Позолоченный век квантовых компов близок, осталось решить эти крохотные трудности

    Квантовые компы — сложная штука. Но не так давно ученые IBM провозгласили, что создали этап вперед и решили одну из огромнейших неурядиц: разработали оптимальный метод распознавания и исправления назойливых ошибок. В собственном блоге Марк Риттер, следящий за инженерами и учеными в T.J. Watson Research Laboratory при IBM, написал: «Я думаю, мы входим в позолоченный век квантовых вычислений». Его команда, произнес он, «находится на передовой попыток сделать первый истинный квантовый компьютер».

    Позолоченный век квантовых компов близок, осталось решить эти крохотные проблемы

    Итак, что бы это же значило? Квантовый персональный компьютер употребляет науку позарез минимального — странного поведения субатомных частиц, — чтобы решить трудности, кои вычислительно неподвластны традиционным компам либо заняли бы очень не мало времени. Например, взаимодействие молекул на квантовом уровне мудрено учить в лаборатории и нереально смоделировать на традиционном персональном компьютере, однако вот на квантовом — вполне.

    «Эта квантовая фотомодель владеет потенциалом для разработки фармацевтических средств, них поиска, хим оформления и, может быть, биофармацевтических применений», — говорит Джерри Чоу, менеджер группы Experimental Quantum Computing при IBM. Квантовый персональный компьютер а также может взломать более сложноватое шифрование, которое употребляется на нынешний лень. По данной причине АНБ инвестирует в изучение квантовых вычислений.

    С 1990-х годов квантовые компы существовали в собственного рода квантовом состоянии, сразу в высоко теоретическом поле физики и арифметики и в качестве время от времени прогрессирующей сложноватой инженерной задачки. Академические научные исследования велись по всему миру, правительства и предприятия вроде Гугл, Microsoft и Lockheed Martin вели разработку базисных архитектурных блоков квантовых компов уже энное время. Канадская корпорация D-Wave заявила, что сделала один, однако почти все исследователи, включая тамошних, что и IBM, очень скептично настроены относительно «квантовости» сего компа.

    Содержание

    • 1 Что все-таки этакое «квантовый»?
    • 2 Достижение IBM
    • 3 Чем далее в кванты, тем самым все больше неурядиц
    • 4 Масштабирование

    Что все-таки этакое «квантовый»?

    Традиционный бинарный бит все время присутствует в одном из двух состояний — 0 либо 1 — тогда как только квантовый бит, либо кубит, бытует в обоих потенциальных состояниях сразу, в состоянии эдак именуемой суперпозиции. Операция на кубите, таким макаром, употребляет его странноватое квантовое свойство, позволяющее проводить огромное количество вычислений параллельно. Система из двух кубитов будет делать операцию на 4 значениях, система из трех кубитов — на 8 и т.д..

    Заместо тамошнего дабы делать каждое вычисление в собственную очередь, как только это же выполняет традиционный персональный компьютер, последовательность кубитов квантового компа возможно в каждой потенциальной композиции единиц и нулей сразу. Это же дозволяет компы инспектировать каждое потенциальное решение сразу и проводить конкретные сложноватые вычисления экспоненциально скорее, чем может традиционный персональный компьютер.

    Однако здесь существуют подкол. Одна любознательная индивидуальность кубита заключается в том, что его измерение приводит к «коллапсу» перед началом единого выдающегося традиционного состояния — 0 либо 1 — и утраты его квантовых качеств. Квантовое вычисление завершается измерением всей последовательности кубитов, приводящим к решению.

    Почти все квантовые методы недетерминированы; они находят огромное количество различных решений параллельно, измерить из которых можно лишь одно, потому предоставляют правильное решение с конкретной степенью вероятности. Бессчетный пуск вычислений наращивает шансы на поиск правильного ответа, однако сбавляет скорость исполнения квантовых расчетов.

    Достижение IBM

    Большая часть исследователей сходятся во мировоззрении, что на пути к построению практического квантового компа останется не мало неурядиц. В статье, размещенной в Nature, группа Чоу обрисовала собственной прогресс в решении одной из этаких неурядиц методом разработки метода обнаружения ошибок на сетке сверхпроводящих квантовых битов, два на два.

    Ежели в начальных заданных, хранящихся в любом персональном компьютере, будут ошибки, результаты расчетов будут неверными. Ошибки изредка встречаются в транзисторах, расходуемых для компоновки традиционных компов, а уж ежели встречаются, то автоматизированно правятся разнообразными схемами корректировки ошибок.

    С квантовыми персональными компьютерами история иная. «Кубиты позарез чувствительны к багам, — разговаривает Чоу. — Них можно разрушить теплом. Они умеют пострадать по причине шума окружающей срежы. Них умеют затронуть кочевые электрические волны».

    В инфы, хранимой в традиционном персональном компьютере, может произойти ошибка лишь единого типа, бит-флип, когда 0 неверно переворачивается в 1 либо напротив. Кубиты тоже мучаются от перевернутых битов, а также и от фазовых ошибок. Состояние суперпозиции кубита, либо когда он воспринимает значения 0 и 1 сразу, обозначается как только 0 + 1. Фазовая ошибка переворачивает знаковое взаимоотношения меж 0 и 1.

    Позолоченный век квантовых компов близок, осталось решить эти крохотные проблемы

    «0 + 1 и 0 — 1 максимально различные исходя из убеждений инфы, которая присутствует в этом состоянии, — объясняет Чоу. — Мы может предположить это же как только стрелку, указывающую вдоль сферы. Вы сможете указать в направлении южного полюса, и это же будет ноль. Вы а также сможете указать в направлении северного полюса, и это же будет один. Вы сможете указать вдоль экватора, и это же будет 0 + 1, однако ежели вы укажете в обратном направлении, это же будет 0 — 1». Ежели сего не достаточно, схемы квантовой корректировки ошибок обязаны избегать измерения заданных впрямую, так как это же приведет к коллапсу значений.

    Новенькая расчетная схема обнаружения ошибок IBM базирована на технике под заглавием поверхностный код, который распространяет квантовую информацию почти все кубитами. Два синдромных (либо измерительных) кубита споряжены с двумя кодовыми, либо кубитами заданных. Один синдромный кубит выявляет, где в кубитах кода произошла ошибка бит-флипа, тогда-то как только альтернативный кубит синдрома помечает вариант, где произошла ошибка перемены символа, фазового флипа, и все это же без прямого измерения кубитов.

    Однако корректировка ошибок — только одно из препятствий на тернистом пути сотворения практического квантового компа.

    Чем далее в кванты, тем самым все больше неурядиц

    Один проефссор опубликовал долгий перечень этих препятствий на Quora. В фолиант числе — сложность когеренции. Общим показателем свойства кубита является время когерентности, либо как только длительно он сохраняет свои квантовые характеристики. Надежный и полнофункциональный квантовый персональный компьютер обязан иметь длительное когерентное время. Однако это же будет гораздо и не вскоре. В 2014 году ученые из Вуза Новенького Южного Уэльса сказали о установлении новенького рекорда, когда сделали два новеньких типа кубитов, кои были в состоянии сохранять свое квантовое состояние тотальных 35 секунд.

    «Чтобы квантовая корректировка ошибок ишачила, для вас надо, дабы отдельные кубиты были свыше конкретного уровня свойства, — говорит Чоу. — Для тамошнего дабы эти отдельные кубиты становились предпочтительнее и предпочтительнее, надо почти все сделать исходя из убеждений материалов, как только мы выкладываем все это же в наши прибора и как только выстроить из их настоящий процессор».

    В отличие от традиционных компов, в квантовой версии нет обычных материалов либо архитектуры. Кубиты в текущее время образовываются разнообразным методом в ионных ловушках (заряженных атомных частичка) и эленов в кремнии сверхпроводящих контуров, расходуемых группой Чоу.

    Для заслуги долговременного времени когерентности кубиты обязаны быть изолированы от окружающего мира, часто при минусовых температурах. Изоляция затрудняет действенное руководство компов, потому что это же безизбежно подразумевает контакт с наружным миром. Достижение контроля и когерентности дороговато стоит ли.

    Для сотворения этих долгоживущих кубитов австралийские ученые манипулировали одним атомом фосфора, погребенным в кристалле кремния, используя высокочастотные колебательные генераторы магнитного поля ценой 100 000 баксов и простейший электронный импульс, дабы сконфигурировать частоту электронов атома. «Таким образом, мы сумели выборочно измерять, каким кубитом заведовать, — объяснял Андреа Морелло, один из ученых. — Это малость похоже на выбор радиостанции, когда поворачиваешь элементарную рукоятку опции. Тут «ручка» — это же напряжение, приложенное к маленькому электроду над атомом».

    Позолоченный век квантовых компов близок, осталось решить эти крохотные проблемы

    С того времени художественный дизайн был обновлен для руководства несколькими кубитами, а уж в минувшем месяце лаборатория сказала об новейшем прогрессе в производстве кристаллов кремния с внедрением лишь единого узкого слоя умышленно очищенного кремния. Это же достижение может значительно уменьшить время и цена разработки аппаратных денег.

    Масштабирование

    Вроде бы то ни существовало, до сего времени никто и не смог осуществить все больше, чем несколько квантовых логических операций на горстке кубитов, до того как пробьет время когерентности. Чем все больше кубитов сопряжено, тем самым свыше возможность тамошнего, что квантовый персональный компьютер начнет яизвестия себя как только традиционный. Однако сложноватые трудности умеют быть решены лишь с наибольшим числом кубитов.

    «Чтобы выстроить квантовый чип, который будет похож на современные микропроцессоры, — разговаривает Чоу, — потребуется не мало инженерии и осознания различных материалов и них поведения в квантовом мире».

    Иная неполадка в фолиант, что комплект неурядиц, кои может решить квантовый метод скорее, чем традиционный, в один прекрасный момент возможно ограничен. Так как почти все квантовые методы недетерминированы, для вас востребован конкретный метод верификации верности приобретенного ответа. При расчете коэффициентов в простейших числах, итог не сложно проверить. Однако почти все трудности имеют решения, кои и не эдак ординарно верифицировать.

    Даже ежели решение подвергается проверке, для вас, может быть, будет нужно запустить один и этот же расчет пару раз, дабы достигнуть правильного решения, тем отказавшись от достоинства в скорости. Ученые в Вене пробуют решить эту неурядицу методом введения маленьких промежных вычислений, ответы которых знамениты, в расчеты. Это же подарит юзеру меру надежности машинки. Альтернативные квантовые методы задействуют явление интерференции, дабы прирастить возможность тамошнего, что один прокат подарит верный ответ.

    Чоу оптимистично глядит на будущие препятствия, также на неурядицу сотворения святого Грааля «логического кубита», который строится с внедрением физических кубитов, однако который и не теряет собственную информацию и ишачит безошибочно. «Многие из этих неурядиц будут решены в наиблежайшие пару лет и это же поможет нам попасть туда, где мы сможем показать кодирование логического кубита. Потом мы создадим очередной этап в сторону настоящих квантовых алгоритмов поверх сего логического слоя».

    Тогда и все компы, кои мы используем — для науки, шифрования, поиска по заданным, развлекух в Вебе, — приблизят нас к квантовому скачку.