Sérieux les ordinateurs quantiques sont prêts à l'emploi. Ce qu'ils sont capables?

Dans un petit laboratoire dans le cadre de la campagne à une centaine de kilomètres au nord de New York avec un plafond suspendu complexe de la confusion des tubes et de l'électronique. C'est un ordinateur, laissez-le et désordonné. Et ce n'est pas un ordinateur ordinaire. Peut-être, à sa famille écrit de devenir l'un des plus importants dans l'histoire. Les ordinateurs quantiques promettent d'effectuer des calculs bien au-delà de la portée de toute l'ordinaire d'un superordinateur. Ils peuvent produire une révolution dans le domaine de la création de nouveaux matériaux, permettant de simuler le comportement de la matière jusqu'au niveau atomique. Ils peuvent en déduire la cryptographie et de la sécurité informatique à un nouveau niveau, взламывая jusqu'à présent inaccessibles de codes. Il y a même de l'espoir qu'ils retiraient de l'intelligence artificielle à un nouveau niveau, l'aider plus efficacement tamiser et traiter les données.

Et c'est seulement maintenant, après des décennies de progrès graduel, les scientifiques ont finalement parvenus à créer des ordinateurs quantiques, assez puissant pour faire ce que les ordinateurs de faire ne peut. Ce point de repère est joliment appelé «quantique de la supériorité». Le mouvement de ce point de repère dirige Google, suivi par Intel et Microsoft. Parmi eux — le bien financé par des start-ups: Rigetti Computing, IonQ, Quantum Circuits et les autres.

Et pourtant, personne ne peut rivaliser avec IBM dans ce domaine. Il y a 50 ans, la société a réalisé des progrès dans le domaine de la science des matériaux, qui a jeté les bases de la révolution informatique. C'est pourquoi, en octobre dernier MIT Technology Review allé dans un centre de Recherche de Thomas Watson lors d'IBM, pour répondre à la question: ordinateur quantique sera bon? Est-il possible de construire une pratique, fiable ordinateur quantique?

Pourquoi avons-nous besoin d'un ordinateur quantique?

Ce centre de recherche, situé à Yorktown Heights, un peu comme une soucoupe volante, comme prévu, en 1961. Il a été conçu par l'architecte-неофутуристом Eero Саариненом et construit pendant l'époque IBM comme le créateur de grandes mainframes pour les entreprises. IBM a été la plus grande société informatique dans le monde, et plus de dix ans de la construction du centre de recherche, elle est devenue la cinquième plus grande société dans le monde, immédiatement après Ford et General Electric.

Bien que les couloirs d'un bâtiment regardent sur le village, le design est tel que dans l'un des bureaux de l'intérieur n'a pas de fenêtres. Dans l'une de ces pièces et se manifeste par Charles Bennett. Il a maintenant 70, il avait de grandes moustaches blanches, il porte des chaussettes noires avec des sandales et même des crayons avec des poignées. Entouré de vieux écrans d'ordinateur, des modèles chimiques et, de façon inattendue, une petite disco-boule, il se souvenait de la naissance de l'informatique quantique, comme si c'était hier.

Lorsque Bennett a rejoint IBM en 1972, la physique quantique était déjà un demi-siècle, mais les calculs comptaient toujours sur la physique classique et de la théorie mathématique de l'information que Claude Shannon a développé au MIT dans les années 1950. C'est Shannon a déterminé la quantité d'informations le nombre de «bits» (ce terme, il a popularisé, mais n'a pas inventé), nécessaires pour sa conservation. Ces bits 0 et 1 code binaire donné lieu à des calculs.

Plus Tard un an après l'arrivée à Yorktown Heights, Bennett a aidé à jeter les bases de la théorie quantique de l'information, qui a défié la précédente. Elle utilise un comportement bizarre des objets atomiques échelle. À cette échelle, la particule peut exister dans la «superposition» de nombreux états (c'est-à-dire dans une multitude de positions à la fois. Deux particules peuvent également «confondus», de sorte que le changement d'état d'un réagit immédiatement à la deuxième.

Bennett et les autres à comprendre que certains types de calculs qui prennent trop de temps ou de tous les possibles, on pourrait effectivement passer à l'aide de phénomènes quantiques. Un ordinateur quantique stocke les informations dans des bits quantiques, ou кубитах. Кубиты peuvent exister dans суперпозициях de zéros et de uns (1 et 0), et la confusion et l'interférence, vous pouvez l'utiliser pour rechercher des solutions d'informatique dans un grand nombre d'états. Comparer quantiques et classiques, les ordinateurs ne sont pas tout à fait correct, mais, pour reprendre l'expression au sens figuré, un ordinateur quantique avec plusieurs centaines de qubits peut produire plus de calculs à la fois, que d'atomes dans l'univers connu.

L'Été 1981, IBM et MIT organisé équivalent d'un événement intitulé «la Première conférence sur la physique computing». Elle s'est tenue à l'hôtel Endicott House, un manoir de style français, à proximité du campus du MIT.

Sur la photo, qui Bennett a fait au cours de la conférence, sur la pelouse, vous pouvez voir certaines des figures les plus influentes dans l'histoire de l'informatique et de la physique quantique, y compris de Konrad Зузе, qui a conçu le premier ordinateur programmable, et de Richard Feynman, a apporté une contribution importante à la théorie quantique. Feynman a gardé la conférence clé d'un discours, qui a soulevé l'idée d'utiliser des effets quantiques pour les calculs.

«la Plus grande poussée de la théorie quantique de l'information a reçu de Feynman», dit Bennett. «Il a dit: la nature quantique, la mère! Si nous voulons imiter, nous avons besoin d'un ordinateur quantique».

Quantique d'un ordinateur IBM — l'un des plus prometteurs de tous les temps se trouve directement dans le couloir du bureau de Bennett. Cette machine est conçue pour la création et la manipulation d'un élément important d'un ordinateur quantique: кубитами, qui stockent des informations.

le Fossé entre le rêve et la réalité

La Machine IBM utilise les phénomènes qui se déroulent dans les matériaux supraconducteurs. Par exemple, parfois le courant circule dans le sens horaire et dans le sens antihoraire à la fois. L'ordinateur IBM utilise сверхпроводниковыеles puces qui qubit constituent les deux différents électromagnétiques d'énergie de l'état.

Сверхпроводимый approche a de nombreux avantages. Le matériel peuvent être créés par bien connus et établis de méthodes pour la gestion du système, vous pouvez utiliser un ordinateur ordinaire. Кубиты dans сверхпроводящей schéma se prêtent facilement à la manipulation et moins sensibles que les photons ou les ions.

Dans le quantique du laboratoire d'IBM, les ingénieurs travaillent sur une version d'ordinateur avec 50 кубитами. Vous pouvez exécuter le simulateur simple d'un ordinateur quantique sur un ordinateur, mais à 50 кубитах il sera presque impossible. Et cela signifie que IBM théoriquement se rapproche du point, au-delà duquel un ordinateur quantique sera en mesure de résoudre le problème, inaccessibles à la classique de l'ordinateur: en d'autres termes, le gué de la supériorité.

Mais les scientifiques d'IBM vous diront que le gué de la supériorité est un concept insaisissable. Vous aurez besoin de tous les 50 qubits fonctionné parfaitement, quand, en réalité, les ordinateurs quantiques fortement de subir les erreurs. Il est aussi incroyablement difficile à maintenir кубиты sur une période donnée; ils sont enclins à «декогеренции», c'est à la perte de sa délicate quantique de la nature, comme un anneau de fumée se dissout au moindre coup de vent. Et plus qubits, d'autant plus difficile de faire face à ces deux exigences.

«Si vous aviez 50 ou 100 qubits et ils ont vraiment travaillé suffisamment bien, et ont définitivement à l'abri des erreurs, vous pourriez produire insondables de calcul, qui ne serait en mesure de les lire sur n'importe quel classique de la machine, ni maintenant, ni alors, ni dans l'avenir», dit Robert Шелькопф, professeur à l'université de Yale et fondateur de la société Quantum Circuits. «Le verso de l'informatique quantique réside dans le fait qu'il y a un nombre incroyable de possibilités d'erreurs».

Une Autre raison pour la prudence est qu'il n'est pas évident, dans la mesure utile serait même parfaitement fonctionnel à l'ordinateur quantique. Il n'est pas tout simplement d'accélérer la solution d'un problème que vous lui jetez. En effet, dans de nombreux accouchement de calcul, il sera incommensurable «bourrins» classiques machines. Pas beaucoup d'algorithmes a été définie jusqu'à présent, dans lequel un ordinateur quantique serait d'avoir l'avantage évident. Et même avec eux, c'est l'avantage peut être de courte durée. Le plus connu quantique de l'algorithme, développé par Peter Шором au MIT, est conçu pour la recherche de simples multiplicateurs entier. Beaucoup de célèbres cryptographiques schémas s'appuient sur le fait que cette recherche est extrêmement difficile à mettre en œuvre normal de l'ordinateur. Mais la cryptographie peut s'adapter et de créer de nouveaux types de code, n'est pas dépendant факторизацию.

C'est pourquoi, même en s'approchant de 50-кубитной jalon, des chercheurs d'IBM eux-mêmes tentent de dissiper la sensation. À la table dans le couloir qui donne sur une pelouse verdoyante, à l'extérieur, la peine de Jay Gambetta, haut australien, explorant les algorithmes et les potentiels de l'application pour le matériel d'IBM. «Nous sommes dans une position unique», dit-il, les choisir avec soin les mots. «Nous avons est un dispositif qui est plus difficile que vous pouvez simuler sur un ordinateur classique, mais elle n'est pas contrôlée avec une précision suffisante pour passer à travers elle algorithmes connus».

Ce Qui donne à tous les айбиэмщикам l'espoir que même неидеальный un ordinateur quantique peut être utile.

La place Gambetta et d'autres chercheurs ont commencé avec une application qui Feynman avait prévu en 1981. Les réactions chimiques et les propriétés des matériaux sont définis par les interactions entre les atomes et les molécules. Ces interactions sont gérées par les phénomènes quantiques. Un ordinateur quantique peut (au moins en théorie) de simuler de façon ne peut pas normal.

L'année dernière, la place Gambetta et ses collègues de l'IBM a utilisé семикубитную la machine pour la modélisation de la structure exacte de l'hydrure de béryllium. Composée de trois atomes, cette molécule est le plus difficile de tous, qui était modélisée avec l'application quantique du système. Finalement, les scientifiques seront en mesure d'utiliser les ordinateurs quantiques pour la conception efficace panneaux solaires, de médicaments ou de catalyseurs, convertissent la lumière solaire en carburant propre.

Ces objectifs, bien sûr, encore inimaginable loin. Mais comme le dit Gambetta, de précieux résultats que vous pouvez obtenir de travailler à deux quantique et classique ordinateurs.

Que pour la physique de rêve, pour l'ingénieur cauchemar

«à la Sensation de la pousse à la prise de conscience que l'informatique quantique sont réels», dit Isaac Chuang, professeur du MIT. «Ce n'est plus le rêve de la physique, c'est le cauchemar de l'ingénieur».

Chuan a dirigé le développement des premiers ordinateurs quantiques, en travaillant dans IBM Альмадене, en Californie, à la fin des années 1990 et le début des années 2000. Bien qu'il ne fonctionne plus sur eux, il croit aussi que nous sommes au début de quelque chose de très grand et que l'informatique quantique finira par jouer un rôle même dans le développement de l'intelligence artificielle.

Il est également soupçonne que la révolution ne commence pas jusqu'à ce que la nouvelle génération d'étudiants et les pirates commence à jouer avec les machines. Les ordinateurs quantiques nécessitent non seulement d'autres langages de programmation, mais aussi fondamentalement un autre mode de pensée sur la programmation. Comme le dit Gambetta, «nous ne savons pas vraiment, ce qui équivaut à «hello world» sur l'ordinateur quantique».

Mais nous commençons à chercher. En 2016, IBM a joint un petit ordinateur quantique avec le cloud. En utilisant l'outil de programmation QISKit, vous pouvez exécuter des programmes simples;des milliers de personnes, des académiciens à des écoliers, ont déjà créé des programmes sur QISKit, qui traitent de simples algorithmes quantiques. Maintenant, Google et d'autres sociétés sont également essayer de tirer les ordinateurs quantiques en ligne. Ils ne sont pas capables de beaucoup de choses, mais donner aux gens la possibilité de sentir, qu'est-ce que l'informatique quantique.