Quanto siamo vicini alla creazione di un computer quantistico?

La Gara è in pieno svolgimento. Aziende nel mondo stanno cercando di creare il primo computer quantistico, che si basa su una tecnologia, da tempo promette di aiutare gli scienziati a sviluppare meravigliosi nuovi materiali, ideale crittografia dei dati e l'esatta previsione dei cambiamenti climatici della Terra. Tale macchina probabilmente non prima di dieci anni, ma questo non ferma IBM, Microsoft, Google, Intel e altri. Sono letteralmente pezzo per pezzo la diffusione bit quantistici – o qubit – sulla cpu chip. Ma la strada verso il quantum computing comprende molto di più di manipolazione con субатомными particelle.

Qubit può rappresentare 0 e 1 alla volta, grazie alla квантовому fenomeno di sovrapposizione. Questo consente di кубитами spendere una quantità enorme di calcolo contemporaneamente, aumentando notevolmente la velocità di elaborazione e capacità. Ma ci sono diversi tipi di qubit, e non tutti sono creati uguali. Programmabile кремниевом quantistico chip, ad esempio, il valore di bit (1 o 0) è determinata dalla direzione di rotazione dell'elettrone. Tuttavia qubit estremamente fragili, e alcuni hanno bisogno di una temperatura di 20 милликельвинов – 250 volte più freddo nello spazio profondo, per rimanere stabile.

Naturalmente, un computer quantistico non è solo il processore. Questi sistemi di nuova generazione avrà bisogno di nuovi algoritmi, un nuovo software di connessione e un gruppo non ancora inventato la tecnologia, traevano beneficio dalla enorme potenza di calcolo. Inoltre, i risultati di calcolo sarà necessario memorizzare da qualche parte.

«Se non fosse tutto così difficile, avremmo già fatto uno», dice Jim Clark, direttore квантовому hardware Intel Labs. Al CES di quest'anno Intel ha introdotto 49-кубитовый processore sotto il nome in codice di Tangle Lake. Alcuni anni fa l'azienda ha creato un ambiente virtuale per le prove quantistica; usa il potente supercomputer Stampede (università del Texas) per simulare 42-кубитового della cpu. Tuttavia, per capire effettivamente come scrivere per i computer quantistici, è necessario simulare centinaia o addirittura migliaia di qubit, dice Clark.

Scientific American ha preso Clark intervista, in cui ha parlato di diversi approcci alla creazione di un computer quantistico, perché sono fragili, e perché tutta questa storia vuole tanto tempo. Sarà interessante.

Di computazione quantistica sono diverse da quelle tradizionali?

Comune di metafora, che viene utilizzato per il confronto di due tipi di calcolo, — è la moneta. In un tradizionale computer processore transistor o «testa» o «croce». Ma se si chiede da che parte guarda la moneta, quando gira, si dirà che la risposta può essere e ciò e altro ancora. Sono fatti così computazione quantistica. Invece dei soliti bit che rappresentano 0 o 1, si dispone di quantum bit, che allo stesso tempo rappresenta e 0, e 1 finché qubit non smette di girare e non entrerà in uno stato di riposo.

Lo Spazio di stato o la capacità di ordinare attraverso un enorme numero di combinazioni possibili – nel caso di quantum computer in modo esponenziale. Immaginate che ho in mano due monete e lancio una in aria contemporaneamente. Mentre ruotano, rappresentano quattro stati possibili. Se le do tre monete in aria, che presenterà otto di stati possibili. Se io la lancio in aria di cinquanta monete e vi chiedo, quanti di stato rappresentano la risposta è un numero che non è in grado di calcolare anche il più potente supercomputer del mondo. Trecento monete – ancora un numero relativamente piccolo di – rappresenterà più stati, di atomi nell'Universo.

Perché qubit sono così fragili?

La Realtà è che le monete, o qubit, alla fine smettono di girare e коллапсируют in un certo stato, sia testa o croce. Lo scopo del calcolo quantistico è quello di mantenere la loro rotazione in sovrapposizione in una moltitudine di stati di lungo periodo. Immaginate che ho sul tavolo gira la moneta e qualcuno spinge tavolo. La moneta può cadere più velocemente. Il rumore, il cambiamento di temperatura, elettrici fluttuazione o vibrazione – tutto questo può interferire con il qubit e portare alla perdita di dati. Uno dei modi per stabilizzare qubit determinati tipi – di mantenere la loro a freddo. I nostri qubit lavorano in frigo dimensioni con un barile da 55 galloni e di utilizzare un particolare isotopo dell'elio per il raffreddamento quasi alla temperatura dello zero assoluto.

Come diversi tipi di qubit si differenziano tra di loro?

Ci sono non meno di sei o sette diversi tipi di qubit, e circa tre-quattro di loro sono attivamente affrontate per l'uso in computer quantistici. La differenza è, come manipolare кубитами e farli comunicare tra di loro. Bisogno di due qubit parlavano tra di loro, per perseguire grande «entangled» i calcoli, e diversi tipi di qubit invischiati in modo diverso. Descritto il tipo, che richiede di raffreddamento di emergenza, chiamato superconduttore sistema, che comprende il nostro processore Tangle Lake e computer quantistici, costruiti Google, IBM e altri. Altri approcci utilizzano oscillante cariche catturati ioni – trattenute sul posto in una camera a vuoto di raggi laser – che agiscono nel ruolo di qubit. Intel non sta sviluppando un sistema catturati ioni, perché per questo ha bisogno di una profonda conoscenza dei laser e ottica, non ne abbiamo il potere.

Tuttavia studiamo il terzo tipo, che chiamiamo кремниевыми spin-кубитами. Sembrano proprio come i tradizionali transistor al silicio, ma presentano un elettrone.Spin-qubit utilizzano impulsi a microonde per il controllo di spin dell'elettrone e liberare il suo quantum di potere. Questa tecnologia è oggi meno matura, che la tecnologia qubit superconduttori, però, forse, ha molte più possibilità di scalare e diventare un successo commerciale.

Come arrivare fino a questo punto da qui?

Il Primo passo per fare queste quantistica chip. Allo stesso tempo abbiamo trascorso una simulazione su un supercomputer. Per eseguire un simulatore di Intel, hanno bisogno di circa cinque miliardi di transistor per la simulazione di 42 qubit. Per raggiungere portata commerciale di circa un milione di qubit o più, ma iniziando con il simulatore come questo, è possibile costruire l'architettura di base, i compilatori e gli algoritmi. Fino a quando non ci verranno visualizzati i sistemi fisici, che includerà da poche centinaia a migliaia di qubit, non è chiaro che tipo di software saremo in grado di a loro di eseguire. Ci sono due modi per aumentare la dimensione di tale sistema: uno – aggiungere più qubit, che richiederebbe più spazio fisico. Il problema è che se il nostro obiettivo è quello di creare un computer a un milione di qubit, la matematica non permette loro di scalare bene. Un altro modo – compressione interne dimensione del circuito integrato, ma questo approccio richiede superconduttore sistema, e deve essere enorme. Spin-qubit in un milione di volte meno, quindi cerchiamo altre soluzioni.

Oltre a questo, vogliamo migliorare la qualità di qubit, che ci aiuterà a testare gli algoritmi e creare il nostro sistema. La qualità si riferisce alla precisione con cui le informazioni vengono trasmesse con il tempo. Anche se molte parti di questo sistema miglioreranno la qualità, i più grandi successi saranno raggiunti attraverso lo sviluppo di nuovi materiali e di migliorare la precisione degli impulsi radar e altra elettronica di controllo.

Di Recente, il Sottocomitato per il digitale commercio e tutela dei consumatori degli stati UNITI ha tenuto un'audizione sul quantum computing. Che i legislatori vogliono sapere su questa tecnologia?

Ci sono Un paio di udienze, associati con i diversi comitati. Se si prende la computazione quantistica, si può dire che è la tecnologia di calcolo prossimi 100 anni. Per gli stati UNITI e altri governi è naturale domandarsi loro possibilità. All'unione Europea un piano per molti miliardi di dollari per il finanziamento quantistici di ricerca in tutta Europa. La cina lo scorso autunno, ha annunciato la base di ricerca per 10 miliardi di dollari, che si occuperà di quantum informatica. La domanda è: che cosa possiamo fare come il paese a livello nazionale? Strategia nazionale per la computazione quantistica deve essere gestito da università, il governo e l'industria lavorano insieme su diversi aspetti della tecnologia. Standard sicuramente sono necessari dal punto di vista della comunicazione o dell'architettura del software. La forza lavoro rappresenta anche il problema. Ora, se apro il lavoro di un esperto di quantum computing, due terzi dei candidati, probabilmente, non saranno degli stati UNITI.

Che tipo di impatto può avere la computazione quantistica per lo sviluppo dell'intelligenza artificiale?

Come regola generale, i primi proposti algoritmi quantistici saranno dedicati di sicurezza (ad esempio, crittografia) o chimica e modellazione dei materiali. Questo è il problema che fondamentalmente insolubili per computer tradizionali. Tuttavia ci sono un sacco di start-up e gruppi di scienziati che lavorano su machine learning e IA con l'introduzione di computer quantistici, anche teorico. Considerando il lasso di tempo necessario per sviluppare IA, mi sarei aspettato la comparsa tradizionali chip, ottimizzati appositamente per gli algoritmi di intelligenza artificiale, che, a sua volta, avrà un impatto sullo sviluppo di quantum di chip. In ogni caso, l'IA è sicuramente riceverà una spinta a causa della computazione quantistica.

Quando vedremo che i computer quantistici risolvono i problemi reali?

Il Primo transistor è stato creato nel 1947. Il primo circuito integrato – nel 1958. Il primo microprocessore Intel – che poteva ospitare circa 2500 transistor – è venuto alla luce solo nel 1971. Ognuna di queste tappe è stato suddiviso in più di un decennio. La gente pensa che i computer quantistici ormai dietro l'angolo, ma la storia dimostra che eventuali risultati richiedono tempo. Se tra 10 anni avremo un computer quantistico per poche migliaia di qubit, è sicuramente cambierà il mondo proprio come il suo ha cambiato il primo microprocessore.