Dieci anni dopo nessuno sa quando

Per una persona meno informata che ha letto un sacco di pubblicazioni sui computer quantistici, si potrebbe avere l'impressione che si tratti di macchine "pronte all'uso" che funzionano allo stesso modo dei normali computer. Niente potrebbe essere più sbagliato. Alcuni credono addirittura che non ci siano ancora computer quantistici. E altri si chiedono a cosa serviranno, dal momento che non sono progettati per sostituire i sistemi zero-one.

Sentiamo spesso dire che i primi computer quantistici reali e correttamente funzionanti appariranno tra circa un decennio. Tuttavia, come ha osservato nell'articolo Linley Gwennap, analista capo del Linley Group, "quando le persone dicono che un computer quantistico apparirà tra dieci anni, non sanno quando accadrà".

Nonostante questa vaga situazione, l'atmosfera di competizione per i cosiddetti. dominanza quantistica. Preoccupata per il lavoro quantistico e il successo dei cinesi, l'amministrazione statunitense lo scorso dicembre ha approvato il National Quantum Initiative Act (1). Il documento ha lo scopo di fornire supporto federale per la ricerca, lo sviluppo, la dimostrazione e l'applicazione dell'informatica e delle tecnologie quantistiche. In dieci anni magici, il governo degli Stati Uniti spenderà miliardi per costruire infrastrutture di calcolo quantistico, ecosistemi e reclutare persone. Tutti i principali sviluppatori di computer quantistici - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft e Rigetti, nonché i creatori di algoritmi quantistici 1QBit e Zapata hanno accolto favorevolmente questo. Iniziativa Quantistica Nazionale.

Pionieri D-WAve

Nel 2007, D-Wave Systems ha introdotto un chip da 128 qubit (2), è chiamato il primo computer quantistico al mondo. Tuttavia, non c'era certezza se si potesse chiamare così: veniva mostrato solo il suo lavoro, senza alcun dettaglio della sua costruzione. Nel 2009, D-Wave Systems ha sviluppato un motore di ricerca di immagini "quantistico" per Google. Nel maggio 2011, Lockheed Martin ha acquisito un computer quantistico da D-Wave Systems. Onda D uno per $ 10 milioni, mentre si firma un contratto pluriennale per il suo funzionamento e lo sviluppo dei relativi algoritmi.

Nel 2012, questa macchina ha dimostrato il processo per trovare la molecola proteica elicoidale con l'energia più bassa. I ricercatori di D-Wave Systems utilizzano sistemi con numeri diversi qubit, eseguiva una serie di calcoli matematici, alcuni dei quali erano ben oltre le capacità dei computer classici. Tuttavia, all'inizio del 2014, John Smolin e Graham Smith hanno pubblicato un articolo in cui si affermava che la macchina D-Wave Systems non era una macchina. Poco dopo, Physics of Nature ha presentato i risultati di esperimenti dimostrando che D-Wave One è ancora ...

Un altro test condotto nel giugno 2014 non ha mostrato alcuna differenza tra un computer classico e una macchina D-Wave Systems, ma l'azienda ha risposto che la differenza era evidente solo per compiti più complessi rispetto a quelli risolti nel test. All'inizio del 2017, l'azienda ha presentato una macchina apparentemente composta da 2mila qubitche era 2500 volte più veloce degli algoritmi classici più veloci. E ancora, due mesi dopo, un gruppo di scienziati ha dimostrato che questo confronto non era accurato. Per molti scettici, i sistemi D-Wave non sono ancora computer quantistici, ma loro simulazioni utilizzando metodi classici.

Utilizza il sistema D-Wave di quarta generazione ricottura quantisticae gli stati di un qubit sono realizzati mediante circuiti quantistici superconduttori (basati sulle cosiddette giunzioni Josephson). Operano in un ambiente prossimo allo zero assoluto e vantano un sistema di 2048 qubit. Alla fine del 2018, D-Wave è stato introdotto sul mercato RIMBALZO, cioè il tuo ambiente applicativo quantistico in tempo reale (KAE). La soluzione cloud fornisce ai clienti esterni l'accesso in tempo reale al calcolo quantistico.

Nel febbraio 2019, D-Wave ha annunciato la prossima generazione  Pegasus. È stato annunciato come "il sistema quantistico commerciale più esteso del mondo" con quindici connessioni per qubit anziché sei, con oltre 5 qubit e attivare la riduzione del rumore a un livello precedentemente sconosciuto. Il dispositivo dovrebbe apparire in vendita a metà del prossimo anno.

Qubit, o sovrapposizioni più entanglement

I processori per computer standard si basano su pacchetti o informazioni, ciascuno dei quali rappresenta una singola risposta sì o no. I processori quantistici sono diversi. Non funzionano in un mondo zero-uno. osso del gomito, l'unità più piccola e indivisibile di informazione quantistica è il sistema bidimensionale descritto Spazio di Hilbert. Pertanto, si differenzia dal ritmo classico in quanto può essere inserito qualsiasi sovrapposizione due stati quantistici. Il modello fisico di un qubit viene spesso fornito come esempio di una particella con spin ½, come un elettrone, o la polarizzazione di un singolo fotone.

Per sfruttare la potenza dei qubit, devi connetterli tramite un processo chiamato confusione. Con ogni qubit aggiunto, la potenza di elaborazione del processore doppio da soli, poiché il numero di entanglement è accompagnato dall'entanglement di un nuovo qubit con tutti gli stati già disponibili nel processore (3). Ma creare e combinare qubit e poi dire loro di eseguire calcoli complessi non è un compito facile. Essi stanno estremamente sensibile alle influenze esterneche possono portare ad errori di calcolo e, nel peggiore dei casi, al decadimento di qubit entangled, cioè decoerenzache è la vera maledizione dei sistemi quantistici. Man mano che vengono aggiunti ulteriori qubit, aumentano gli effetti negativi delle forze esterne. Un modo per affrontare questo problema è abilitare ulteriori qubit "Controllo"la cui unica funzione è controllare e correggere l'output.

3. Rappresentazione simbolica del sistema IBM a 50 qubit

Tuttavia, ciò significa che saranno necessari computer quantistici più potenti, utili per risolvere problemi complessi, come determinare come si piegano le molecole proteiche o simulare i processi fisici all'interno degli atomi. molti qubit. Tom Watson dell'Università di Delft nei Paesi Bassi ha recentemente dichiarato a BBC News:

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In breve, se i computer quantistici devono decollare, è necessario trovare un modo semplice per produrre processori qubit grandi e stabili.

Poiché i qubit sono instabili, è estremamente difficile creare un sistema con molti di essi. Quindi, se, alla fine, i qubit come concetto per il calcolo quantistico falliscono, gli scienziati hanno un'alternativa: le porte quantistiche dei qubit.

Un team della Purdue University ha pubblicato uno studio su npj Quantum Information che descrive in dettaglio la loro creazione. Gli scienziati lo credono complimentia differenza dei qubit, possono esistere in più di due stati, come 0, 1 e 2, e per ogni stato aggiunto, la potenza di calcolo di un qudit aumenta. In altre parole, è necessario codificare ed elaborare la stessa quantità di informazioni. meno gloria rispetto ai qubit.

Per creare porte quantistiche contenenti qudit, il team di Purdue ha codificato quattro qudit in due fotoni entangled in termini di frequenza e tempo. Il team ha scelto i fotoni perché non influenzano l'ambiente con la stessa facilità e l'utilizzo di più domini ha consentito un maggiore entanglement con meno fotoni. Il gate finito aveva una potenza di elaborazione di 20 qubit, sebbene richiedesse solo quattro qudit, con una maggiore stabilità dovuta all'uso dei fotoni, rendendolo un sistema promettente per i futuri computer quantistici.

Silicio o trappole ioniche

Sebbene non tutti condividano questa opinione, l'uso del silicio per costruire computer quantistici sembra avere enormi vantaggi, poiché la tecnologia del silicio è ben consolidata e c'è già una grande industria ad essa associata. Il silicio è utilizzato nei processori quantistici di Google e IBM, sebbene sia raffreddato a temperature molto basse al loro interno. Non è il materiale ideale per i sistemi quantistici, ma gli scienziati ci stanno lavorando.

Secondo una recente pubblicazione su Nature, un team di ricercatori ha utilizzato l'energia delle microonde per allineare due particelle di elettroni sospese nel silicio e poi le ha utilizzate per eseguire una serie di calcoli di prova. Il gruppo, che comprendeva in particolare scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison, ha "sospeso" qubit di elettroni singoli in una struttura di silicio, il cui spin era determinato dall'energia della radiazione a microonde. In una sovrapposizione, un elettrone ruotava simultaneamente attorno a due assi diversi. I due qubit sono stati quindi combinati e programmati per eseguire calcoli di test, dopodiché i ricercatori hanno confrontato i dati generati dal sistema con i dati ricevuti da un computer standard che esegue gli stessi calcoli di test. Dopo aver corretto i dati, un programmabile processore di silicio quantistico a due bit.

Sebbene la percentuale di errori sia ancora molto più alta rispetto alle cosiddette trappole ioniche (dispositivi in ​​cui vengono immagazzinate per qualche tempo particelle cariche come ioni, elettroni, protoni) o computer  basato su superconduttori come D-Wave, il risultato rimane notevole poiché isolare i qubit dal rumore esterno è estremamente difficile. Gli specialisti vedono opportunità per ridimensionare e migliorare il sistema. E l'uso del silicio, dal punto di vista tecnologico ed economico, è qui di fondamentale importanza.

Tuttavia, per molti ricercatori, il silicio non è il futuro dei computer quantistici. Nel dicembre dello scorso anno, sono emerse informazioni secondo cui gli ingegneri dell'azienda americana IonQ hanno utilizzato l'itterbio per creare il computer quantistico più produttivo del mondo, superando i sistemi D-Wave e IBM.

Il risultato fu una macchina che conteneva un singolo atomo in una trappola ionica (4) utilizza un singolo qubit di dati per la codifica e i qubit vengono controllati e misurati mediante speciali impulsi laser. Il computer ha una memoria in grado di memorizzare 160 qubit di dati. Può anche eseguire calcoli contemporaneamente su 79 qubit.

4. Schema della trappola ionica IonQ

Gli scienziati di IonQ hanno condotto un test standard del cosiddetto Algoritmo di Bernstein-Vaziraniego. Il compito della macchina era di indovinare un numero compreso tra 0 e 1023. I computer classici accettano undici ipotesi per un numero a 10 bit. I computer quantistici utilizzano due approcci per indovinare il risultato con certezza al 100%. Al primo tentativo, il computer quantistico IonQ ha indovinato una media del 73% dei numeri dati. Quando l'algoritmo viene eseguito per qualsiasi numero compreso tra 1 e 1023, la percentuale di successo per un computer tipico è dello 0,2%, mentre per IonQ è del 79%.

Gli esperti di IonQ ritengono che i sistemi basati su trappole ioniche siano superiori ai computer quantistici al silicio che Google e altre aziende stanno costruendo. La loro matrice a 79 qubit supera di 7 qubit il processore quantistico Bristlecone di Google. Il risultato di IonQ è anche sensazionale quando si tratta di uptime del sistema. Secondo i creatori della macchina, per un singolo qubit rimane al 99,97%, il che significa un tasso di errore dello 0,03%, mentre i migliori risultati della concorrenza sono in media di circa lo 0,5%. Il tasso di errore a 99,3 bit per il dispositivo IonQ dovrebbe essere del 95%, mentre la maggior parte della concorrenza non supera il XNUMX%.

Vale la pena aggiungerlo, secondo i ricercatori di Google supremazia quantistica – il punto in cui un computer quantistico supera tutte le altre macchine disponibili – può già essere raggiunto con un computer quantistico con 49 qubit, a condizione che il tasso di errore sulle porte a due qubit sia inferiore allo 0,5%. Tuttavia, il metodo della trappola ionica nel calcolo quantistico deve ancora superare grossi ostacoli: tempi di esecuzione lenti e dimensioni enormi, oltre all'accuratezza e alla scalabilità della tecnologia.

Roccaforte di cifrari in rovina e altre conseguenze

Nel gennaio 2019 al CES 2019, il CEO di IBM Ginni Rometty ha annunciato che IBM stava già offrendo un sistema di calcolo quantistico integrato per uso commerciale. Computer quantistici IBM5) si trovano fisicamente a New York come parte del sistema IBM Q System One. Utilizzando il Q Network e il Q Quantum Computational Center, gli sviluppatori possono facilmente utilizzare il software Qiskit per compilare algoritmi quantistici. Pertanto, la potenza di calcolo dei computer quantistici IBM è disponibile come servizio di cloud computing, dal costo ragionevole.

D-Wave fornisce anche servizi di questo tipo da tempo e altri importanti attori (come Amazon) stanno pianificando offerte simili di cloud quantistico. Microsoft è andata oltre con l'introduzione Linguaggio di programmazione Q# (pronunciato come) che può funzionare con Visual Studio ed essere eseguito su un laptop. I programmatori hanno uno strumento per simulare algoritmi quantistici e creare un ponte software tra il calcolo classico e quello quantistico.

Tuttavia, la domanda è: a cosa possono effettivamente essere utili i computer e la loro potenza di calcolo? In uno studio pubblicato lo scorso ottobre sulla rivista Science, scienziati dell'IBM, dell'Università di Waterloo e dell'Università tecnica di Monaco hanno tentato di approssimare i tipi di problemi che i computer quantistici sembrano più adatti a risolvere.

Secondo lo studio, tali dispositivi saranno in grado di risolvere complessi algebra lineare e problemi di ottimizzazione. Sembra vago, ma potrebbero esserci opportunità per soluzioni più semplici ed economiche a problemi che attualmente richiedono molto impegno, risorse e tempo e che a volte sono fuori dalla nostra portata.

5. Computer quantistico IBM

Utile calcolo quantistico cambiare diametralmente il campo della crittografia. Grazie a loro, i codici di crittografia potrebbero essere rapidamente decifrati e, possibilmente, la tecnologia blockchain sarà distrutta. La crittografia RSA ora sembra essere una difesa forte e indistruttibile che protegge la maggior parte dei dati e delle comunicazioni nel mondo. Tuttavia, un computer quantistico sufficientemente potente può facilmente decifrare la crittografia RSA via L'algoritmo di Shor.

Come prevenirlo? Alcuni sostengono di aumentare la lunghezza delle chiavi di crittografia pubbliche alla dimensione necessaria per superare la decrittografia quantistica. Per altri, dovrebbe essere usato da solo per garantire comunicazioni sicure. Grazie alla crittografia quantistica, l'atto stesso di intercettare i dati li corromperebbe, dopodiché la persona che interferisce con la particella non sarebbe in grado di ricavarne informazioni utili e il destinatario verrebbe avvisato del tentativo di intercettazione.

Vengono spesso citate anche le potenziali applicazioni del calcolo quantistico. analisi e previsioni economiche. Grazie ai sistemi quantistici, i modelli complessi del comportamento del mercato possono essere ampliati per includere molte più variabili rispetto a prima, portando a diagnosi e previsioni più accurate. Elaborando simultaneamente migliaia di variabili da un computer quantistico, sarebbe anche possibile ridurre i tempi ei costi necessari per lo sviluppo. nuovi farmaci, soluzioni di trasporto e logistica, filiere, modelli climaticicosì come per risolvere molti altri problemi di enorme complessità.

La legge di Nevena

Il mondo dei vecchi computer aveva la sua legge di Moore, mentre i computer quantistici devono essere guidati dalla cosiddetta La legge di Nevena. Deve il suo nome a uno dei più importanti specialisti quantistici di Google, Hartmut Nevena (6), in cui si afferma che sono attualmente in corso progressi nella tecnologia del calcolo quantistico doppia velocità esponenziale.

Ciò significa che invece di raddoppiare le prestazioni con iterazioni successive, come nel caso dei computer classici e della legge di Moore, la tecnologia quantistica migliora le prestazioni molto più velocemente.

Gli esperti prevedono l'avvento della superiorità quantistica, che può essere tradotta non solo nella superiorità dei computer quantistici rispetto a quelli classici, ma anche in altri modi, come l'inizio di un'era di utili computer quantistici. Ciò aprirà la strada a scoperte in chimica, astrofisica, medicina, sicurezza, comunicazioni e altro ancora.

Tuttavia, c'è anche un'opinione secondo cui tale superiorità non esisterà mai, almeno non nel prossimo futuro. Una versione più mite dello scetticismo è quella i computer quantistici non sostituiranno mai i computer classici perché non sono progettati per farlo. Non puoi sostituire un iPhone o un PC con una macchina quantistica, così come non puoi sostituire le scarpe da tennis con una portaerei nucleare.. I computer classici ti consentono di giocare, controllare la posta elettronica, navigare sul Web ed eseguire programmi. I computer quantistici nella maggior parte dei casi eseguono simulazioni troppo complesse per i sistemi binari in esecuzione su bit di computer. In altre parole, i singoli consumatori non trarranno quasi alcun beneficio dal proprio computer quantistico, ma i veri beneficiari dell'invenzione saranno, ad esempio, la NASA o il Massachusetts Institute of Technology.

Il tempo dirà quale approccio è più appropriato: IBM o Google. Secondo la legge di Neven, mancano solo pochi mesi per assistere a una piena dimostrazione di superiorità quantistica da parte di un team o di un altro. E questa non è più una prospettiva «tra dieci anni, cioè non si sa quando».