Hvor nær er vi til å skape en kvante-maskin?

Rase er i full gang. Verdens ledende selskaper prøver å lage den første quantum datamaskin, som er basert på teknologi, lang lovende forskere til å bistå i utvikling av fantastiske nye materialer, og er det ideelle data kryptering og nøyaktige prognoser endringer i Jordens klima. En slik bil vil vises ikke eldre enn ti år, men det er ikke stoppe IBM, Microsoft, Google, Intel og andre. De bokstavelig talt legge ut del av quantum biter – eller qubits – på-prosessor chip. Men veien til quantum computing omfatter mye mer enn manipulering av subatomære partikler.

Qubit kan representere 0 og 1 samtidig, på grunn av den unike quantum fenomenet superposisjon. Dette gjør qubits å holde et stort antall beregninger på en gang, betydelig økt computational hastighet og kapasitet. Men det er forskjellige typer av qubits, ikke alle av dem er like. I programmerbare silicon quantum chip, for eksempel, en bit verdi (1 eller 0) bestemmes av retning av rotasjon av elektronet. Men, qubits er svært skjør, og noen trenger en temperatur på 20 millikelvin – 250 ganger kaldere enn deep space for å være stabil.

Selvfølgelig, en kvante-maskin er prosessoren. Disse nye generasjonen av systemer vil kreve nye algoritmer, ny programvare, lenker og en haug av ennå ikke oppfunnet teknologier, og drar nytte av den enorme regnekraft. I tillegg er resultatene av beregningene må lagres et sted.

"Hvis det ikke hadde vært så vanskelig, vi ville ha gjort ett," sier Jim Clark, Direktør for quantum maskinvare i Intel Labs. På CES i år, Intel introduserte 49-kubicova prosessor kodenavnet Floke Lake. For noen år siden, opprettet selskapet et virtuelt miljø for testing quantum PROGRAMVARE; den bruker en kraftig superdatamaskin Stampede (Texas University) for å simulere en 42-cubatobaco prosessor. Men for å virkelig forstå hvordan å skrive programvare for kvante-datamaskiner, trenger vi å simulere hundrevis eller kanskje tusenvis av qubits, sier Clark.

Scientific American tok Clark ' s intervju der han snakket om ulike tilnærminger til å skape quantum datamaskinen, hvorfor de er så skjøre og hvorfor dette hele greia tar så mye tid. Vil du være interessert.

Hva er quantum computing forskjellige fra tradisjonelle?

En Vanlig metafor som brukes til å sammenligne to typer beregninger — er en mynt. I en tradisjonell datamaskin prosessoren er den transistor enten "hoder" eller "hale". Men hvis du spør hvilken side av mynten ser ut når spinne, vil du si at svaret kan være begge deler. Så ordnet quantum computation. I stedet for den vanlige bits som representerer 0 eller 1, du har en kvante-bit som er både 0 og 1, så lenge den qubit vil ikke slutte å spinne og kommer til å hvile.

The state-Space – eller evnen til å sortere gjennom et stort antall mulige kombinasjoner – i tilfelle av en kvante-maskin eksponentielt. Tenk at jeg har i min hånd, to mynter og jeg kaste dem i luften på samme tid. Som de spinne, representerer de fire mulige Tilstander. Hvis jeg kaste tre mynter i luften, vil de representerer åtte mulige Tilstander. Hvis jeg blir kastet i luften femti mynter og vil spørre deg hvor mange som Sier de representerer, svaret er et tall som ikke kan beregne selv den kraftigste superdatamaskin i verden. Tre hundre mynter er fortsatt et relativt lite antall ville bære flere Stater enn atomer i Universet.

Hvorfor qubits er så skjør?

Realiteten er at mynter eller qubits, og til slutt slutter å spinne og quanta kollaps i mørket i en viss tilstand, enten det er hoder eller haler. Målet med quantum computing er å opprettholde sin rotasjon i en superposisjon av settet av Stater for en lang tid. Tenk deg at på Pulten min spinning en mynt og noen er å trykke på tabellen. Mynten kan falle raskere. Støy, temperatur endringer, elektriske svingninger og vibrasjoner kan alle forstyrre qubit og føre til tap av sine data. En av måtene å stabilisere qubits av visse typer er å holde dem kalde. Våre qubits arbeider i kjøleskap størrelsen på et fat er 55 liter, og bruke en spesiell isotop av helium for kjøling til en temperatur på nesten absolutt null.

de forskjellige typer av qubits forskjellige?

Det er minst seks eller syv forskjellige typer av qubits, og om tre eller fire av dem aktivt anses for quantum datamaskinen. Forskjellen ligger i hvordan å manipulere qubits og gjøre dem kommunisere med hverandre. Trenger to qubit kommunisert med hverandre for å gjennomføre store "komplisert" beregninger, og ulike typer av qubits er involvert på ulike måter. Jeg beskrevet en type som krever akutt kjøling, kalles en superledende system som inneholder en prosessor Floke Lake, og kvante-datamaskiner bygget av Google, IBM og andre. Andre tilnærminger bruk oscillerende avgifter fanget ioner holdes på plass i et vakuum kammeret med laserstråler som spiller rollen som qubits. Intel utvikler systemer med fanget ioner, fordi det er behov for grundig kunnskap av lasere og optikk, vi kan ikke gjøre det.

Men, studerer vi en tredje type, som er kalt silicon spinn qubits. De ser ut akkurat som tradisjonelle silicon transistorer, men opererer på et enkelt elektron.Spinn qubits med mikrobølgeovn pulser å kontrollere spinn av elektronet og slippe sin quantum av kraft. I dag er denne teknologien er mindre Modne enn teknologi av superledende qubits, kan imidlertid være mye mer sannsynlig å skala og bli kommersielt vellykket.

Hvordan å komme til dette punktet unna?

Det Første trinnet er å gjøre disse quantum chips. På samme tid, har vi gjennomført en simulering på en superdatamaskin. Å kjøre en quantum simulator for Intel, har vi om fem milliarder transistorer for modellering 42 qubits. For å oppnå kommersiell nå til om lag en million qubits eller mer, men starter med en simulator som dette, kan du bygge den grunnleggende arkitekturen, kompilatorer og algoritmer. Inntil vi finner en fysisk system som vil omfatte fra flere hundre til tusenvis av qubits, det er uklart hva slags programvare vi vil være i stand til å kjøre. Det er to måter å øke størrelsen på et slikt system: det ene er å legge til mer qubits, som vil kreve mer fysisk plass. Problemet er at hvis målet vårt er å lage datamaskiner i en million qubits, matematikk vil ikke tillate dem å riktig skala. En annen måte er å krympe inne dimensjon av den integrerte kretsen, men en slik tilnærming vil kreve en superledende system, og det må være stor. Spinn qubits i en million ganger mindre, så vi søke andre løsninger.

I Tillegg ønsker vi å forbedre kvaliteten qubits som vil hjelpe oss til å teste algoritmer og lage vårt system. Kvalitet refererer til presisjon med hvilke opplysninger som er overført med en gang. Selv om mange av de deler av systemet vil gi bedre kvalitet, den største gevinstene vil oppnås gjennom utvikling av nye materialer og forbedring av nøyaktigheten av mikrobølgeovn pulser og annen elektronikk.

Nylig, Subcommittee on digital handel og forbruker beskyttelse Usa holdt høringer om quantum computing. Hva lovgiverne ønsker å vite om denne teknologien?

Det er flere høringer i ulike komiteer. Hvis du tar quantum beregninger, kan vi si at det er computing de neste 100 år. For Usa og andre regjeringer ganske naturlig nok være interessert i deres mulighet. Den Europeiske Union har en plan for milliarder av dollar i finansiering for quantum forskning på tvers av Europa. I fjor høst, Kina, annonsert et forsknings-base til $ 10 milliarder kroner, noe som vil fokusere på quantum information science. Spørsmålet er enn: hva kan vi gjøre som et land på nasjonalt nivå? Nasjonal strategi for quantum beregninger bør kjøres med universiteter, myndigheter og bransjen jobber sammen på ulike aspekter av teknologi. Standarder er absolutt nødvendig fra synspunkt av kommunikasjon eller programvare arkitektur. Arbeidsstyrken er også et problem. Nå, hvis jeg åpner den ledige stillingen av ekspert på quantum computing, to tredjedeler av søkerne er sannsynlig å være fra utenfor USA.

Hva er virkningen av quantum computing på utviklingen av kunstig intelligens?

Som regel først foreslått quantum algoritmer vil bli dedikert til sikkerhet (f.eks., kryptografiske) eller kjemi og modellering av materialer. Dette er problemer som er fundamentalt problematiske for tradisjonelle datamaskiner. Likevel, det er mange nyetableringer og grupper av forskere som jobber på maskinlæring og kunstig INTELLIGENS med innføringen av kvante-datamaskiner, selv teoretiske. Gitt tidsramme som kreves for å utvikle AI, jeg vil bli forventer tradisjonelle chips, optimalisert spesielt for algoritmer AI, som i sin tur vil påvirke utviklingen av en kvante-chip. I alle fall, AI vil definitivt få en boost fra quantum computing.

Når vil vi se at det å jobbe kvante-datamaskiner vil løse et reelt problem?

Den Første transistor ble opprettet i 1947. Den første integrerte kretsen i 1958. Den første mikroprosessor Intel som inneholdt ca 2500 i transistorer – kommer til lys bare i 1971. Hver av disse milepælene ble delt mer enn et tiår. Folk tror at kvante-datamaskiner allerede rundt hjørnet, men historien viser at alle prestasjoner krever tid. Om 10 år vil vi ha quantum datamaskin på et par tusen qubits, det er definitivt kommer til å forandre verden akkurat som det forandret den første mikroprosessoren.