Efter årtiers hårdt arbejde uden meget håb om succes, udviklede sig pludselig en hektisk aktivitet omkring kvanteberegning. For næsten to år siden viste IBM verden en kvantecomputer med fem kvantebits (qubits), som de nu (som lyder lidt underligt) kalder IBM Q Experience. Dengang var enheden mere som et legetøj for forskere end et værktøj til seriøs databehandling. 70.000 brugere over hele verden har imidlertid registreret sig i projektet, og nu er antallet af qubits firedoblet. For et par måneder siden annoncerede IBM og Intel oprettelsen af kvantecomputere med 50 og 49 qubits. Det vides også, at en anden computer venter i vingerne inden for væggene på Google. "Samfundet er fuld af energi, og de seneste gennembrud er fantastiske."- siger fysiker Jens Eisert fra Det Frie Universitet i Berlin.
I øjeblikket er der tale om forestående "kvanteoverlegenhed": det tidspunkt, hvor en kvantecomputer kan udføre en opgave ud over kraften hos selv de mest magtfulde klassiske supercomputere. Hvis vi kun sammenligner tal, kan en sådan erklæring virke latterlig: 50 qubits mod milliarder af klassiske bits på enhver bærbar computer. Men hele pointen med kvanteberegning er, at kvantebiten er i stand til meget mere end den klassiske. I lang tid blev det antaget, at 50 qubits ville være nok til at udføre beregninger, som en konventionel computer ville udføre på ubestemt tid. I midten af 2017 meddelte Google-forskere, at de ville demonstrere kvanteoverlegenhed inden december. (På en for nylig anmodning om nye data svarede en virksomheds talsperson:”Vi vil meddele resultater,så snart de er tilstrækkeligt underbygget, men indtil videre gennemføres en grundig analyse af den eksisterende udvikling. ")
Jeg vil gerne konkludere, at alle de største problemer kan løses, og at fremtiden, hvor kvantecomputere er et allestedsnærværende fænomen, kun er et spørgsmål om teknisk udstyr. Men han vil tage fejl. De fysiske problemer i hjertet af kvanteberegning er stadig langt fra løst.
Selv hvis vi snart træder ind i en æra med kvanteoverherredømme, kunne det næste år eller to være afgørende - vil kvantecomputere virkelig ændre den måde, vi udfører computing på? Indsatsen er stadig høj, og der er ingen garanti for, at målet bliver nået.
Luk og beregn
Både fordelene og udfordringerne ved kvanteberegning hænger sammen med den fysik, der gør det muligt. Det grundlæggende er allerede blevet sagt mere end én gang, selvom det ikke altid er blevet afklaret, hvad kvantemekanik kræver. Klassiske computere gemmer information og behandler dem i binær kode (0 eller 1). I kvantecomputere er situationen næsten den samme, kun hver bit er i den såkaldte superposition, det vil sige, den kan være både 0 og 1 på samme tid. Dette betyder, at en qubit-tilstand kun kan bestemmes med en vis sandsynlighed.
For at udføre en beregning med et stort antal qubits, skal alle være i indbyrdes afhængige superpositioner - i en tilstand af "kvantesammenhæng", hvor alle qubits betragtes som sammenfiltrede. I dette tilfælde kan den mindste ændring i en kvbit påvirke alle de andre. Det vil sige, at beregningsoperationer, der bruger qubits, har en højere ydelse end ved at bruge klassiske bit. I en klassisk enhed er beregningsmulighederne simpelthen afhængige af antallet af bit, men tilføjelsen af hver nye qubit øger kapaciteten på en kvantecomputer med 2 gange. Dette er grunden til, at forskellen mellem en 5-qubit enhed og en 50-qubit enhed er så betydelig.
Salgsfremmende video:
Bemærk, jeg sagde ikke, som det ofte gøres, at fordelen ved en kvantecomputer frem for en klassisk ligger i eksistensen af superpositioner, hvilket i høj grad øger antallet af mulige tilstande med kodet information. Som jeg ikke sagde, muliggør sammenfiltring mange beregninger samtidig. (Faktisk er en høj grad af sammenfiltring af qubits ikke en forudsætning.) Der er en vis sandhed i dette, men ingen af udsagnene beskriver essensen af kvanteberegning.
På grund af kompleksiteten ved at forstå kvantemekanik er det en skræmmende opgave at forklare, hvorfor kvanteberegning er så kraftig. Ligningerne af kvanteteori viser bestemt, at den vil fungere - i det mindste med nogle former for beregning: factoring eller søgning i en database fremskynder processen enormt. Men hvor meget nøjagtigt?
Den sikreste måde at beskrive kvanteberegning er måske at sige, at kvantemekanik på en eller anden måde skaber "muligheder" for beregning, som ikke er tilgængelige for klassiske enheder. Som fysiker Daniel Gottesman fra Perimeter Institute for Theoretical Physics (Perimeter Institute) i Waterloo bemærkede: "Hvis der er tilstrækkelig kvantemekanik til rådighed, er processen i en forstand hurtigere, og hvis ikke, er den ikke."
Selvom nogle punkter stadig er klare. Kvanteberegning kræver, at alle qubits er sammenhængende, hvilket er ekstremt vanskeligt at implementere. Samspillet mellem systemet med sammenhængende qubits med miljøet skaber kanaler, hvorigennem kohærensen hurtigt "lækker". Denne proces kaldes decoherence. Forskere, der planlægger at bygge en kvantecomputer, skal forhindre decoherence. Nu formår de kun at stoppe hende et par sekunder. Situationen bliver mere kompliceret, når antallet af qubits, og følgelig øges evnen til at interagere med miljøet. Derfor, selvom ideen om kvantecomputere først blev foreslået af Richard Feynman allerede i 1982, og teorien blev udviklet i de tidlige 1990'ere, er enheder, der er i stand til at udføre reel beregning, først nu blevet oprettet.
Kvantefejl
Der er en anden vigtig årsag til, at det er så svært at opbygge en kvantecomputer. Som enhver anden proces i verden skaber det støj. Tilfældige udsving, som f.eks. Opstår på grund af temperaturen på qubits eller på grund af særegenhederne ved grundlæggende kvantemekaniske processer, kan ændre retningen eller tilstanden på qubit, hvilket fører til unøjagtige beregninger. En sådan trussel findes i arbejde med klassiske computere, men det er ret let at løse. Du skal bare oprette to eller flere sikkerhedskopier af hver bit, så der ikke tælles en tilfældig vendt bit.
Forskere, der arbejder med oprettelsen af en kvantecomputer, har udviklet flere måder til at løse problemet, men alle strategier fører til, at der vises for mange ekstra beregningsomkostninger, da al computerkraften bruges på at rette fejl og ikke på at udføre specificerede algoritmer. "Den aktuelle fejlhastighed begrænser betydeligt den tid, en beregning kan tage," forklarer Andrew Childs, meddirektør for Det Fælles Center for Kvanteinformation og Beregningsvidenskaber ved University of Maryland. "Vi er nødt til at forbedre resultaterne markant, hvis vi vil skabe noget interessant."
Meget forskning inden for grundlæggende kvanteberegning fokuserer på fejlkorrektionsteknikker. En del af kompleksiteten af problemet stammer fra en anden af de kvante systemers nøgleegenskaber: superpositioner kan kun opretholdes, så længe du ikke måler værdien af en kvbit. Målingen ødelægger superpositionen og fører til en bestemt værdi: 1 eller 0. Hvordan kan du se, om der var en fejl i driften af en qubit, hvis du ikke ved, i hvilken tilstand den var i?
Et smart skema foreslår at anvende indirekte beregninger ved at kombinere en kvbit med en anden hjælpekvbit. Det sidstnævnte er ikke involveret i beregningen, så dens måling påvirker ikke tilstanden for hovedkvbiten. Men det er temmelig svært at gennemføre det. Denne løsning betyder, at mange fysiske qubits er nødvendige for at skabe en ægte "logisk qubit", der er immun mod fejl.
Hvor mange? Kvanteteoretikeren Alan Aspuru-Guzik fra Harvard University mener, at det vil tage omkring ti tusind fysiske qubits at skabe en logisk qubit, som ikke er i øjeblikket mulig. Ifølge ham vil dette antal falde til flere tusinde eller endda hundreder, hvis alt går godt. Aisert er ikke så pessimistisk og mener, at omkring otte hundrede fysiske qubits vil være nok, men indrømmer, at selv i denne situation vil "de ekstra omkostninger ved computerkraft stadig være store." Du skal finde en måde at håndtere fejl på.
Der er et alternativ til fejlrettelse. De kan undgås eller forhindres i at forekomme i det, der kaldes fejlbekæmpelse. Forskere ved IBM designer kredsløb til at matematisk beregne sandsynligheden for en fejl og derefter tage resultatet som nul støj.
Nogle forskere mener, at problemet med fejlkorrektion forbliver uafklaret og forhindrer, at kvantecomputere når deres forudsagte højder.”Det er meget vanskeligere at skabe kvantefejlkorrektionskoder end at demonstrere kvanteoverlegenhed,” forklarer det hebraiske universitet i Israel-matematikeren Gil Kalai. Han tilføjer også, at "enheder, der ikke korrigerer fejl, er meget primitive i deres beregninger, og overlegenhed kan ikke være baseret på primitivitet." Med andre ord vil kvantecomputere ikke overgå klassiske computere, hvis fejl ikke fjernes.
Andre forskere mener, at problemet i sidste ende vil blive løst. En af dem er Jay Gambetta, en kvantecomputer ved IBM Center for Quantum Computing. Thomas J. Watson.”Vores nylige eksperimenter har demonstreret de grundlæggende elementer i fejlkorrektion i små enheder, som igen baner vejen for større enheder, der pålideligt kan gemme kvanteinformation i længere perioder i nærværelse af støj,” siger han. Gambetta indrømmer imidlertid også, at selv med den nuværende situation, "er der stadig en lang vej at gå til oprettelsen af en universel, fejlbestandig kvantecomputer ved hjælp af logiske qubits." Takket være sådan forskning er Childs optimistisk.”Jeg er sikker på, at vi vil se en demonstration af endnu mere vellykkede [bug fixing] eksperimenter, men,det vil sandsynligvis tage lang tid, før vi begynder at bruge kvantecomputere til reel computing.”
At leve med fejl
I den nærmeste fremtid fungerer kvantecomputere. Spørgsmålet opstår: hvordan man kan leve med det? IBM-forskere siger, at inden for en overskuelig fremtid vil feltet "omtrentlig kvantecomputering" -forskning fokusere på at finde måder at tilpasse sig støj.
Dette kræver oprettelse af sådanne algoritmer, der giver det rigtige resultat og ignorerer fejl. Processen kan sammenlignes med optællingen af valgresultater, som ikke tager højde for forkælet afstemning.”Selv hvis det gør nogle fejl, bør en kvanteberegning af høj kvalitet nok være mere effektiv end [klassisk],” siger Gambetta.
En af de nyere fejltolerante anvendelser af teknologien ser ud til at være af større værdi for videnskabsmænd end for hele verden: modellering af materialer på atomniveau. (Faktisk var dette motivationen, der fik Feynman til at komme med idéen om kvantecomputere.) Kvantemekanikens ligninger beskriver, hvordan stabilitet eller kemisk reaktivitet beregnes (for eksempel i lægemiddelmolekyler). Men disse ligninger kan ikke løses uden at bruge en masse forenklinger.
Ifølge Childs er imidlertid kvanteadfærden hos elektroner og atomer "relativt tæt på en kvantecomputers naturlige opførsel." Dette betyder, at en nøjagtig computermodel af molekylet kunne bygges.”Mange medlemmer af det videnskabelige samfund, inklusive mig selv, mener, at den første succesrige anvendelse af en kvantecomputer vil være forbundet med kvantekemi og materialevidenskab,” siger Aspuru-Guzik: han var en af de første, der begyndte at skubbe kvanteberegning i denne retning.
Kvantemodellering viser sig at være nyttig, selv på de mindste kvantecomputere, der er tilgængelige for os i dag. Et team af forskere, der inkluderer Aspuru-Guzik, udviklede en algoritme, som de kaldte "Variational Method to Solving Problems in Quantum Mechanics" (i det følgende - VMR). Denne algoritme giver dig mulighed for at finde den mindst energiforbrugende tilstand af et molekyle, selv i støjende qubits. I øjeblikket kan det kun håndtere meget små molekyler med få elektroner. Klassiske computere udfører denne opgave godt. Men kvantens kraft vokser konstant, som Gambetta og kolleger viste i september i sidste år, da de brugte en seks-kbit enhed til at beregne den elektroniske struktur af molekyler som lithiumhydrid og berylliumhydrid. Arbejdet var "et betydeligt gennembrud for kvantevidenskaberne"som den kemiske fysiker Markus Reicher fra den schweiziske højere tekniske skole i Zürich udtrykte det.”Brug af BMP til at modellere små molekyler er et godt eksempel på, hvordan kortsigtede heuristiske algoritmer kan anvendes,” siger Gambetta.
Men ifølge Aspuru-Guzik vil der kræves logiske qubits, der er i stand til at rette fejl, selv før kvantecomputere overhaler klassiske.”Jeg kan ikke vente til fejlkorrigering af kvanteberegning bliver en realitet,” kommenterede han.
”Hvis vi havde mere end to hundrede qubits, kunne vi gøre virkelig innovative ting,” tilføjede Reicher. "Og med 5.000 qubit kan en kvantecomputer have en stor indflydelse på videnskaben."
Hvad er dit volumen?
Disse mål er utroligt vanskelige at nå. På trods af alle vanskeligheder er kvantecomputere fra fem-qubit til 50-bit på kun et år - dette faktum giver håb. Bliv dog ikke for hængende på disse numre, fordi de kun fortæller en lille del af historien. Nu er det ikke, hvor mange qubits du har større betydning, men hvor godt de fungerer, og hvor effektiv de algoritmer, du har udviklet, er.
Enhver kvanteberegning slutter med decoherence, der blander qubitsene. Typisk er decoherence-tiden for en gruppe af qubits adskillige mikrosekunder. Antallet af logiske operationer, der kan udføres på så kort tid, afhænger af kvanteportens skiftehastighed. Hvis hastigheden er for lav, betyder det ikke noget, hvor mange qubits du har til din rådighed. Antallet af operationer, der kræves til en given beregning, kaldes beregningsdybde: algoritmer med lav dybde er mere effektive end dybe algoritmer. Det vides imidlertid ikke med sikkerhed, om de er nyttige i beregninger.
Derudover er ikke alle qubits lige støjende. Det er teoretisk muligt at oprette lav-støj qubits fra materialer, der er i en såkaldt "topologisk elektronisk tilstand": hvis partikler i denne tilstand bruges til at kode binære oplysninger, vil det være beskyttet mod tilfældig støj. I et forsøg på at finde partikler i en topologisk tilstand studerer forskere hos Microsoft primært eksotiske kvantematerialer. Der er dog ingen garanti for, at deres forskning vil få succes.
For at betegne kraften i kvanteberegning på en bestemt enhed, opfandt forskere ved IBM udtrykket "kvantevolumen." Dette er et tal, der forener alle vigtige faktorer: dybden af algoritmen, antallet og tilslutningen af qubits, såvel som andre indikatorer for kvaliteten af kvanteporte (for eksempel støj). Generelt kendetegner dette "kvantevolumen" kraften i kvanteberegning. Ifølge Gambetta er det nu nødvendigt at udvikle kvantecomputere, der øger det disponible kvantevolumen.
Dette er en af grundene til, at den hævde kvanteoverherredømme er en temmelig vag idé. Ideen om, at en 50-qubit kvantecomputer overgår de moderne supercomputere lyder attraktiv, men der er stadig mange uafklarede spørgsmål. Når man løser nøjagtigt, hvilke problemer overgår en kvantecomputer supercomputere? Hvordan kan man bestemme, om en kvantecomputer har modtaget det rigtige svar, hvis det ikke kan verificeres med en klassisk enhed? Hvad hvis en klassisk computer er mere effektiv end en kvantecomputer, hvis der findes en bedre algoritme?
Således er kvanteoverlegenhed et koncept, der kræver forsigtighed. Nogle forskere foretrækker at tale om "kvantefordelen", om et spring i udviklingen af kvanteteknologier, snarere end om den endelige sejr for kvantecomputere i forhold til almindelige. Desuden prøver flertallet ikke at bruge ordet "overlegenhed", da det indeholder negative politiske og racistiske konnotationer.
Uanset navnet, hvis forskere kan demonstrere, at kvantecomputere kan udføre opgaver, som klassiske enheder ikke kan udføre, så vil dette være et ekstremt vigtigt psykologisk øjeblik for dette felt.”Demonstrationen af en ubestridelig kvantefordel vil falde i historien. Dette vil bevise, at kvantecomputere virkelig kan udvide vores teknologiske evner,”siger Aizert.
Måske vil dette være en symbolsk begivenhed snarere end en radikal ændring inden for computerområdet. Ikke desto mindre er det værd at være opmærksom på. Hvis kvantecomputere overgår konventionelle computere, er det ikke fordi IBM og Google pludselig lancerer dem på markedet. For at opnå kvanteoverlegenhed skal du etablere et kompliceret interaktionssystem mellem udviklere og brugere. Og sidstnævnte skal være overbevist om, at nyheden er værd at prøve. I forbindelse med dette samarbejde forsøger IBM og Google at give brugerne deres udvikling så hurtigt som muligt. IBM har tidligere tilbudt alle tilmeldinger til webstedet adgang til sin 16-qubit IBM Q-computer, og nu har virksomheden udviklet en 20-qubit version til erhvervskunder, herunder JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung og Oxford University. Et sådant samarbejde hjælper ikke kun kunder med at finde noget nyttigt og interessant, men skaber også et kvanteliteret samfund af programmerere, som vil udvikle nye funktioner og løse problemer, der ikke kan løses inden for en virksomhed.
”For at kvantecomputeringen skal udvikle sig aktivt, skal du give folk muligheden for at bruge og studere kvantecomputere,” siger Gambetta. "Hele den videnskabelige og industrielle verden er nu nødt til at fokusere på en opgave - forberede sig på kvantencomputers æra."
Projektoversættelse Ny
Philip Ball