十年后谁也不知道什么时候
对于阅读过大量有关量子计算机的出版物的消息灵通的人来说，可能会觉得这些是“现成的”机器，其工作方式与普通计算机相同。 没有什么比这更糟糕的了。 有些人甚至认为还没有量子计算机。 其他人想知道它们将用于什么，因为它们并非旨在取代零一系统。
我们经常听到第一台真正的、功能正常的量子计算机将在大约十年内出现。 然而，正如 Linley Group 首席分析师 Linley Gwennap 在文章中指出的那样，“当人们说量子计算机将在十年后出现时，他们不知道它何时会发生。”
尽管有这种模糊的情况，所谓的竞争气氛。 量子优势。 出于对量子工作和中国人成功的担忧，美国政府去年 XNUMX 月通过了《国家量子倡议法案》（1）。 该文件旨在为量子计算和技术的研究、开发、演示和应用提供联邦支持。 在神奇的十年内，美国政府将花费数十亿美元建设量子计算基础设施、生态系统和招聘人员。 量子计算机的所有主要开发商——D-Wave、霍尼韦尔、IBM、英特尔、IonQ、微软和 Rigetti，以及量子算法的创造者 1QBit 和 Zapata 都对此表示欢迎。 国家量子计划.
D-Wave 先锋
2007 年，D-Wave Systems 推出了 128 量子位芯片（2）， 叫做 世界上第一台量子计算机. 然而，不确定是否可以这样称呼 - 只展示了他的作品，没有任何他的建筑细节。 2009年，D-Wave Systems为谷歌开发了“量子”图像搜索引擎。 2011 年 XNUMX 月，洛克希德马丁公司从 D-Wave Systems 获得了一台量子计算机。 D波一 10 万美元，同时签署了一份多年期合同，用于运营和开发相关算法。
2012年，这台机器演示了寻找能量最低的螺旋蛋白分子的过程。 D-Wave Systems 的研究人员使用不同编号的系统 量子比特，执行了许多数学计算，其中一些远远超出了经典计算机的能力。 然而，在 2014 年初，John Smolin 和 Graham Smith 发表了一篇文章，声称 D-Wave Systems 机器不是机器。 此后不久，《自然物理学》展示了实验结果，证明 D-Wave One 仍然...
2014 年 2017 月的另一项测试显示，经典计算机和 D-Wave Systems 机器之间没有区别，但该公司回应说，只有在比测试中解决的任务更复杂的任务中，这种差异才明显。 XNUMX 年初，该公司推出了一款表面上由 2 个量子比特这比最快的经典算法快 2500 倍。 再一次，两个月后，一组科学家证明这种比较是不准确的。 对于许多怀疑论者来说，D-Wave 系统仍然不是量子计算机，而是它们的 模拟 使用经典方法。
第四代 D-Wave 系统采用 量子退火量子比特的状态是通过超导量子电路（基于所谓的约瑟夫森结）实现的。 它们在接近绝对零的环境中运行，并拥有 2048 个量子比特的系统。 2018年底，D-Wave推向市场 弹跳，也就是说，你的 实时量子应用环境 (KAE)。 云解决方案为外部客户提供了对量子计算的实时访问。
2019 年 XNUMX 月，D-Wave 宣布下一代 飞马. 它被宣布为“世界上最广泛的商业量子系统”，每个量子比特有 XNUMX 个连接，而不是 XNUMX 个， 超过 5 个量子位 并以以前未知的水平打开降噪。 该设备应该会在明年年中上市销售。
量子比特，或叠加加纠缠
标准计算机处理器依赖于信息包或信息片段，每个信息代表一个是或否的答案。 量子处理器是不同的。 它们在零一世界中不起作用. 肘骨，量子信息的最小且不可分割的单位是所描述的二维系统 希尔伯特空间. 因此，它与经典节拍的不同之处在于它可以在 任何叠加 两个量子态。 量子比特的物理模型通常作为具有自旋 ½ 的粒子的示例给出，例如电子或单个光子的极化。
要利用量子比特的力量，您必须通过一个名为 混乱. 每增加一个量子比特，处理器的处理能力 双打 他们自己，因为纠缠的数量伴随着一个新的量子比特与处理器中已经可用的所有状态的纠缠（3）。 但是创建和组合量子比特，然后告诉它们执行复杂的计算并非易事。 他们留下 对外部影响极为敏感这可能导致计算错误，在最坏的情况下，会导致纠缠量子位的衰减，即 退相干这是量子系统的真正诅咒。 随着额外量子比特的添加，外力的不利影响会增加。 解决此问题的一种方法是启用额外的 量子比特 “控制”它的唯一功能是检查和纠正输出。
3. 50-qubit IBM 系统的符号表示
然而，这意味着将需要更强大的量子计算机，用于解决复杂问题，例如确定蛋白质分子如何折叠或模拟原子内部的物理过程。 许多量子比特. 荷兰代尔夫特大学的汤姆沃森最近告诉 BBC 新闻：
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简而言之，如果量子计算机要起飞，你需要想出一种简单的方法来生产大型且稳定的量子比特处理器。
由于量子位是不稳定的，因此很难创建一个包含许多量子位的系统。 因此，如果最终将量子位作为量子计算的概念失败了，科学家们有一个替代方案：量子位量子门。
普渡大学的一个团队在 npj Quantum Information 上发表了一项研究，详细介绍了他们的创作。 科学家们认为 学问与量子位不同的是，它们可以存在于两种以上的状态，例如 0、1 和 2，并且每增加一个状态，一个 qudit 的计算能力就会增加。 换句话说，您需要对相同数量的信息进行编码和处理。 少光荣 比量子比特。
为了创建一个包含 qudit 的量子门，Purdue 团队在频率和时间方面将四个 qudit 编码为两个纠缠光子。 该团队选择光子是因为它们不会轻易影响环境，并且使用多个域允许使用更少的光子进行更多的纠缠。 完成的门具有 20 个量子比特的处理能力，尽管它只需要 XNUMX 个量子比特，并且由于使用了光子而具有额外的稳定性，使其成为未来量子计算机的一个有前途的系统。
硅或离子阱
虽然不是每个人都同意这种观点，但使用硅来构建量子计算机似乎有巨大的好处，因为硅技术已经成熟，并且已经有一个庞大的产业与之相关。 硅用于谷歌和 IBM 量子处理器，尽管它在它们中被冷却到非常低的温度。 它不是量子系统的理想材料，但科学家们正在研究它。
根据最近发表在《自然》杂志上的一篇文章，一组研究人员使用微波能量来对齐悬浮在硅中的两个电子粒子，然后用它们进行一系列测试计算。 该小组特别包括威斯康星大学麦迪逊分校的科学家，他们将单电子量子比特“悬浮”在硅结构中，其自旋由微波辐射的能量决定。 在叠加中，一个电子同时围绕两个不同的轴旋转。 然后将两个量子位组合并编程以执行测试计算，之后研究人员将系统生成的数据与从执行相同测试计算的标准计算机接收的数据进行比较。 校正数据后，可编程 两位量子硅处理器.
尽管错误的百分比仍然远高于所谓的离子阱（离子、电子、质子等带电粒子存储一段时间的设备）或计算机 基于 D-Wave 等超导体，这一成就仍然非常显着，因为将量子比特与外部噪声隔离是极其困难的。 专家们看到了扩展和改进系统的机会。 从技术和经济的角度来看，硅的使用在这里至关重要。
然而，对于许多研究人员来说，硅并不是量子计算机的未来。 去年 XNUMX 月，有消息称美国公司 IonQ 的工程师使用镱制造了世界上生产力最高的量子计算机，超过了 D-Wave 和 IBM 系统。
结果是一台在离子阱中包含单个原子的机器（4) 使用单个数据量子位进行编码，并使用特殊的激光脉冲控制和测量量子位。 这台计算机有一个内存，可以存储 160 个量子比特的数据。 它还可以同时在 79 个量子位上进行计算。
4. IonQ 离子阱方案
IonQ 的科学家对所谓的 Bernstein-Vaziraniego 算法. 机器的任务是猜测 0 到 1023 之间的数字。经典计算机需要 10 次猜测来猜测 100 位数字。 量子计算机使用两种方法来 73% 确定地猜测结果。 在第一次尝试中，IonQ 量子计算机平均猜到了给定数字的 1%。 当算法对 1023 到 0,2 之间的任何数字运行时，典型计算机的成功率为 79%，而 IonQ 为 XNUMX%。
IonQ 专家认为，基于离子阱的系统优于谷歌和其他公司正在建造的硅量子计算机。 他们的 79 量子位矩阵比谷歌的 Bristlecone 量子处理器高出 7 个量子位。 在系统正常运行时间方面，IonQ 的结果也是惊人的。 据该机器的创造者称，对于单个量子比特，它保持在 99,97%，这意味着错误率为 0,03%，而比赛的最佳结果平均约为 0,5%。 IonQ 设备的两位错误率应为 99,3%，而大多数竞争对手不超过 95%。
据谷歌研究人员称，值得补充的是 量子霸权 - 量子计算机优于所有其他可用机器的点 - 已经可以通过具有 49 个量子位的量子计算机达到，前提是双量子位门的错误率低于 0,5%。 然而，量子计算中的离子阱方法仍然面临着需要克服的主要障碍：执行时间慢和体积庞大，以及该技术的准确性和可扩展性。
废墟中的密码堡垒和其他后果
在 2019 年 2019 月的 CES XNUMX 上，IBM 首席执行官 Ginni Rometty 宣布 IBM 已经在提供用于商业用途的集成量子计算系统。 IBM 量子计算机5) 作为系统的一部分，物理上位于纽约 IBM Q System One. 使用 Q Network 和 Q Quantum Computational Center，开发人员可以轻松使用 Qiskit 软件编译量子算法。 因此，IBM 量子计算机的计算能力可作为 云计算服务， 合理的价格。
D-Wave 也提供此类服务已有一段时间了，其他主要参与者（如亚马逊）也在计划提供类似的量子云产品。 微软在介绍中走得更远 Q#编程语言 （读作 like）可以与 Visual Studio 一起工作并在笔记本电脑上运行。 程序员有一个工具来模拟量子算法并在经典计算和量子计算之间建立软件桥梁。
然而，问题是，计算机及其计算能力究竟有什么用处？ 在去年 XNUMX 月发表在《科学》杂志上的一项研究中，来自 IBM、滑铁卢大学和慕尼黑工业大学的科学家试图估计量子计算机似乎最适合解决的问题类型。
根据研究，此类设备将能够解决复杂的 线性代数和优化问题. 这听起来很模糊，但对于目前需要大量努力、资源和时间，有时甚至超出我们能力范围的问题，可能会有更简单、更便宜的解决方案。
5.IBM量子计算机
有用的量子计算 彻底改变密码学领域. 多亏了他们，加密代码可以被快速破解，并且可能， 区块链技术将被摧毁. RSA 加密现在似乎是一种强大且坚不可摧的防御措施，可以保护世界上的大部分数据和通信。 然而，足够强大的量子计算机可以轻松地 破解RSA加密 通过 肖尔算法.
如何预防？ 一些人主张将公共加密密钥的长度增加到克服量子解密所需的大小。 对于其他人，应单独使用它以确保安全通信。 多亏了量子密码学，拦截数据的行为本身就会破坏它们，之后干扰粒子的人将无法从中获得有用的信息，并且接收者将被警告窃听企图。
量子计算的潜在应用也经常被提及。 经济分析和预测. 借助量子系统，可以扩展复杂的市场行为模型以包含比以前更多的变量，从而实现更准确的诊断和预测。 通过量子计算机同时处理数千个变量，还可以减少开发所需的时间和成本。 新药、运输和物流解决方案、供应链、气候模型以及解决许多其他巨大复杂的问题。
内维纳定律
旧计算机的世界有自己的摩尔定律，而量子计算机必须遵循所谓的 内维纳定律. 他的名字归功于谷歌最杰出的量子专家之一， 哈特穆特·内维纳 (6)，其中指出目前正在取得量子计算技术的进步 双指数速度.
这意味着量子技术不会像经典计算机和摩尔定律那样通过连续迭代使性能翻倍，而是更快地提高性能。
专家预测量子优越性的出现，它不仅可以转化为量子计算机优于任何经典计算机的优越性，还可以通过其他方式转化为有用的量子计算机时代的开始。 这将为化学、天体物理学、医学、安全、通信等领域的突破铺平道路。
然而，也有一种观点认为，这种优势永远不会存在，至少在可预见的未来不会存在。 一种较为温和的怀疑态度是 量子计算机永远不会取代经典计算机，因为它们的设计初衷并非如此。 你不能用量子机器代替 iPhone 或 PC，就像你不能用核航空母舰代替网球鞋一样。. 经典计算机可让您玩游戏、查看电子邮件、上网和运行程序。 在大多数情况下，量子计算机执行的模拟对于在计算机位上运行的二进制系统来说过于复杂。 换句话说，个人消费者几乎不会从他们自己的量子计算机中获得任何好处，但本发明的真正受益者将是，例如，NASA 或麻省理工学院。
时间会证明哪种方法更合适——IBM 还是谷歌。 根据尼文定律，我们距离看到一个或另一个团队充分展示量子优势只有几个月的时间。 这不再是“十年后，也就是没人知道什么时候”的前景。
