Dez anos despois ninguén sabe cando

Para unha persoa menos informada que leu un montón de publicacións sobre ordenadores cuánticos, pode ter a impresión de que se trata de máquinas "disponibles" que funcionan do mesmo xeito que as computadoras comúns. Nada pode estar máis mal. Algúns mesmo cren que aínda non hai ordenadores cuánticos. E outros pregúntanse para que se utilizarán, xa que non están deseñados para substituír os sistemas cero-un.

A miúdo escoitamos que os primeiros ordenadores cuánticos reais e que funcionen correctamente aparecerán en aproximadamente unha década. Non obstante, como Linley Gwennap, analista xefe do Grupo Linley, sinalou no artigo, "cando a xente di que aparecerá unha computadora cuántica en dez anos, non sabe cando ocorrerá".

A pesar desta vaga situación, o ambiente de competición para o chamado. dominancia cuántica. Preocupada polo traballo cuántico e o éxito dos chineses, a administración estadounidense aprobou en decembro pasado a National Quantum Initiative Act (1). O documento ten como finalidade proporcionar apoio federal para a investigación, desenvolvemento, demostración e aplicación de tecnoloxías e informática cuántica. Nuns dez anos máxicos, o goberno dos Estados Unidos gastará miles de millóns na construción de infraestruturas de computación cuántica, ecosistemas e contratación de persoas. Todos os principais desenvolvedores de computadoras cuánticas: D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft e Rigetti, así como os creadores dos algoritmos cuánticos 1QBit e Zapata deron a benvida a isto. Iniciativa cuántica nacional.

Pioneiros de D-WAve

En 2007, D-Wave Systems introduciu un chip de 128 qubit (2) chámase a primeira computadora cuántica do mundo. Non obstante, non había ningunha certeza sobre se podería chamarse así: só se mostrou a súa obra sen ningún detalle da súa construción. En 2009, D-Wave Systems desenvolveu un motor de busca de imaxes "cuánticas" para Google. En maio de 2011, Lockheed Martin adquiriu unha computadora cuántica de D-Wave Systems. Onda D un por 10 millóns de dólares, mentres asinaba un contrato plurianual para a súa operación e desenvolvemento de algoritmos relacionados.

En 2012, esta máquina demostrou o proceso de atopar a molécula de proteína helicoidal con menor enerxía. Os investigadores de D-Wave Systems usan sistemas con diferentes números qubits, realizou unha serie de cálculos matemáticos, algúns dos cales superaban con moito as capacidades das computadoras clásicas. Non obstante, a principios de 2014, John Smolin e Graham Smith publicaron un artigo afirmando que a máquina D-Wave Systems non era unha máquina. Pouco despois, Physics of Nature presentou os resultados de experimentos que demostraban que D-Wave One aínda está ...

Outra proba realizada en xuño de 2014 non mostrou diferenzas entre un ordenador clásico e unha máquina D-Wave Systems, pero a empresa respondeu que a diferenza só se notaba para tarefas máis complexas que as resoltas na proba. A principios de 2017, a compañía presentou unha máquina que consistía ostensiblemente por 2 mil qubitsque foi 2500 veces máis rápido que os algoritmos clásicos máis rápidos. E de novo, dous meses despois, un grupo de científicos demostrou que esta comparación non era precisa. Para moitos escépticos, os sistemas D-Wave aínda non son ordenadores cuánticos, senón os seus simulacións utilizando métodos clásicos.

O sistema D-Wave de cuarta xeración utiliza recocidos cuánticose os estados dun qubit realízanse mediante circuítos cuánticos supercondutores (baseados nas chamadas unións de Josephson). Operan nun ambiente próximo ao cero absoluto e posúen un sistema de 2048 qubits. A finais de 2018, D-Wave presentouse ao mercado SALTO, é dicir, o teu entorno de aplicación cuántica en tempo real (KAE). A solución na nube ofrece aos clientes externos acceso en tempo real á computación cuántica.

En febreiro de 2019, D-Wave anunciou a próxima xeración  Pegasus. Anunciouse que era "o sistema cuántico comercial máis extenso do mundo" con quince conexións por qubit en lugar de seis, con máis de 5 qubits e activar a redución de ruído nun nivel previamente descoñecido. O dispositivo debería aparecer á venda a mediados do próximo ano.

Qubits, ou superposicións máis enredo

Os procesadores de ordenadores estándar confían en paquetes ou pezas de información, cada un representando unha única resposta si ou non. Os procesadores cuánticos son diferentes. Non funcionan nun mundo cero-un. óso do cóbado, a unidade máis pequena e indivisible de información cuántica é o sistema bidimensional descrito Espazo de Hilbert. Polo tanto, difire do ritmo clásico en que pode estar calquera superposición dous estados cuánticos. O modelo físico dun qubit dáse a maioría das veces como exemplo dunha partícula con espín ½, como un electrón, ou polarización dun só fotón.

Para aproveitar o poder dos qubits, debes conectalos mediante un proceso chamado confusión. Con cada qubit engadido, a potencia de procesamento do procesador dobres ti mesmo, xa que o número de enredos vai acompañado do enredo dun novo qubit con todos os estados xa dispoñibles no procesador (3). Pero crear e combinar qubits e despois dicirlles que realicen cálculos complicados non é unha tarefa sinxela. Quedan moi sensible ás influencias externaso que pode levar a erros de cálculo e, no peor dos casos, á decadencia dos qubits enredados, é dicir. decoherenciaque é a verdadeira maldición dos sistemas cuánticos. A medida que se engaden qubits adicionais, aumentan os efectos adversos das forzas externas. Unha forma de tratar este problema é habilitar adicionais qubits "CONTROL"cuxa única función é comprobar e corrixir a saída.

3. Representación simbólica do sistema IBM de 50 qubits

Non obstante, isto significa que se necesitarán ordenadores cuánticos máis potentes, útiles para resolver problemas complexos, como determinar como se pregan as moléculas de proteínas ou simular os procesos físicos dentro dos átomos. moitos qubits. Tom Watson da Universidade de Delft nos Países Baixos dixo recentemente á BBC News:

-

En resumo, se os ordenadores cuánticos van despegar, cómpre atopar un xeito sinxelo de producir procesadores qubit grandes e estables.

Dado que os qubits son inestables, é extremadamente difícil crear un sistema con moitos deles. Entón, se, ao final, os qubits como concepto para a computación cuántica fallan, os científicos teñen unha alternativa: as portas cuánticas de qubits.

Un equipo da Universidade de Purdue publicou un estudo en npj Quantum Information que detalla a súa creación. Os científicos cren que felicitaciónsa diferenza dos qubits, poden existir en máis de dous estados —por exemplo, 0, 1 e 2— e para cada estado engadido, a potencia de cálculo dun qudit aumenta. Noutras palabras, cómpre codificar e procesar a mesma cantidade de información. menos gloria que qubits.

Para crear portas cuánticas que conteñan qudits, o equipo de Purdue codificou catro qudits en dous fotóns entrelazados en termos de frecuencia e tempo. O equipo escolleu fotóns porque non afectan o medio con tanta facilidade e o uso de varios dominios permitiu máis enredos con menos fotóns. A porta rematada tiña unha potencia de procesamento de 20 qubits, aínda que só requiría catro qudits, cunha estabilidade adicional debido ao uso de fotóns, o que o converteu nun sistema prometedor para os futuros ordenadores cuánticos.

Trampas de silicio ou iones

Aínda que non todos comparten esta opinión, o uso do silicio para construír ordenadores cuánticos parece ter enormes beneficios, xa que a tecnoloxía do silicio está ben establecida e xa hai unha gran industria asociada a ela. O silicio emprégase nos procesadores cuánticos de Google e IBM, aínda que neles se arrefría a temperaturas moi baixas. Non é material ideal para sistemas cuánticos, pero os científicos están a traballar nel.

Segundo unha publicación recente en Nature, un equipo de investigadores utilizou a enerxía de microondas para aliñar dúas partículas de electróns suspendidas en silicio e despois utilizounas para realizar unha serie de cálculos de proba. O grupo, que incluía, en particular, a científicos da Universidade de Wisconsin-Madison "suspendeu" qubits dun electrón nunha estrutura de silicio, cuxo xiro estaba determinado pola enerxía da radiación de microondas. Nunha superposición, un electrón xiraba simultaneamente arredor de dous eixes diferentes. Os dous qubits foron entón combinados e programados para realizar cálculos de proba, despois de que os investigadores compararon os datos xerados polo sistema cos datos recibidos dunha computadora estándar que realizaba os mesmos cálculos de proba. Despois de corrixir os datos, un programable procesador de silicio cuántico de dous bits.

Aínda que a porcentaxe de erros aínda é moito maior que nas chamadas trampas iónicas (dispositivos nos que se almacenan durante algún tempo partículas cargadas como ións, electróns, protóns) ou ordenadores.  baseado en supercondutores como D-Wave, o logro segue sendo notable xa que illar os qubits do ruído externo é extremadamente difícil. Os especialistas ven oportunidades para ampliar e mellorar o sistema. E o uso do silicio, dende o punto de vista tecnolóxico e económico, é fundamental aquí.

Non obstante, para moitos investigadores, o silicio non é o futuro das computadoras cuánticas. En decembro do ano pasado, apareceu información de que os enxeñeiros da empresa estadounidense IonQ utilizaron iterbio para crear a computadora cuántica máis produtiva do mundo, superando os sistemas D-Wave e IBM.

O resultado foi unha máquina que contiña un só átomo nunha trampa iónica (4) usa un único qubit de datos para a codificación, e os qubits son controlados e medidos mediante pulsos láser especiais. O ordenador ten unha memoria que pode almacenar 160 qubits de datos. Tamén pode realizar cálculos simultaneamente en 79 qubits.

4. Esquema da trampa de ións IonQ

Científicos de IonQ realizaron unha proba estándar do chamado Algoritmo Bernstein-Vaziraniano. A tarefa da máquina era adiviñar un número entre 0 e 1023. Os ordenadores clásicos levan once adiviñas para un número de 10 bits. As computadoras cuánticas usan dous enfoques para adiviñar o resultado con 100% de certeza. No primeiro intento, a computadora cuántica IonQ adiviñou unha media do 73% dos números dados. Cando o algoritmo se executa para calquera número entre 1 e 1023, a taxa de éxito para un ordenador típico é do 0,2%, mentres que para IonQ é do 79%.

Os expertos de IonQ cren que os sistemas baseados en trampas iónicas son superiores aos ordenadores cuánticos de silicio que Google e outras empresas están a construír. A súa matriz de 79 qubits supera en 7 qubits ao procesador cuántico Bristlecone de Google. O resultado de IonQ tamén é sensacional no que se refire ao tempo de funcionamento do sistema. Segundo os creadores da máquina, para un só qubit, mantense no 99,97%, o que supón unha taxa de erro do 0,03%, mentres que os mellores resultados da competición promediaron arredor do 0,5%. A taxa de erro de 99,3 bits para o dispositivo IonQ debería ser do 95%, mentres que a maior parte da competencia non supera o XNUMX%.

Paga a pena engadir iso, segundo os investigadores de Google supremacía cuántica –o punto no que un ordenador cuántico supera a todas as demais máquinas dispoñibles– xa se pode alcanzar cun ordenador cuántico con 49 qubits, sempre que a taxa de erro nas portas de dous qubits sexa inferior ao 0,5 %. Non obstante, o método de trampa de iones na computación cuántica aínda ten grandes obstáculos que superar: tempo de execución lento e tamaño enorme, así como a precisión e escalabilidade da tecnoloxía.

Fortaleza de cifras en ruínas e outras consecuencias

En xaneiro de 2019 no CES 2019, a CEO de IBM, Ginni Rometty, anunciou que IBM xa estaba ofrecendo un sistema de computación cuántica integrado para uso comercial. Computadoras cuánticas de IBM5) están fisicamente situados en Nova York como parte do sistema IBM Q System One. Usando a Q Network e o Q Quantum Computational Center, os desenvolvedores poden usar facilmente o software Qiskit para compilar algoritmos cuánticos. Así, a potencia de cálculo das computadoras cuánticas de IBM está dispoñible como servizo de computación na nube, a un prezo razoable.

D-Wave tamén ofrece estes servizos dende hai tempo, e outros actores importantes (como Amazon) están a planear ofertas similares de nube cuántica. Microsoft foi máis aló coa introdución Q# linguaxe de programación (pronunciado como) que pode funcionar con Visual Studio e executarse nun portátil. Os programadores teñen unha ferramenta para simular algoritmos cuánticos e crear unha ponte de software entre a computación clásica e a cuántica.

Non obstante, a pregunta é, para que poden ser realmente útiles as computadoras e a súa potencia de cálculo? Nun estudo publicado o pasado mes de outubro na revista Science, científicos de IBM, a Universidade de Waterloo e a Universidade Técnica de Múnic tentaron aproximar os tipos de problemas que os ordenadores cuánticos parecen ser máis axeitados para resolver.

Segundo o estudo, tales dispositivos serán capaces de resolver complexos álxebra lineal e problemas de optimización. Parece vago, pero pode haber oportunidades de solucións máis sinxelas e económicas a problemas que actualmente requiren moito esforzo, recursos e tempo, e que ás veces están fóra do noso alcance.

5. Ordenador cuántico IBM

Computación cuántica útil cambiar diametralmente o campo da criptografía. Grazas a eles, os códigos de cifrado poderían romperse rapidamente e, posiblemente, a tecnoloxía blockchain será destruída. O cifrado RSA agora parece ser unha defensa forte e indestructible que protexe a maioría dos datos e comunicacións do mundo. Non obstante, un ordenador cuántico suficientemente potente pode facelo facilmente descifrar o cifrado RSA coa axuda Algoritmo de Shora.

Como evitalo? Algúns defenden aumentar a lonxitude das claves públicas de cifrado ata o tamaño necesario para superar o descifrado cuántico. Para outros, debería usarse só para garantir comunicacións seguras. Grazas á criptografía cuántica, o mesmo acto de interceptar os datos corrompiríaos, despois de que a persoa que interfira coa partícula non podería obter información útil dela, e o destinatario sería avisado sobre o intento de escoitas.

Tamén se mencionan frecuentemente as posibles aplicacións da computación cuántica. análise e previsión económica. Grazas aos sistemas cuánticos, pódense ampliar modelos complexos de comportamento do mercado para incluír moitas máis variables que antes, o que leva a diagnósticos e predicións máis precisas. Ao procesar simultaneamente miles de variables por un ordenador cuántico, tamén sería posible reducir o tempo e o custo necesarios para o desenvolvemento. novos medicamentos, solucións de transporte e loxística, cadeas de subministración, modelos climáticosasí como para resolver moitos outros problemas de xigantesca complexidade.

Lei de Nevena

O mundo dos vellos ordenadores tiña a súa propia lei de Moore, mentres que os ordenadores cuánticos deben guiarse polo chamado Lei de Nevena. Debe o seu nome a un dos máis destacados especialistas cuánticos de Google, Hartmut Nevena (6), que afirma que actualmente se están a producir avances na tecnoloxía de computación cuántica velocidade exponencial dobre.

Isto significa que en lugar de duplicar o rendemento con iteracións sucesivas, como ocorreu cos ordenadores clásicos e coa lei de Moore, a tecnoloxía cuántica mellora o rendemento moito máis rápido.

Os expertos prevén a chegada da superioridade cuántica, que se pode traducir non só na superioridade das computadoras cuánticas sobre as clásicas, senón tamén doutras formas, como o inicio dunha era de computadoras cuánticas útiles. Isto allanará o camiño para avances en química, astrofísica, medicina, seguridade, comunicacións e moito máis.

Porén, tamén existe a opinión de que esa superioridade nunca existirá, polo menos non nun futuro previsible. Unha versión máis suave do escepticismo é esa Os ordenadores cuánticos nunca substituirán aos ordenadores clásicos porque non están deseñados para iso. Non se pode substituír un iPhone ou un PC por unha máquina cuántica, do mesmo xeito que non se poden substituír tenis... por un portaavións nuclear.. Os ordenadores clásicos permítenche xogar, consultar o correo electrónico, navegar pola web e executar programas. Os ordenadores cuánticos na maioría dos casos realizan simulacións demasiado complexas para os sistemas binarios que se executan en bits de ordenador. Noutras palabras, os consumidores individuais case non obterán ningún beneficio da súa propia computadora cuántica, pero os verdadeiros beneficiarios do invento serán, por exemplo, a NASA ou o Instituto Tecnolóxico de Massachusetts.

O tempo dirá que enfoque é máis apropiado: IBM ou Google. Segundo a lei de Neven, estamos a só uns meses de ver unha demostración total de superioridade cuántica por parte duns equipos ou outros. E esta xa non é unha perspectiva "en dez anos, é dicir, ninguén sabe cando".