Deu anys després ningú sap quan

Per a una persona menys informada que ha llegit un munt de publicacions sobre ordinadors quàntics, es podria tenir la impressió que es tracta de màquines "disponibles" que funcionen de la mateixa manera que els ordinadors normals. No hi ha res més dolent. Alguns fins i tot creuen que encara no hi ha ordinadors quàntics. I altres es pregunten per a què serviran, ja que no estan dissenyats per substituir els sistemes zero-one.

Sovint escoltem que els primers ordinadors quàntics reals i que funcionen correctament apareixeran d'aquí a una dècada. Tanmateix, com va assenyalar Linley Gwennap, analista en cap del grup Linley, a l'article, "quan la gent diu que un ordinador quàntic apareixerà d'aquí a deu anys, no sap quan passarà".

Malgrat aquesta situació vaga, l'ambient de competició per als anomenats. domini quàntic. Preocupada pel treball quàntic i l'èxit dels xinesos, l'administració nord-americana va aprovar el desembre passat la National Quantum Initiative Act (1). El document té com a objectiu proporcionar suport federal per a la investigació, el desenvolupament, la demostració i l'aplicació de la informàtica i les tecnologies quàntiques. En deu anys màgics, el govern dels EUA gastarà milers de milions en la construcció d'infraestructures de computació quàntica, ecosistemes i reclutament de persones. Tots els principals desenvolupadors d'ordinadors quàntics: D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft i Rigetti, així com els creadors dels algorismes quàntics 1QBit i Zapata ho van donar la benvinguda. Iniciativa Nacional Quàntica.

Pioners de D-WAve

El 2007, D-Wave Systems va introduir un xip de 128 qubits (2) es diu primer ordinador quàntic del món. Tanmateix, no hi havia cap certesa si es podia anomenar així: només es mostrava la seva obra sense cap detall de la seva construcció. El 2009, D-Wave Systems va desenvolupar un motor de cerca d'imatges "quàntiques" per a Google. El maig de 2011, Lockheed Martin va adquirir un ordinador quàntic de D-Wave Systems. Una ona D per 10 milions de dòlars, mentre signava un contracte plurianual per al seu funcionament i desenvolupament d'algorismes relacionats.

L'any 2012, aquesta màquina va demostrar el procés de trobar la molècula de proteïna helicoïdal amb la menor energia. Els investigadors de D-Wave Systems utilitzen sistemes amb diferents números qubits, va realitzar una sèrie de càlculs matemàtics, alguns dels quals estaven molt més enllà de les capacitats dels ordinadors clàssics. Tanmateix, a principis de 2014, John Smolin i Graham Smith van publicar un article que afirmaven que la màquina D-Wave Systems no era una màquina. Poc després, Physics of Nature va presentar els resultats dels experiments que demostren que D-Wave One encara és...

Una altra prova del juny de 2014 no va mostrar cap diferència entre un ordinador clàssic i una màquina D-Wave Systems, però l'empresa va respondre que la diferència només es notava per a tasques més complexes que les resoltes a la prova. A principis de 2017, l'empresa va presentar una màquina formada aparentment per 2 mil qubitsque era 2500 vegades més ràpid que els algorismes clàssics més ràpids. I de nou, dos mesos després, un grup de científics va demostrar que aquesta comparació no era precisa. Per a molts escèptics, els sistemes D-Wave encara no són ordinadors quàntics, sinó els seus simulacions utilitzant mètodes clàssics.

El sistema D-Wave de quarta generació utilitza recuits quànticsi els estats de qubit es realitzen mitjançant circuits quàntics superconductors (basats en les anomenades unions de Josephson). Funcionen en un entorn proper al zero absolut i compten amb un sistema de 2048 qubits. A finals de 2018, D-Wave es va introduir al mercat SALT, és a dir, el teu Entorn d'aplicacions quàntiques en temps real (KAE). La solució al núvol proporciona als clients externs accés en temps real a la informàtica quàntica.

El febrer de 2019, D-Wave va anunciar la propera generació  Pegasus. Es va anunciar que era "el sistema quàntic comercial més extens del món" amb quinze connexions per qubit en lloc de sis, amb més de 5 qubits i activar la reducció de soroll a un nivell desconegut anteriorment. El dispositiu hauria de sortir a la venda a mitjans de l'any vinent.

Qubits, o superposicions més entrellaçament

Els processadors informàtics estàndard es basen en paquets o peces d'informació, cadascun d'ells representa una única resposta sí o no. Els processadors quàntics són diferents. No funcionen en un món zero-un. os del colze, la unitat més petita i indivisible d'informació quàntica és el sistema bidimensional descrit Espai de Hilbert. Per tant, es diferencia del ritme clàssic en què pot estar-hi qualsevol superposició dos estats quàntics. El model físic d'un qubit es dóna més sovint com a exemple d'una partícula amb espín ½, com un electró, o la polarització d'un sol fotó.

Per aprofitar el poder dels qubits, heu de connectar-los mitjançant un procés anomenat confusió. Amb cada qubit afegit, la potència de processament del processador dobles tu mateix, ja que el nombre d'entrellaçaments va acompanyat de l'entrellat d'un nou qubit amb tots els estats ja disponibles al processador (3). Però crear i combinar qubits, i després dir-los que facin càlculs complexos no és una tasca fàcil. Es queden molt sensible a les influències externesque pot comportar errors de càlcul i, en el pitjor dels casos, la decadència dels qubits entrellaçats, és a dir. decoherènciaque és la veritable maledicció dels sistemes quàntics. A mesura que s'afegeixen qubits addicionals, augmenten els efectes adversos de les forces externes. Una manera d'afrontar aquest problema és activar-ne més qubits "CONTROL"l'única funció del qual és comprovar i corregir la sortida.

3. Representació simbòlica del sistema IBM de 50 qubits

Tanmateix, això significa que es necessitaran ordinadors quàntics més potents, útils per resoldre problemes complexos, com ara determinar com es pleguen les molècules de proteïnes o simular els processos físics dins dels àtoms. molts qubits. Tom Watson, de la Universitat de Delft, als Països Baixos, va dir recentment a BBC News:

-

En resum, si els ordinadors quàntics han d'enlairar, cal que trobis una manera fàcil de produir processadors qubit grans i estables.

Com que els qubits són inestables, és extremadament difícil crear un sistema amb molts d'ells. Per tant, si, al final, els qubits com a concepte per a la computació quàntica fallen, els científics tenen una alternativa: les portes quàntiques de qubits.

Un equip de la Universitat de Purdue va publicar un estudi a npj Quantum Information que detallava la seva creació. Els científics ho creuen felicitacionsa diferència dels qubits, poden existir en més de dos estats, com ara 0, 1 i 2, i per a cada estat afegit, la potència computacional d'un qudit augmenta. En altres paraules, cal codificar i processar la mateixa quantitat d'informació. menys glòria que els qubits.

Per crear portes quàntiques que contenien qudits, l'equip de Purdue va codificar quatre qudits en dos fotons entrellaçats en termes de freqüència i temps. L'equip va triar els fotons perquè no afecten el medi amb tanta facilitat, i l'ús de diversos dominis va permetre més entrellaçament amb menys fotons. La porta acabada tenia una potència de processament de 20 qubits, tot i que només requeria quatre qudits, amb una estabilitat afegida a causa de l'ús de fotons, el que el convertia en un sistema prometedor per a futurs ordinadors quàntics.

Silici o trampes d'ions

Tot i que no tothom comparteix aquesta opinió, l'ús del silici per crear ordinadors quàntics sembla tenir grans avantatges, ja que la tecnologia del silici està ben consolidada i ja hi està associada una gran indústria. El silici s'utilitza en els processadors quàntics de Google i IBM, encara que s'hi refreda a temperatures molt baixes. No és un material ideal per als sistemes quàntics, però els científics hi estan treballant.

Segons una publicació recent a Nature, un equip d'investigadors va utilitzar l'energia de les microones per alinear dues partícules d'electrons suspeses en silici i després les va utilitzar per realitzar una sèrie de càlculs de prova. El grup, que incloïa, en particular, científics de la Universitat de Wisconsin-Madison va "suspendre" qubits d'un sol electron en una estructura de silici, el gir de la qual estava determinat per l'energia de la radiació de microones. En una superposició, un electró girava simultàniament al voltant de dos eixos diferents. Els dos qubits es van combinar i programar per realitzar càlculs de prova, després dels quals els investigadors van comparar les dades generades pel sistema amb les dades rebudes d'un ordinador estàndard que realitzava els mateixos càlculs de prova. Després de corregir les dades, un programable processador de silici quàntic de dos bits.

Tot i que el percentatge d'errors segueix sent molt més alt que en les anomenades trampes d'ions (dispositius en què s'emmagatzemen durant un temps partícules carregades com ions, electrons, protons) o els ordinadors.  basat en superconductors com D-Wave, l'assoliment continua sent notable, ja que aïllar els qubits del soroll extern és extremadament difícil. Els especialistes veuen oportunitats per escalar i millorar el sistema. I l'ús del silici, des del punt de vista tecnològic i econòmic, és fonamental aquí.

Tanmateix, per a molts investigadors, el silici no és el futur dels ordinadors quàntics. El desembre de l'any passat, va aparèixer informació que els enginyers de l'empresa nord-americana IonQ van utilitzar iterbi per crear l'ordinador quàntic més productiu del món, superant els sistemes D-Wave i IBM.

El resultat va ser una màquina que contenia un sol àtom en una trampa d'ions (4) utilitza un únic qubit de dades per a la codificació, i els qubits es controlen i es mesuren mitjançant polsos làser especials. L'ordinador té una memòria que pot emmagatzemar 160 qubits de dades. També pot realitzar càlculs simultàniament en 79 qubits.

4. Esquema de la trampa d'ions IonQ

Els científics de IonQ van realitzar una prova estàndard de l'anomenat Algorisme de Bernstein-Vaziranian. La tasca de la màquina era endevinar un nombre entre 0 i 1023. Els ordinadors clàssics prenen onze conjectures per a un nombre de 10 bits. Els ordinadors quàntics utilitzen dos enfocaments per endevinar el resultat amb una certesa del 100%. En el primer intent, l'ordinador quàntic IonQ va endevinar una mitjana del 73% dels números donats. Quan l'algorisme s'executa per a qualsevol nombre entre 1 i 1023, la taxa d'èxit per a un ordinador normal és del 0,2%, mentre que per a IonQ és del 79%.

Els experts d'IonQ creuen que els sistemes basats en trampes d'ions són superiors als ordinadors quàntics de silici que Google i altres empreses estan construint. La seva matriu de 79 qubits supera en 7 qubits el processador quàntic Bristlecone de Google. El resultat IonQ també és sensacional pel que fa al temps de funcionament del sistema. Segons els creadors de la màquina, per a un únic qubit, es manté en el 99,97%, el que significa una taxa d'error del 0,03%, mentre que els millors resultats de la competició van ser de mitjana al voltant del 0,5%. La taxa d'error de 99,3 bits per al dispositiu IonQ hauria de ser del 95%, mentre que la major part de la competència no supera el XNUMX%.

Val la pena afegir-ho, segons els investigadors de Google supremacia quàntica – el punt en què un ordinador quàntic supera totes les altres màquines disponibles – ja es pot arribar amb un ordinador quàntic amb 49 qubits, sempre que la taxa d'error a les portes de dos qubits sigui inferior al 0,5%. Tanmateix, el mètode de trampa d'ions en la informàtica quàntica encara s'enfronta a grans obstacles per superar: temps d'execució lent i gran mida, així com la precisió i l'escalabilitat de la tecnologia.

Fortalesa de xifratge en ruïnes i altres conseqüències

El gener de 2019 al CES 2019, la CEO d'IBM, Ginni Rometty, va anunciar que IBM ja oferia un sistema de computació quàntica integrat per a ús comercial. Ordinadors quàntics IBM5) es troben físicament a Nova York com a part del sistema IBM Q System One. Mitjançant la Q Network i el Q Quantum Computational Center, els desenvolupadors poden utilitzar fàcilment el programari Qiskit per compilar algorismes quàntics. Així, la potència de càlcul dels ordinadors quàntics d'IBM està disponible com a servei de cloud computing, a un preu raonable.

D-Wave també ofereix aquests serveis des de fa temps, i altres actors importants (com Amazon) estan planejant ofertes de núvol quàntic similars. Microsoft va anar més enllà amb la introducció Llenguatge de programació Q# (pronunciat com) que pot funcionar amb Visual Studio i funcionar en un ordinador portàtil. Els programadors tenen una eina per simular algorismes quàntics i crear un pont de programari entre la informàtica clàssica i la quàntica.

Tanmateix, la pregunta és, per a què poden ser realment útils els ordinadors i la seva potència de càlcul? En un estudi publicat l'octubre passat a la revista Science, científics d'IBM, la Universitat de Waterloo i la Universitat Tècnica de Munic van intentar aproximar els tipus de problemes que els ordinadors quàntics semblen més adequats per resoldre.

Segons l'estudi, aquests dispositius seran capaços de resoldre complexos àlgebra lineal i problemes d'optimització. Sembla vaga, però pot haver-hi oportunitats de solucions més senzilles i més econòmiques a problemes que actualment requereixen molt esforç, recursos i temps i, de vegades, estan fora del nostre abast.

5. Ordinador quàntic IBM

Informàtica quàntica útil canviar diametralment el camp de la criptografia. Gràcies a ells, els codis de xifratge es podrien trencar ràpidament i, possiblement, la tecnologia blockchain serà destruïda. El xifratge RSA ara sembla ser una defensa forta i indestructible que protegeix la majoria de dades i comunicacions del món. Tanmateix, un ordinador quàntic prou potent ho pot fer fàcilment trencar el xifratge RSA via algorisme de Shora.

Com prevenir-ho? Alguns advoquen per augmentar la longitud de les claus públiques de xifratge a la mida necessària per superar el desxifrat quàntic. Per a altres, s'hauria d'utilitzar sol per garantir comunicacions segures. Gràcies a la criptografia quàntica, el mateix fet d'interceptar les dades les corrompria, després de la qual cosa la persona que interfereixi amb la partícula no podria obtenir informació útil d'ella, i el destinatari seria advertit de l'intent d'escoltar.

També s'esmenten amb freqüència les aplicacions potencials de la computació quàntica. anàlisi i previsió econòmica. Gràcies als sistemes quàntics, els models complexos de comportament del mercat es poden ampliar per incloure moltes més variables que abans, donant lloc a diagnòstics i prediccions més precises. En processar simultàniament milers de variables mitjançant un ordinador quàntic, també seria possible reduir el temps i el cost necessaris per al desenvolupament. nous medicaments, solucions de transport i logística, cadenes de subministrament, models climàticsaixí com per resoldre molts altres problemes d'una complexitat gegantina.

la llei de Nevena

El món dels ordinadors antics tenia la seva pròpia llei de Moore, mentre que els ordinadors quàntics s'han de guiar per l'anomenada la llei de Nevena. Deu el seu nom a un dels especialistes quàntics més destacats de Google, Hartmut Nevena (6), que afirma que actualment s'estan realitzant avenços en la tecnologia de la computació quàntica doble velocitat exponencial.

Això vol dir que en lloc de duplicar el rendiment amb successives iteracions, com va ser el cas dels ordinadors clàssics i la llei de Moore, la tecnologia quàntica millora el rendiment molt més ràpidament.

Els experts prediuen l'arribada de la superioritat quàntica, que es pot traduir no només en la superioritat dels ordinadors quàntics sobre qualsevol dels clàssics, sinó també d'altres maneres, com l'inici d'una era d'ordinadors quàntics útils. Això obrirà el camí per a avenços en química, astrofísica, medicina, seguretat, comunicacions i molt més.

Tanmateix, també hi ha l'opinió que aquesta superioritat no existirà mai, almenys no en un futur previsible. Una versió més suau de l'escepticisme és això Els ordinadors quàntics mai substituiran els ordinadors clàssics perquè no estan dissenyats per fer-ho. No pots substituir un iPhone o un ordinador per una màquina quàntica, igual que no pots substituir les sabatilles de tennis... per un portaavions nuclear.. Els ordinadors clàssics us permeten jugar, consultar el correu electrònic, navegar per la web i executar programes. Els ordinadors quàntics en la majoria dels casos realitzen simulacions massa complexes per als sistemes binaris que s'executen amb bits d'ordinador. En altres paraules, els consumidors individuals gairebé no obtindran cap benefici del seu propi ordinador quàntic, però els autèntics beneficiaris de la invenció seran, per exemple, la NASA o l'Institut Tecnològic de Massachusetts.

El temps dirà quin enfocament és més adequat: IBM o Google. Segons la llei de Neven, estem a només uns mesos de veure una demostració completa de superioritat quàntica per part d'un equip o un altre. I això ja no és una perspectiva "d'aquí a deu anys, és a dir, ningú sap quan".