Sepuluh tahun kemudian tidak ada yang tahu kapan

Untuk orang yang kurang informasi yang telah membaca banyak publikasi tentang komputer kuantum, orang mungkin mendapat kesan bahwa ini adalah mesin "off-the-shelf" yang bekerja dengan cara yang sama seperti komputer biasa. Tidak ada yang lebih salah. Beberapa bahkan percaya bahwa belum ada komputer kuantum. Dan yang lain bertanya-tanya untuk apa mereka akan digunakan, karena mereka tidak dirancang untuk menggantikan sistem nol-satu.

Kita sering mendengar bahwa komputer kuantum pertama yang benar-benar berfungsi dengan baik akan muncul dalam waktu sekitar satu dekade. Namun, seperti yang dikatakan Linley Gwennap, kepala analis di Linley Group, dalam artikel tersebut, "ketika orang mengatakan bahwa komputer kuantum akan muncul dalam sepuluh tahun, mereka tidak tahu kapan itu akan terjadi."

Meskipun situasi samar-samar ini, suasana persaingan untuk apa yang disebut. dominasi kuantum. Prihatin tentang pekerjaan kuantum dan keberhasilan Cina, pemerintah AS Desember lalu mengesahkan Undang-Undang Inisiatif Kuantum Nasional (1). Dokumen ini dimaksudkan untuk memberikan dukungan federal untuk penelitian, pengembangan, demonstrasi, dan penerapan komputasi dan teknologi kuantum. Dalam sepuluh tahun yang ajaib, pemerintah AS akan menghabiskan miliaran untuk membangun infrastruktur komputasi kuantum, ekosistem, dan merekrut orang. Semua pengembang utama komputer kuantum - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft dan Rigetti, serta pencipta algoritme kuantum 1QBit dan Zapata menyambut baik hal ini. Inisiatif Kuantum Nasional.

Pionir D-WAve

Pada tahun 2007, D-Wave Systems memperkenalkan chip 128-qubit (2), disebut komputer kuantum pertama di dunia. Namun, belum ada kepastian apakah bisa disebut demikian - hanya karyanya yang diperlihatkan, tanpa detail konstruksinya. Pada tahun 2009, D-Wave Systems mengembangkan mesin pencari gambar "kuantum" untuk Google. Pada Mei 2011, Lockheed Martin memperoleh komputer kuantum dari D-Wave Systems. gelombang D satu sebesar $ 10 juta, sambil menandatangani kontrak multi-tahun untuk pengoperasian dan pengembangan algoritme terkait.

Pada 2012, mesin ini mendemonstrasikan proses menemukan molekul protein heliks dengan energi terendah. Peneliti dari D-Wave Systems menggunakan sistem dengan angka yang berbeda qubit, melakukan sejumlah perhitungan matematis, beberapa di antaranya jauh melampaui kemampuan komputer klasik. Namun, pada awal tahun 2014, John Smolin dan Graham Smith menerbitkan sebuah artikel yang mengklaim bahwa mesin D-Wave Systems bukanlah sebuah mesin. Tak lama kemudian, Physics of Nature mempresentasikan hasil eksperimen yang membuktikan bahwa D-Wave One masih ...

Tes lain pada Juni 2014 tidak menunjukkan perbedaan antara komputer klasik dan mesin D-Wave Systems, tetapi perusahaan menjawab bahwa perbedaannya hanya terlihat untuk tugas yang lebih kompleks daripada yang diselesaikan dalam tes. Pada awal 2017, perusahaan meluncurkan mesin yang seolah-olah terdiri dari: 2 ribu qubityang 2500 kali lebih cepat dari algoritma klasik tercepat. Dan lagi, dua bulan kemudian, sekelompok ilmuwan membuktikan bahwa perbandingan ini tidak akurat. Bagi banyak skeptis, sistem D-Wave masih bukan komputer kuantum, tetapi simulasi menggunakan metode klasik.

Sistem D-Wave generasi keempat menggunakan anil kuantumdan keadaan qubit diwujudkan dengan sirkuit kuantum superkonduktor (berdasarkan apa yang disebut persimpangan Josephson). Mereka beroperasi di lingkungan yang mendekati nol mutlak dan membanggakan sistem 2048 qubit. Pada akhir 2018, D-Wave diperkenalkan ke pasar MELAMBUNG, yaitu, Anda lingkungan aplikasi kuantum waktu nyata (KAE). Solusi cloud memberi klien eksternal akses real-time ke komputasi kuantum.

Pada Februari 2019, D-Wave mengumumkan generasi berikutnya  Pegasus. Diumumkan sebagai "sistem kuantum komersial paling luas di dunia" dengan lima belas koneksi per qubit, bukan enam, dengan lebih dari 5 qubit dan mengaktifkan pengurangan kebisingan pada tingkat yang sebelumnya tidak diketahui. Perangkat tersebut akan mulai dijual pada pertengahan tahun depan.

Qubit, atau superposisi ditambah keterjeratan

Prosesor komputer standar bergantung pada paket atau potongan informasi, masing-masing mewakili satu jawaban ya atau tidak. Prosesor kuantum berbeda. Mereka tidak bekerja di dunia nol-satu. tulang siku, unit informasi kuantum terkecil dan tak terpisahkan adalah sistem dua dimensi yang dijelaskan ruang hilbert. Oleh karena itu, ini berbeda dari ketukan klasik karena dapat dimainkan superposisi apapun dua keadaan kuantum. Model fisik qubit paling sering diberikan sebagai contoh partikel dengan spin , seperti elektron, atau polarisasi foton tunggal.

Untuk memanfaatkan kekuatan qubit, Anda harus menghubungkannya melalui proses yang disebut kebingungan. Dengan setiap qubit yang ditambahkan, kekuatan pemrosesan prosesor ganda dirimu sendiri, karena jumlah keterjeratan disertai dengan keterjeratan qubit baru dengan semua status yang sudah tersedia di prosesor (3). Tetapi membuat dan menggabungkan qubit, dan kemudian menyuruh mereka melakukan perhitungan yang rumit bukanlah tugas yang mudah. Mereka tinggal sangat sensitif terhadap pengaruh eksternalyang dapat menyebabkan kesalahan perhitungan dan, dalam kasus terburuk, pembusukan qubit yang terjerat, yaitu. dekoherensiyang merupakan kutukan nyata dari sistem kuantum. Saat qubit tambahan ditambahkan, efek buruk dari kekuatan eksternal meningkat. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan mengaktifkan tambahan qubit "KONTROL"yang hanya berfungsi untuk memeriksa dan memperbaiki output.

3. Representasi simbolis dari sistem IBM 50-qubit

Namun, ini berarti bahwa komputer kuantum yang lebih kuat akan dibutuhkan, berguna untuk memecahkan masalah kompleks, seperti menentukan bagaimana molekul protein melipat atau mensimulasikan proses fisik di dalam atom. banyak qubit. Tom Watson dari Universitas Delft di Belanda baru-baru ini mengatakan kepada BBC News:

-

Singkatnya, jika komputer kuantum ingin lepas landas, Anda perlu menemukan cara mudah untuk menghasilkan prosesor qubit yang besar dan stabil.

Karena qubit tidak stabil, sangat sulit untuk membuat sistem dengan banyak qubit. Jadi jika, pada akhirnya, qubit sebagai konsep untuk komputasi kuantum gagal, para ilmuwan memiliki alternatif: gerbang kuantum qubit.

Sebuah tim dari Universitas Purdue menerbitkan sebuah penelitian di npj Quantum Information yang merinci kreasi mereka. Para ilmuwan percaya bahwa kudittidak seperti qubit, mereka dapat berada di lebih dari dua status, seperti 0, 1, dan 2, dan untuk setiap status yang ditambahkan, daya komputasi satu qudit meningkat. Dengan kata lain, Anda perlu menyandikan dan memproses jumlah informasi yang sama. kurang kemuliaan daripada qubit.

Untuk membuat gerbang kuantum yang berisi qudit, tim Purdue mengkodekan empat qudit menjadi dua foton terjerat dalam hal frekuensi dan waktu. Tim memilih foton karena mereka tidak mempengaruhi lingkungan dengan mudah, dan menggunakan beberapa domain memungkinkan lebih banyak keterjeratan dengan lebih sedikit foton. Gerbang yang telah selesai memiliki kekuatan pemrosesan 20 qubit, meskipun hanya membutuhkan empat qudit, dengan stabilitas tambahan karena penggunaan foton, menjadikannya sistem yang menjanjikan untuk komputer kuantum masa depan.

Perangkap silikon atau ion

Meskipun tidak semua orang setuju dengan pendapat ini, penggunaan silikon untuk membangun komputer kuantum tampaknya memiliki manfaat besar, karena teknologi silikon sudah mapan dan sudah ada industri besar yang terkait dengannya. Silikon digunakan dalam prosesor kuantum Google dan IBM, meskipun didinginkan di dalamnya hingga suhu yang sangat rendah. Ini bukan bahan yang ideal untuk sistem kuantum, tetapi para ilmuwan sedang mengerjakannya.

Menurut publikasi baru-baru ini di Nature, tim peneliti menggunakan energi gelombang mikro untuk menyelaraskan dua partikel elektron yang tersuspensi dalam silikon dan kemudian menggunakannya untuk melakukan serangkaian perhitungan uji. Kelompok, yang termasuk, khususnya, para ilmuwan dari Universitas Wisconsin-Madison "menangguhkan" qubit elektron tunggal dalam struktur silikon, putarannya ditentukan oleh energi radiasi gelombang mikro. Dalam superposisi, sebuah elektron secara bersamaan diputar di sekitar dua sumbu yang berbeda. Kedua qubit kemudian digabungkan dan diprogram untuk melakukan perhitungan pengujian, setelah itu para peneliti membandingkan data yang dihasilkan oleh sistem dengan data yang diterima dari komputer standar yang melakukan perhitungan pengujian yang sama. Setelah mengoreksi data, sebuah programmable prosesor silikon kuantum dua bit.

Meskipun persentase kesalahan masih jauh lebih tinggi daripada yang disebut perangkap ion (perangkat yang menyimpan partikel bermuatan untuk beberapa waktu, seperti ion, elektron, proton) atau komputer.  berdasarkan superkonduktor seperti D-Wave, pencapaiannya tetap luar biasa karena mengisolasi qubit dari kebisingan eksternal sangat sulit. Spesialis melihat peluang untuk meningkatkan dan meningkatkan sistem. Dan penggunaan silikon, dari sudut pandang teknologi dan ekonomi, sangat penting di sini.

Namun, bagi banyak peneliti, silikon bukanlah masa depan komputer kuantum. Pada bulan Desember tahun lalu, muncul informasi bahwa para insinyur dari perusahaan Amerika IonQ menggunakan ytterbium untuk menciptakan komputer kuantum paling produktif di dunia, melampaui sistem D-Wave dan IBM.

Hasilnya adalah mesin yang berisi satu atom dalam perangkap ion (4) menggunakan qubit data tunggal untuk pengkodean, dan qubit dikontrol dan diukur menggunakan pulsa laser khusus. Komputer memiliki memori yang dapat menyimpan 160 qubit data. Itu juga dapat melakukan perhitungan secara bersamaan pada 79 qubit.

4. Skema perangkap ion IonQ

Para ilmuwan dari IonQ melakukan tes standar dari apa yang disebut Algoritma Bernstein-Vaziranian. Tugas mesin adalah menebak angka antara 0 dan 1023. Komputer klasik membutuhkan sebelas tebakan untuk angka 10-bit. Komputer kuantum menggunakan dua pendekatan untuk menebak hasil dengan kepastian 100%. Pada percobaan pertama, komputer kuantum IonQ menebak rata-rata 73% dari angka yang diberikan. Ketika algoritme dijalankan untuk nomor berapa pun antara 1 dan 1023, tingkat keberhasilan untuk komputer biasa adalah 0,2%, sedangkan untuk IonQ adalah 79%.

Pakar IonQ percaya bahwa sistem yang didasarkan pada perangkap ion lebih unggul daripada komputer kuantum silikon yang sedang dibangun oleh Google dan perusahaan lain. Matriks 79-qubit mereka mengungguli prosesor kuantum Bristlecone Google dengan 7 qubit. Hasil IonQ juga sensasional dalam hal uptime sistem. Menurut pencipta mesin, untuk satu qubit, tetap di 99,97%, yang berarti tingkat kesalahan 0,03%, sedangkan hasil terbaik dari kompetisi rata-rata sekitar 0,5%. Tingkat kesalahan dua bit untuk perangkat IonQ harus di 99,3%, sementara sebagian besar pesaing tidak melebihi 95%.

Perlu ditambahkan bahwa, menurut peneliti Google supremasi kuantum – titik di mana komputer kuantum mengungguli semua mesin lain yang tersedia – sudah dapat dicapai dengan komputer kuantum dengan 49 qubit, asalkan tingkat kesalahan pada gerbang dua qubit di bawah 0,5%. Namun, metode perangkap ion dalam komputasi kuantum masih menghadapi rintangan besar yang harus diatasi: waktu eksekusi yang lambat dan ukuran yang sangat besar, serta akurasi dan skalabilitas teknologinya.

Benteng cipher di reruntuhan dan konsekuensi lainnya

Pada Januari 2019 di CES 2019, CEO IBM Ginni Rometty mengumumkan bahwa IBM telah menawarkan sistem komputasi kuantum terintegrasi untuk penggunaan komersial. Komputer kuantum IBM5) secara fisik berlokasi di New York sebagai bagian dari sistem IBM Q Sistem Satu. Menggunakan Q Network dan Q Quantum Computational Center, pengembang dapat dengan mudah menggunakan perangkat lunak Qiskit untuk mengkompilasi algoritma kuantum. Dengan demikian, kekuatan komputasi komputer kuantum IBM tersedia sebagai: layanan komputasi awan, dihargai dengan masuk akal.

D-Wave juga telah menyediakan layanan tersebut untuk beberapa waktu, dan pemain besar lainnya (seperti Amazon) merencanakan penawaran cloud kuantum serupa. Microsoft melangkah lebih jauh dengan pengenalan Q# bahasa pemrograman (diucapkan seperti) yang dapat bekerja dengan Visual Studio dan dijalankan di laptop. Pemrogram memiliki alat untuk mensimulasikan algoritma kuantum dan membuat jembatan perangkat lunak antara komputasi klasik dan kuantum.

Namun, pertanyaannya adalah, komputer dan daya komputasinya sebenarnya berguna untuk apa? Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan Oktober lalu di jurnal Science, para ilmuwan dari IBM, University of Waterloo dan Technical University of Munich berusaha memperkirakan jenis masalah yang tampaknya paling cocok untuk dipecahkan oleh komputer kuantum.

Menurut penelitian, perangkat semacam itu akan dapat memecahkan kompleks aljabar linier dan masalah optimasi. Kedengarannya tidak jelas, tetapi mungkin ada peluang untuk solusi yang lebih sederhana dan lebih murah untuk masalah yang saat ini membutuhkan banyak usaha, sumber daya, dan waktu, dan terkadang di luar jangkauan kita.

5. Komputer kuantum IBM

Komputasi kuantum yang berguna mengubah bidang kriptografi secara diametris. Berkat mereka, kode enkripsi dapat dengan cepat dipecahkan dan, mungkin, teknologi blockchain akan dihancurkan. Enkripsi RSA sekarang tampaknya menjadi pertahanan yang kuat dan tidak dapat dihancurkan yang melindungi sebagian besar data dan komunikasi di dunia. Namun, komputer kuantum yang cukup kuat dapat dengan mudah memecahkan enkripsi RSA melalui Algoritma Shora.

Bagaimana mencegahnya? Beberapa menganjurkan untuk meningkatkan panjang kunci enkripsi publik ke ukuran yang dibutuhkan untuk mengatasi dekripsi kuantum. Bagi yang lain, itu harus digunakan sendiri untuk memastikan komunikasi yang aman. Berkat kriptografi kuantum, tindakan penyadapan data akan merusaknya, setelah itu orang yang mengganggu partikel tidak akan bisa mendapatkan informasi yang berguna darinya, dan penerima akan diperingatkan tentang upaya penyadapan.

Aplikasi potensial komputasi kuantum juga sering disebutkan. analisis dan peramalan ekonomi. Berkat sistem kuantum, model perilaku pasar yang kompleks dapat diperluas untuk mencakup lebih banyak variabel daripada sebelumnya, yang mengarah pada diagnosis dan prediksi yang lebih akurat. Dengan memproses ribuan variabel secara bersamaan oleh komputer kuantum, juga dimungkinkan untuk mengurangi waktu dan biaya yang diperlukan untuk pengembangan. obat baru, solusi transportasi dan logistik, rantai pasokan, model iklimserta untuk memecahkan banyak masalah lain yang sangat rumit.

Hukum Neven

Dunia komputer lama memiliki hukum Moore sendiri, sedangkan komputer kuantum harus dipandu oleh apa yang disebut Hukum Neven. Dia berutang namanya kepada salah satu spesialis kuantum paling terkemuka di Google, Hartmut Nevena (6), yang menyatakan bahwa kemajuan dalam teknologi komputasi kuantum saat ini sedang dibuat di kecepatan eksponensial ganda.

Ini berarti bahwa alih-alih menggandakan kinerja dengan iterasi yang berurutan, seperti halnya dengan komputer klasik dan hukum Moore, teknologi kuantum meningkatkan kinerja jauh lebih cepat.

Para ahli memperkirakan munculnya superioritas kuantum, yang dapat diterjemahkan tidak hanya ke dalam keunggulan komputer kuantum atas komputer klasik mana pun, tetapi juga dengan cara lain - sebagai awal dari era komputer kuantum yang berguna. Ini akan membuka jalan bagi terobosan dalam bidang kimia, astrofisika, kedokteran, keamanan, komunikasi, dan banyak lagi.

Namun, ada juga yang berpendapat bahwa keunggulan seperti itu tidak akan pernah ada, setidaknya tidak di masa mendatang. Versi skeptisisme yang lebih ringan adalah bahwa komputer kuantum tidak akan pernah menggantikan komputer klasik karena mereka tidak dirancang untuk itu. Anda tidak dapat mengganti iPhone atau PC dengan mesin kuantum, sama seperti Anda tidak dapat mengganti sepatu tenis... dengan kapal induk nuklir.. Komputer klasik memungkinkan Anda bermain game, memeriksa email, menjelajahi web, dan menjalankan program. Komputer kuantum dalam banyak kasus melakukan simulasi yang terlalu kompleks untuk sistem biner yang berjalan pada bit komputer. Dengan kata lain, konsumen individu hampir tidak mendapatkan manfaat dari komputer kuantum mereka sendiri, tetapi penerima manfaat sebenarnya dari penemuan ini adalah, misalnya, NASA atau Institut Teknologi Massachusetts.

Waktu akan menentukan pendekatan mana yang lebih tepat - IBM atau Google. Menurut hukum Neven, kita hanya beberapa bulan lagi akan melihat demonstrasi penuh superioritas kuantum oleh satu tim atau lainnya. Dan ini bukan lagi prospek "dalam sepuluh tahun, tidak ada yang tahu kapan."