitutako egoera bakoitzeko, qudit baten konputazio-potentzia handitzen da. Beste era batera esanda, informazio kopuru bera kodetu eta prozesatu behar duzu. aintza gutxiago qubitak baino.

Qudit-ak dituzten ate kuantikoak sortzeko, Purdue taldeak lau qudit kodetu zituen bi fotoi korapilatuetan maiztasunaren eta denboraren arabera. Taldeak fotoiak aukeratu zituen, ez baitute ingurumenari hain erraz eragiten, eta hainbat domeinu erabiltzeak fotoi gutxiagorekin korapilatu gehiago ahalbidetzen zuen. Amaitutako ateak 20 qubit-eko prozesatzeko ahalmena zuen, nahiz eta lau qudit baino ez zituen behar, fotoien erabileragatik egonkortasun gehigarriarekin, etorkizuneko ordenagailu kuantikoentzako sistema itxaropentsu bihurtuz.

Silizio edo ioien tranpak

Guztiek iritzi hori partekatzen ez badute ere, ordenagailu kuantikoak eraikitzeko silizioa erabiltzeak onura handiak dituela dirudi, silizioaren teknologia ondo finkatuta baitago eta dagoeneko harekin lotutako industria handi bat baitago. Silizioa Google eta IBM prozesadore kuantikoetan erabiltzen da, nahiz eta horietan oso tenperatura baxuetara hozten den. Ez da material aproposa sistema kuantikoetarako, baina zientzialariak lanean ari dira.

Nature aldizkarian berriki argitaratutako baten arabera, ikertzaile talde batek mikrouhinen energia erabili zuen silizioan esekita zeuden bi elektroi partikula lerrokatzeko eta, ondoren, proba-kalkulu batzuk egiteko erabili zituen. Batez ere, Wisconsin-Madison Unibertsitateko zientzialariek elektroi bakarreko qubitak "esekitzen" zituzten siliziozko egitura batean, zeinaren bira mikrouhin-erradiazioaren energiak zehazten zuen. Gainposizio batean, elektroi bat bi ardatz ezberdinen inguruan biratzen zen aldi berean. Ondoren, bi qubitak konbinatu eta programatu ziren proba-kalkuluak egiteko, eta, ondoren, ikertzaileek sistemak sortutako datuak proba-kalkulu berak egiten zituen ordenagailu estandar batetik jasotako datuekin alderatu zituzten. Datuak zuzendu ondoren, programagarri bat bi biteko silizio kuantikoko prozesadorea.

Akatsen portzentajea oraindik ere ioien tranpa deritzonetan (ioiak, elektroiak, protoiak bezalako partikula kargatuak denbora pixka batean gordetzen dituzten gailuetan) edo ordenagailuetan baino askoz ere handiagoa bada ere.  D-Wave bezalako supereroaleetan oinarrituta, lorpena nabarmena izaten jarraitzen du, kanpoko zaratatik qubitak isolatzea oso zaila baita. Espezialistek aukerak ikusten dituzte sistema eskalatzeko eta hobetzeko. Eta silizioaren erabilerak, ikuspuntu teknologiko eta ekonomikotik, funtsezko garrantzia du hemen.

Hala ere, ikertzaile askorentzat silizioa ez da ordenagailu kuantikoen etorkizuna. Iazko abenduan, IonQ konpainia estatubatuarreko ingeniariek itterbioa erabili zuten munduko ordenagailu kuantikorik produktiboena sortzeko informazioa agertu zen, D-Wave eta IBM sistemak gaindituz.

Emaitza ioien tranpa batean atomo bakarra zuen makina bat izan zen (4) datu-qubit bakarra erabiltzen du kodetzeko, eta qubitak laser pultsu berezien bidez kontrolatzen eta neurtzen dira. Ordenagailuak 160 qubit datu gorde ditzakeen memoria du. 79 qubit-en aldi berean kalkuluak ere egin ditzake.

4. IonQ ioi-tranparen eskema

IonQ-eko zientzialariek deituriko proba estandar bat egin zuten Bernstein-Vaziraniego algoritmoa. Makinaren zeregina 0 eta 1023 arteko zenbaki bat asmatzea zen. Ordenagailu klasikoek hamaika asmakizun hartzen dituzte 10 biteko zenbaki baterako. Ordenagailu kuantikoek bi ikuspegi erabiltzen dituzte emaitza %100eko ziurtasunarekin asmatzeko. Lehenengo saiakeran, IonQ ordenagailu kuantikoak emandako zenbakien % 73 bataz beste asmatu zuen. Algoritmoa 1 eta 1023 bitarteko edozein zenbakitarako exekutatzen denean, ohiko ordenagailu baten arrakasta-tasa % 0,2koa da, eta IonQren kasuan, berriz, % 79koa.

IonQ-ko adituek uste dute ioi-tranpetan oinarritutako sistemak Google eta beste konpainia batzuk eraikitzen ari diren siliziozko ordenagailu kuantikoen gainetik daudela. Beren 79 qubit-eko matrizeak Google-ren Bristlecone prozesadore kuantikoari 7 qubit baino handiagoa du. IonQ-ren emaitza ere ikaragarria da sistemaren funtzionamenduari dagokionez. Makinaren sortzaileen arabera, qubit bakarrerako, %99,97an geratzen da, hau da, %0,03ko errore-tasa esan nahi du, eta lehiaketako emaitzarik onenak %0,5 ingurukoak izan ziren batez beste. IonQ gailuaren 99,3 biteko errore-tasa % 95koa izan beharko litzateke, eta lehiaketa gehienek % XNUMXetik gorakoa ez den bitartean.

Hori gehitzea merezi du, Google ikertzaileen arabera nagusitasun kuantikoa – Ordenagailu kuantiko batek erabilgarri dauden beste makina guztiak gainditzen dituen puntura – dagoeneko 49 qubit dituen ordenagailu kuantiko batekin irits daiteke, baldin eta bi qubit-eko ateetan errore-tasa % 0,5etik beherakoa bada. Hala ere, konputazio kuantikoan ioien tranpa metodoak oraindik gainditzeko oztopo handiak ditu: exekuzio denbora motela eta tamaina handia, baita teknologiaren zehaztasuna eta eskalagarritasuna ere.

Zifratuen gotorlekua hondakinetan eta beste ondorio batzuk

2019ko urtarrilean CES 2019-n, IBMko zuzendari nagusi Ginni Romettyk iragarri zuen IBM-k jadanik konputazio kuantikoko sistema integratua eskaintzen zuela merkataritza erabilerarako. IBM ordenagailu kuantikoak5) fisikoki New Yorken daude sistemaren zati gisa IBM Q System One. Q Network eta Q Quantum Computational Center erabiliz, garatzaileek erraz erabil dezakete Qiskit softwarea algoritmo kuantikoak konpilatzeko. Horrela, IBM ordenagailu kuantikoen konputazio ahalmena eskuragarri dago hodeiko informatika zerbitzua, arrazoizko prezioa.

D-Wavek ere horrelako zerbitzuak eskaintzen ditu aspalditik, eta beste eragile garrantzitsu batzuek (adibidez, Amazon) antzeko hodei kuantikoen eskaintzak antolatzen ari dira. Microsoft urrunago joan zen sarrerarekin Q# programazio-lengoaia (bezala ahoskatua) Visual Studio-rekin funtziona dezakeena eta ordenagailu eramangarri batean exekutatu daitekeena. Programatzaileek tresna bat dute algoritmo kuantikoak simulatzeko eta konputazio klasikoaren eta kuantikoaren arteko software-zubi bat sortzeko.

Hala ere, galdera da, zertarako izan daitezke benetan erabilgarriak ordenagailuak eta haien konputazio-potentzia? Joan den urrian Science aldizkarian argitaratutako ikerketa batean, IBMko, Waterlooko Unibertsitateko eta Municheko Unibertsitate Teknikoko zientzialariek ordenagailu kuantikoak ebazteko egokienak diruditen arazo motak hurbiltzen saiatu ziren.

Ikerketaren arabera, horrelako gailu konplexuak konpontzeko gai izango dira aljebra lineala eta optimizazio-problemak. Lausoa dirudi, baina gaur egun esfortzu, baliabide eta denbora asko eskatzen duten eta batzuetan gure eskura ez dauden arazoei irtenbide errazagoak eta merkeagoak emateko aukerak egon daitezke.

5. IBM ordenagailu kuantikoa

Konputazio kuantikoa erabilgarria kriptografiaren eremua diametralki aldatzea. Horiei esker, zifratze-kodeak azkar pitzatu litezke eta, beharbada, blockchain teknologia suntsitu egingo da. Gaur egun, RSA enkriptatzea munduko datu eta komunikazio gehienak babesten dituen defentsa sendo eta suntsigaitza da. Hala ere, nahikoa indartsu ordenagailu kuantiko batek erraz egin dezake crack RSA enkriptatzea laguntzarekin Shoraren algoritmoa.

Nola saihestu? Zenbaitek enkriptazio-gako publikoen luzera deszifratze kuantikoa gainditzeko behar den tamainara areagotzea defendatzen dute. Beste batzuentzat, bakarrik erabili behar da komunikazio seguruak bermatzeko. Kriptografia kuantikoari esker, datuak atzemateak berak hondatuko lituzke, eta, ondoren, partikula oztopatzen duen pertsonak ezingo luke informazio baliagarria eskuratu, eta hartzaileak entzuteko saiakeraz ohartaraziko luke.

Konputazio kuantikoaren balizko aplikazioak ere maiz aipatzen dira. analisi eta aurreikuspen ekonomikoak. Sistema kuantikoei esker, merkatuaren portaeraren eredu konplexuak zabaldu daitezke, lehen baino aldagai askoz gehiago barne hartzeko, diagnostiko eta iragarpen zehatzagoak lortzeko. Ordenagailu kuantiko batek milaka aldagai aldi berean prozesatuz gero, garapenerako behar den denbora eta kostua murriztea ere posible izango litzateke. droga berriak, garraio eta logistika irtenbideak, hornikuntza kateak, klima ereduakbaita konplexutasun erraldoiko beste hainbat arazo konpontzeko ere.

Nevenaren legea

Konputagailu zaharren munduak bere Moore-ren legea zuen, eta ordenagailu kuantikoek, berriz, deritzonak gidatu behar dituzte. Nevenaren legea. Bere izena Google-ko espezialista kuantiko garrantzitsuenetako bati zor dio, Hartmut Nevena (6), zeinak konputazio kuantikoko teknologian aurrerapenak egiten ari direla dio abiadura esponentzial bikoitza.

Horrek esan nahi du segidako iterazioekin errendimendua bikoiztu beharrean, ordenagailu klasikoekin eta Moore-ren legearekin gertatzen zen bezala, teknologia kuantikoak errendimendua askoz azkarrago hobetzen duela.

Adituek nagusitasun kuantikoaren etorrera iragartzen dute, zeina ordenagailu kuantikoen nagusitasunera ez ezik, beste modu batzuetan ere itzul daitekeena, ordenagailu kuantiko erabilgarrien aro baten hasiera gisa. Horrek kimikan, astrofisikan, medikuntzan, segurtasunean, komunikazioetan eta abarretan aurrerapenetarako bidea emango du.

Hala ere, nagusitasun hori ez dela inoiz existituko iritzia ere badago, ez behintzat etorkizun hurbilean. Eszeptizismoaren bertsio leunagoa da hori Ordenagailu kuantikoek ez dituzte inoiz ordenagailu klasikoak ordezkatuko, ez daudelako horretarako diseinatuta. Ezin duzu iPhone edo PC bat makina kuantiko batekin ordezkatu, teniseko oinetakoak ordezkatu ezin dituzun bezala... hegazkin-ontzi nuklear batekin.. Ordenagailu klasikoek jokoetara jolasteko, posta elektronikoa egiaztatzeko, sarean nabigatzeko eta programak exekutatzeko aukera ematen dute. Ordenagailu kuantikoek kasu gehienetan konplexuegiak diren simulazioak egiten dituzte ordenagailu-bitetan exekutatzen diren sistema bitarrentzat. Beste era batera esanda, kontsumitzaile indibidualek ez dute ia onurarik izango euren ordenagailu kuantikotik, baina asmakizunaren benetako onuradunak NASA edo Massachusetts Institute of Technology izango dira, adibidez.

Denborak esango du zein den egokiagoa den ikuspegia: IBM edo Google. Nevenen legearen arabera, hilabete batzuk baino ez ditugu falta talde batek edo besteek nagusitasun kuantikoaren erabateko erakustaldia ikusteko. Eta hori jada ez da "hamar urte barru, hau da, inork ez daki noiz".