Czy obliczenia kwantowe to po prostu ciasto na niebie?

Mam stopień informatyki. Pracuję w branży IT i robię to od wielu lat. W tym okresie „klasyczne” komputery posuwały się naprzód. Mam teraz w skarpetkach sypialni dysk terabajtowy w szufladzie sypialni, mój telefon ma fenomenalną moc przetwarzania, a komputery zrewolucjonizowały nasze życie.

Ale o ile wiem, obliczenia kwantowe nic nie zrobiły. Co więcej, wygląda na to, że tak pozostanie. Obliczenia kwantowe istnieją już od grubego końca czterdziestu lat, a prawdziwe obliczenia pozostawiły je w pyle. Zobacz oś czasu na Wikipedii i zadaj sobie pytanie, gdzie jest równoległy sumator? Gdzie jest odpowiednik Atlasu lub MU5? Poszedłem na uniwersytet w Manchesterze, zobacz historię w artykule Manchester Computers na Wikipedii. Komputery kwantowe nie wykazują podobnego postępu. Au contraire, wygląda na to, że nawet nie oderwały się od ziemi. W najbliższym czasie nie kupisz go w PC World.

Czy kiedykolwiek będziesz w stanie? Czy to wszystko szum i gorące powietrze? Czy obliczenia kwantowe to po prostu ciasto na niebie? Czy to wszystko po prostu jutro poleca kwantowym kwakierom łatwowiernej publiczności? Jeśli nie, dlaczego nie?

Czy obliczenia kwantowe to po prostu ciasto na niebie?

Jak na razie wygląda to w ten sposób. Przez ostatnie trzy dekady agresywnie sięgaliśmy po to ciasto, ale z niewielkim powodzeniem. mamy teraz komputery kwantowe, ale nie są to pożądane przez nas ciasto, które jest komputerem kwantowym, który faktycznie może rozwiązać problem szybciej lub z lepszą wydajnością energetyczną niż komputer klasyczny.

W najbliższym czasie nie kupisz go w PC World.

Czy kiedykolwiek będziesz w stanie?

Nie możemy przewidzieć przyszłości, ale gdybym musiał zgadywać teraz, powiedziałbym „nie”. Nie ma jeszcze żadnej aplikacji, dla której obliczenia kwantowe byłyby wystarczająco cenne. Zamiast tego moglibyśmy mieć komputery kwantowe w niewielkiej liczbie specjalnych instytutów, w których przeprowadzane są bardzo specjalne obliczenia (takie jak superkomputer zwany Titan w Oak Ridge National Lab lub jak akcelerator cząstek cyklotronowych, w którym przeprowadzane są specjalne eksperymenty).

Czy to wszystko szum i gorące powietrze?

Niestety większość z nich to szum.

Ale zastosowania w chemii kwantowej mogą rzeczywiście zmienić grę. Zamiast przeprowadzać pracochłonne eksperymenty na tysiącach potencjalnych kandydatów na leki lub nawozy, możemy wyszukiwać najlepsze cząsteczki na komputerze. Cząsteczki zachowują się kwantowo mechanicznie, a symulowanie mechaniki kwantowej nie jest wydajne na komputerach klasycznych, ale na komputerach kwantowych. Znaczna część inwestycji Google w QC dotyczy aplikacji chemicznych [ 1 ].

Czy to wszystko po prostu jutro poleca kwantowym kwakierom łatwowiernej publiczności? Jeśli nie, dlaczego nie?

Niestety większość z nich jest.

Prawdopodobnie byłeś jednym z bardziej utalentowanych studentów w swojej klasie na Uniwersytecie Manchester. Być może zauważyłeś, że było tylko kilku z was i większa liczba przeciętnych i słabych studentów. Podobne zjawisko występuje na poziomie profesora. Wielu profesorom nie jest łatwo ani „naturalnie” pisać dobrze przyjętych wniosków o granty, ale potrzebują funduszy, aby utrzymać pracę i upewnić się, że ich doktorat. studenci nie są głodni konferencji naukowych i dostępu do potrzebnego im oprogramowania.

Kiedy profesor zostaje:

• rozpaczliwie poszukuje finansowania lub

• złapać inne problemy życiowe, takie jak konieczność opieki nad dzieckiem z rakiem, lub

• świadomi, że nie dokonają wielkich odkryć naukowych, jak to robili niektórzy naukowcy 100 lat temu, życie staje się bardziej związane z przetrwaniem, utrzymaniem szczęśliwej rodziny i robieniem tego, co lubią , niż tworzeniem lepszego świata dla wnuków ich wnuków. Jako profesor mogę powiedzieć, że wielu moich kolegów nie jest tak „szlachetnych”, jak opinia publiczna często postrzega naukowców.

Wiem, że około 1000 osób ma fundusze na pracę w obliczeniach kwantowych, i żadna z nich nie wydaje się mieć złych zamiarów oszukiwania „łatwowiernej publiczności” w jakiś złowrogi sposób. Większość z nas po prostu składa wnioski o granty dostępne za pośrednictwem naszych uniwersytetów lub rządów, a my nie zamierzamy wyolbrzymiać znaczenia naszej pracy bardziej niż inni naukowcy konkurujący o te same pieniądze (musimy konkurować z fizykami molekularnymi udającymi ich pracę jest ważny dla naprawiania zmian klimatu tylko dlatego, że molekuła, nad którą pracują, znajduje się w naszej atmosferze, lub biofizycy udający, że ich praca może wyleczyć raka tylko dlatego, że pracują nad cząsteczką, która jest widoczna w organizmie).

Wiele „szumu” wokół komputerów kwantowych pochodzi z mediów. Dziennikarze przekręcili treść moich artykułów, aby przyciągnąć uwagę nagłówków, które uzyskają więcej kliknięć ich reklam, a ich szefowie wywierają na nich presję, inaczej stracą pracę dla innego stażysty, który nie dba o to tak bardzo. o byciu szczerym.

Część szumu pochodzi od samych naukowców, wielu, którzy naprawdę wierzą, że obliczenia kwantowe będą rewolucyjne, ponieważ ich doktorat. opiekun nie miał świetnego wykształcenia (pamiętaj, że Manchester University jest jednym z najlepszych na świecie, a większość uniwersytetów nie jest nawet blisko), a może w rzadkich przypadkach jest szum ludzi rozpaczliwie poszukujących finansowania, ale niewiele z powodów inne niż te.

Uważam, że społeczeństwo powinno trochę zainwestować w obliczenia kwantowe, podobnie jak w przypadku wielu innych obszarów badań, które nie mają gwarantowanego pozytywnego wyniku. Hype jest często przesadzone przez dziennikarzy, nieświadomych naukowców lub nieświadomych naukowców, którzy myślą, że potrzebują go do przetrwania. Istnieje również niesprawiedliwie ostra krytyka ze strony dziennikarzy i agencji finansujących.

Nic, co powiedziałeś w swoim pytaniu, nie jest złe.
Właśnie podałem powody, dla których są poprawne.

Spróbuję podejść do tego z neutralnego punktu widzenia. Twoje pytanie jest w pewnym sensie „oparte na opiniach”, ale jest jeszcze kilka ważnych punktów, na które należy zwrócić uwagę. Teoretycznie nie ma (jak dotąd) przekonujących argumentów, dlaczego komputery kwantowe są praktycznie niemożliwe do zrealizowania. Ale sprawdźcie: jak zawodzą komputery kwantowe: kody kwantowe, korelacje w układach fizycznych i akumulacja hałasu - Gil Kalai oraz powiązany post na blogu Scotta Aaronsona, w którym przedstawia on przekonujące argumenty przeciwko twierdzeniom Kalai. Przeczytaj także odpowiedź Jamesa Wottona na powiązany post QCSE: Czy argument Gila Kalai przeciwko topologicznym komputerom kwantowym brzmi?

Przepełnienie matematyczne ma świetne podsumowanie: o argumentach matematycznych przeciw obliczeniom kwantowym .

Jednak tak, oczywiście, istnieją problemy inżynieryjne .

Problemy (zaadaptowane z arXiv: cs / 0602096 ):

• Wrażliwość na interakcje ze środowiskiem: Komputery kwantowe są wyjątkowo wrażliwe na interakcje z otoczeniem, ponieważ każda interakcja (lub pomiar) prowadzi do załamania funkcji stanu. Zjawisko to nazywa się dekoherencją. Niezwykle trudno jest wyodrębnić układ kwantowy, zwłaszcza zaprojektowany do obliczeń, bez jego uwikłania w środowisko. Im większa liczba kubitów, tym trudniej jest zachować spójność.

  [Więcej informacji: Wikipedia: Quantum decoherence ]

• Niewiarygodne akcje bram kwantowych: Obliczenia kwantowe kubitów dokonuje się, operując na nich szeregiem transformacji, które są zasadniczo realizowane za pomocą małych bramek. Konieczne jest, aby w tych transformacjach nie wprowadzać błędów fazowych. Ale praktyczne schematy prawdopodobnie wprowadzą takie błędy. Możliwe jest również, że rejestr kwantowy jest już splątany ze środowiskiem jeszcze przed rozpoczęciem obliczeń. Ponadto niepewność w fazie początkowej powoduje, że kalibracja za pomocą operacji obrotu jest niewystarczająca. Ponadto należy wziąć pod uwagę względny brak precyzji w klasycznym sterowaniu, które realizuje transformacje macierzowe. Ten brak precyzji nie może być całkowicie skompensowany przez algorytm kwantowy.

• Błędy i ich korekta: Klasyczna korekcja błędów wykorzystuje redundancję. Najprostszym sposobem jest wielokrotne przechowywanie informacji i - jeśli później okaże się, że te kopie się nie zgadzają - wystarczy głosować większością; np. Załóżmy, że skopiujemy trochę trzy razy. Załóżmy ponadto, że zaszumiony błąd psuje stan trzech bitów, tak że jeden bit jest równy zero, a pozostałe dwa są równe jeden. Jeśli założymy, że zaszumione błędy są niezależne i występują z pewnym prawdopodobieństwem$p$, najprawdopodobniej błąd jest błędem jednobitowym, a przesłany komunikat to trzy. Możliwe, że wystąpi błąd podwójnego bitu, a przesłany komunikat jest równy trzem zerom, ale wynik ten jest mniej prawdopodobny niż wynik powyższy. Kopiowanie informacji kwantowej nie jest możliwe z powodu twierdzenia o braku klonowania. Twierdzenie to wydaje się stanowić przeszkodę w sformułowaniu teorii kwantowej korekcji błędów. Możliwe jest jednak rozprzestrzenianie informacji o jednym kubicie na wysoce splątany stan kilku (fizycznych) kubitów. Peter Shor po raz pierwszy odkrył tę metodę formułowania kodu korygującego błędy kwantowe, przechowując informacje o jednym kubicie w wysoce splątanym stanie dziewięciu kubitów. Jednak kody korekcji błędów kwantowych chronią informacje kwantowe przed błędami tylko niektórych ograniczonych form. Również, są wydajne tylko w przypadku błędów w niewielkiej liczbie kubitów. Co więcej, liczba kubitów potrzebnych do skorygowania błędów zwykle nie jest dobrze skalowana z liczbą kubitów, w których błąd rzeczywiście występuje.

  [Dalsza lektura: Wikipedia: Kwantowa korekcja błędów ]

• Ograniczenia dotyczące przygotowania stanu: Przygotowanie stanu jest niezbędnym pierwszym krokiem do rozważenia przed rozpoczęciem jakiegokolwiek obliczenia kwantowego. W większości schematów kubity muszą znajdować się w określonym stanie superpozycji, aby obliczenia kwantowe działały poprawnie. Jednak precyzyjne tworzenie dowolnych stanów może być wykładniczo trudne (zarówno pod względem czasu, jak i złożoności zasobów (bramki)).

• Informacja kwantowa, niepewność i entropia bram kwantowych: klasyczną informację łatwo uzyskać za pomocą interakcji z układem. Z drugiej strony niemożność klonowania oznacza, że ​​nie można ustalić żadnego konkretnego nieznanego stanu. Oznacza to, że jeśli system nie został specjalnie przygotowany, nasza zdolność do kontrolowania go pozostaje ograniczona. Średnia informacja o systemie jest podana przez jej entropię. Określenie entropii będzie zależeć od statystyki, której posłuży obiekt.

• Wymóg dotyczący niskich temperatur : Kilka architektur obliczeń kwantowych, takich jak nadprzewodzące obliczenia kwantowe, wymaga ekstremalnie niskich temperatur (bliskich zeru absolutnemu) do działania.

Postęp:

• Około półtorej dekady temu czas dekoherencji dla tak zwanych „komputerów kwantowych” był krótszy niż 1 nanosekunda. Teraz wersja qubit IBM Quantum Experience 16, do której można uzyskać dostęp online, ma czas dekoherencji ~ 100 μs (patrz: Demonstracja envariance i uczenia się parzystości na procesorze IBM 16 Qubit (Davide Ferrari i Michele Amoretti, 2018) ). Czas dekoherencji 100 μs jest wystarczający do uruchomienia prostych algorytmów kwantowych! Możesz to sprawdzić na komputerach kwantowych 5 qubit i 16 qubit, które zostały udostępnione online przez IBM. Myślę, że Google był w stanie osiągnąć jeszcze lepsze czasy dekoherencji dzięki nadprzewodnikowym układom scalonym (o równoważnej liczbie kubitów).

  • W ostatnim dziesięcioleciu nastąpiła znaczna poprawa w dziedzinie korekcji błędów kwantowych (wymagająca znacznie mniejszej liczby całkowitych kubitów). Zobacz krótką recenzję kwantowej korekcji błędów pamięci kwantowej (Terhal, 2015) .

  Cytując także: Wikipedia: Kwantowa korekcja błędów - realizacja eksperymentalna :

  Było kilka eksperymentalnych realizacji kodów opartych na CSS. Pierwsza demonstracja dotyczyła kubitów NMR. Następnie wykonano demonstracje optyki liniowej, uwięzionych jonów i kubitów nadprzewodzących (transmonowych). Zaimplementowano także inne kody korygujące błędy, takie jak jeden mający na celu skorygowanie utraty fotonu, dominującego źródła błędu w fotonicznych schematach kubitowych.

  • Przygotowanie arbitralnych stanów kwantowych jest nadal poważnym problemem. Ale teraz przynajmniej wiemy dokładny rozkład bramek dla dowolnej ewolucji jednostkowej ( przygotowanie stanu kwantowego z uniwersalnymi rozkładami bramek (Plesch i Brukner, 2011) ), chociaż liczba bramek zwykle nie jest dobrze skalowana w przypadku wielu kubitów. Wprowadzono dalsze ulepszenia, takie jak przygotowanie stanu kwantowego o wysokiej wierności przy użyciu sąsiedniej kontroli optymalnej (Yuchen Peng i Frank Gaitan, 2017) . Aby zapoznać się z niektórymi innymi niedawno opracowanymi, bardzo precyzyjnymi metodami przygotowania stanu, patrz Przygotowanie stanów w mechanice kwantowej (Fröhlich, 2016) i Przygotowanie stanu kwantowego (Ali i in., 2017) .

  • Jednym z głównych ograniczeń, które wciąż mamy, jest liczba kubitów (zauważ, że kwestia ta jest nierozerwalnie związana z trudnością utrzymania spójności przez długi czas kota Schrödingera oraz trudnością makroskopowego stanu superpozycji i doskonałą odpowiedzią na nie). Żaden z dzisiejszych komputerów kwantowych nie jest wystarczający, aby wykazać jakąkolwiek znaczącą poprawę „zdolności” w porównaniu do klasycznych komputerów. Największa liczba faktoryzowana przez komputer kwantowy do tej pory to 291311 ( adiabatyczne obliczenie kwantowe o wysokiej wierności z wykorzystaniem wewnętrznego hamiltonianu układu spinowego: zastosowanie do eksperymentalnego faktoryzacji 291311 (Li i in., 2017)). Faktoryzacja brute-force 291311 zajmuje najwyżej ~ 270 działów, z których każdy zajmuje ~ 10 ns na współczesnych procesorach. To w sumie 3 nas, co oznacza, że ​​faktoryzacja będzie o kilka rzędów wielkości szybsza na twoim laptopie. Praktyczna poprawa złożoności czasu nie będzie zauważalna, chyba że i dopóki liczba kubitów nie wzrośnie co najmniej 10 razy (nie rozważam maszyn D-Wave, które mają ponad 1000 kubitów, ponieważ używają innego znanego mechanizmu jako wyżarzanie kwantowe, które jest skuteczne tylko w kilku wąskich zakresach problemów). Ale prawdopodobnie liczba kubitów stale rośnie. Ostatnio Google ogłosił maszynę 72 kubitów ( blog Google AI: podgląd Bristlecone, nowego procesora kwantowego Google ), a Intel ogłosił 49 kubitów (IEEE Spectrum :: CES 2018: 49-Qubit Chip Shoots for Quantum Supremacy ). Porównaj to do 2000 roku, kiedy mieliśmy tylko jednocyfrową liczbę kubitów!

  • W ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci odkryto kilka architektur obliczeń kwantowych, dla których temperatury prawie absolutnie zerowe nie są konieczne , na przykład optyczne komputery kwantowe, komputery kwantowe w pułapce jonowej, komputery kwantowe na bazie diamentów itp. Por. Dlaczego optyczne komputery kwantowe nie muszą być utrzymywane w pobliżu zera absolutnego, podczas gdy nadprzewodzące komputery kwantowe tak robią?

Wniosek:

To, czy kiedykolwiek będziemy dysponować wydajnymi komputerami kwantowymi, które mogą wyraźnie przewyższać klasyczne komputery w niektórych obszarach, powie coś dopiero. Jednak patrząc na znaczny postęp, jaki poczyniliśmy, prawdopodobnie nie byłoby zbyt błędne stwierdzenie, że za kilka dziesięcioleci powinniśmy mieć wystarczająco potężne komputery kwantowe. Jednak z teoretycznego punktu widzenia nie wiemy jeszcze , czy istnieją (mogą) klasyczne algorytmy, które będą pasować do algorytmów kwantowych pod względem złożoności czasowej. Zobacz moją poprzednią odpowiedź na ten temat. Z całkowicie teoretycznego punktu widzenia byłoby również niezwykle interesujące, gdyby ktoś mógł udowodnić, że wszystkie problemy BQP leżą w BPP lub P!

Osobiście uważam, że w nadchodzących dziesięcioleciach będziemy używać kombinacji technik obliczeń kwantowych i klasycznych technik obliczeniowych (tj. Albo Twój komputer będzie posiadał zarówno klasyczne elementy sprzętowe, jak i sprzęt kwantowy lub obliczenia kwantowe będą całkowicie oparte na chmurze, a Ty Będę mieć do nich dostęp tylko online z klasycznych komputerów). Ponieważ pamiętaj, że komputery kwantowe są wydajne tylko w przypadku bardzo wąskiego zakresu problemów. Wykonanie dodatków takich jak 2 + 3 przy użyciu komputera kwantowego byłoby bardzo pracochłonne i nierozsądne (patrz Jak komputer kwantowy wykonuje matematykę na poziomie sprzętowym? ).

Teraz dochodzisz do wniosku, czy fundusze krajowe są niepotrzebnie marnowane na próby budowy komputerów kwantowych . Moja odpowiedź brzmi NIE ! Nawet jeśli nie uda nam się zbudować uzasadnione i efektywne komputery kwantowe, będziemy nadal zyskały dużo pod względem postępu inżynierii i postępu naukowego . Już teraz badania nad fotoniką i nadprzewodnikami wzrosły wielokrotnie i zaczynamy rozumieć wiele zjawisk fizycznych lepiej niż kiedykolwiek wcześniej. Co więcej, teoria informacji kwantowej i kryptografia kwantowa doprowadziły do ​​odkrycia kilku schludnych wyników matematycznych i technik, które mogą być przydatne również w wielu innych obszarach (por.Fizyka SE: Matematyczne wyzwania w teorii informacji kwantowej i kryptografii kwantowej ). W tym czasie zrozumiemy również znacznie więcej na temat niektórych z najtrudniejszych problemów w informatyce teoretycznej (nawet jeśli nie zbudujemy „komputera kwantowego”).

Źródła i referencje:

1. Trudności we wdrażaniu komputerów kwantowych (Ponnath, 2006)

2. Wikipedia: Obliczenia kwantowe

3. Wikipedia: Kwantowa korekcja błędów

Uzupełnienie:

Po krótkich poszukiwaniach znalazłem bardzo fajny artykuł, który przedstawia prawie wszystkie kontrargumenty Scotta Aaronsona przeciwko sceptycyzmowi obliczeń kwantowych. Ja bardzo polecam przechodząc przez wszystkie punkty podane tam. To właściwie część 14 notatek z wykładów opublikowanych przez Aaronsona na jego stronie internetowej. Zostały one wykorzystane podczas kursu PHYS771 na University of Waterloo. Notatki z wykładów oparte są na jego popularnym podręczniku Quantum Computing Since Democritus .

Obliczenia klasyczne trwały dłużej niż obliczenia kwantowe. Początki klasycznych obliczeń są podobne do tych, których doświadczamy teraz w obliczeniach kwantowych. Z3 (pierwsza Turinga kompletne urządzenie elektroniczne) wybudowany w 1940 roku był wielkości pokoju i mniej wydajne niż w telefonie. To świadczy o fenomenalnym postępie, jakiego doświadczyliśmy w informatyce klasycznej.

Z drugiej strony, początek obliczeń kwantowych rozpoczął się dopiero w latach 80 . Algorytm faktoringu Shora; odkrycie, które rozpoczęło skakanie w polu, zostało odkryte w latach 90 . Kilka lat później przeprowadzono pierwszą eksperymentalną demonstrację algorytmu kwantowego.

Istnieją dowody na to, że komputery kwantowe mogą działać. Co roku dokonuje się ogromny postęp w eksperymentalnych i teoretycznych aspektach tej dziedziny i nie ma powodu, aby sądzić, że to się skończy. Próg twierdzenie kwantowa mówi, że duża skala quantum computing jest możliwe, jeśli stopy błędów dla fizycznych bram są poniżej pewnego progu. Zbliżamy się (niektórzy twierdzą, że już tam jesteśmy) ten próg dla małych systemów.

Dobrze jest sceptycznie podchodzić do użyteczności obliczeń kwantowych. W rzeczywistości jest to zalecane! Naturalne jest także porównywanie postępu obliczeń kwantowych z obliczeniami klasycznymi; zapominając, że komputery kwantowe są trudniejsze do zbudowania niż komputery klasyczne.

Wczesne klasyczne komputery zostały zbudowane przy użyciu istniejącej technologii. Na przykład lampy próżniowe zostały wynalezione około czterdziestu lat, zanim zostały użyte do stworzenia Kolosa.

W przypadku komputerów kwantowych musimy wynaleźć technologię, zanim zrobimy komputer. Technologia ta wykracza poza to, co istniało wcześniej, że ten krok zajął kilka dekad.

Teraz właściwie mamy nasze kwantowe wersje lamp próżniowych. Spodziewaj się więc Kolosa za jakieś dziesięć lat.

TL, DR: Argumenty inżynieryjne i fizyki zostały już przedstawione. Dodaję perspektywę historyczną: argumentuję, że pole obliczeń kwantowych ma naprawdę niewiele ponad dwie dekady i że zbudowanie czegoś w rodzaju MU5 zajęło nam ponad trzy dekady.

Ponieważ wspominasz o osi czasu, przyjrzyjmy się bliżej:

Początki

Po pierwsze, samą możliwość stworzenia czegoś w rodzaju komputera kwantowego wyrazili Richard Feynman na zachodzie (1959 lub 1981, jeśli chcesz) i Yuri Manin na wschodzie (1980). Ale to tylko pomysł. Nie rozpoczyna się implementacja.

Kiedy podobne rzeczy wydarzyły się w obliczeniach klasycznych? Cóż, bardzo dawno temu. Charles Babbage już na przykład chciał zbudować maszyny komputerowe na początku XIX wieku i miał już pomysły. Pascal, Leibniz, wszyscy mieli pomysły. Maszyna analityczna Babbage'a z 1837 roku, która nigdy nie została zbudowana z powodu finansowania i wyzwań inżynieryjnych (nawiasem mówiąc, prekursor maszyny analitycznej zbudowano z Lego ) jest zdecydowanie najnowszym pierwszym pomysłem, który jest już daleko przed tym, co zaproponowali Feynman i Manin informatyka kwantowa, ponieważ proponuje konkretną implementację.

Lata 70. nie widzą nic związanego z komputerem kwantowym. Niektóre kody są wymyślone, pewne teoretyczne podstawy są zrobione (ile informacji można przechowywać?), Co jest niezbędne do qc, ale tak naprawdę nie realizuje idei komputera kwantowego.

Kody i pomysły związane z komunikacją dotyczą obliczeń kwantowych, czym są telefony i przewody telegraficzne, do obliczeń klasycznych: ważny prekursor, ale nie komputer. Jak wiecie, kody Morse'a i telegrafy to technologie XIX wieku, a także trudniejsze kody dla głośnych kanałów. Podstawy matematyczne (w kategoriach twierdzeń o zakazie działania itp.) Wykonał Shannon w 1948 r.

W każdym razie można argumentować, że obliczenia z użyciem kart dziurkowanych zostały opracowane w 1804 r. Do tkania , ale nie chcę twierdzić, że tak naprawdę był to początek klasycznych obliczeń.

Komputery uniwersalne (kwantowe)

Kiedy zaczęły się obliczenia? Będę argumentować, że potrzebujesz wielu rzeczy, aby uzyskać badania na temat uniwersalnego przetwarzania danych w terenie; wcześniej liczba osób i zainwestowanych tam pieniędzy będzie ograniczona.

1. Potrzebujesz pojęcia uniwersalnego komputera i teoretycznego modelu tego, co chcesz osiągnąć.
2. Potrzebujesz architektury implementacji uniwersalnego komputera - na poziomie teoretycznym.
3. Potrzebujesz prawdziwego systemu, w którym możesz go wdrożyć.

Kiedy otrzymujemy te w obliczeniach kwantowych?

• Deutsch opisuje uniwersalny komputer kwantowy w 1985 roku (33 lata temu).
• W tym samym czasie opracowywane są modele obwodów i bramki.
• Pierwszy kompletny model, jak złożyć wszystko w całość, został zaproponowany przez Ciraca i Zollera w 1994 roku (zaledwie 24 lata temu).

Wszystkie inne postępy w obliczeniach kwantowych przed lub w tym czasie były ograniczone do kryptografii, ogólnie systemów kwantowych lub innej ogólnej teorii.

Co z obliczeniami klasycznymi?

• Mamy pracę Turinga na maszynach Turinga (1936) lub pracę Kościoła (w tym samym czasie).
• Nowoczesne architektury opierają się na modelu von Neumanna (1945); istnieją inne architektury.
• Jako model, model obwodu cyfrowego został zaprojektowany w 1937 roku przez Shannona.

Tak więc w 1994 roku jesteśmy w stanie porównywalnym do 1937:

• Jest kilka osób wykonujących teoretyczne prace przygotowawcze, a prace przygotowawcze zostały już wykonane.
• Istnieje spora liczba osób wykonujących prace inżynieryjne w kwestiach fundamentalnych niezwiązanych bezpośrednio, ale bardzo pomocnych w budowie komputera (kwantowego).
• A dziedzina nie jest na ogół tak duża i dobrze finansowana.
• Ale: od tej daty fundusze i ludzie zaczynają napływać w teren.

Pole startuje

W przypadku komputerów klasycznych ilustruje to liczba różnych „pierwszych systemów komputerowych” na osi czasu Wikipedii. Było kilka grup badawczych przynajmniej w Niemczech, Anglii i Stanach Zjednoczonych w kilku lokalizacjach (np. Manchester i Bletchley Park w Wielkiej Brytanii, by wymienić tylko kilka). Pieniądze z czasów wojny zostały skierowane na informatykę, ponieważ były one niezbędne np. Do opracowania bomby atomowej (patrz konta w Los Alamos).

Aby zapoznać się z obliczeniami kwantowymi, zobacz np. Ten komentarz :

Pole QIS zaczęło gwałtownie rosnąć na początku do połowy lat 90. w wyniku kilku jednoczesnych bodźców: Peter Shor wykazał, że komputer kwantowy może superfakturować bardzo duże liczby. Przemysł półprzewodników zdał sobie sprawę, że poprawa komputerów zgodnie z prawem Moore'a zbyt szybko osiągnie granicę kwantową, wymagając radykalnych zmian technologicznych. Postępy w naukach fizycznych dały uwięzione jony atomowe, zaawansowane wnęki optyczne, kropki kwantowe i wiele innych osiągnięć, które umożliwiły rozważenie budowy funkcjonalnych urządzeń logiki kwantowej. Ponadto potrzeba bezpiecznej komunikacji doprowadziła do zbadania schematów komunikacji kwantowej, które byłyby odporne na manipulacje.

Podsumowując, od czasu, gdy teoretyczne podstawy współczesnych komputerów zostały położone do czasu, kiedy pierwsze komputery będą dostępne (Zuse 1941, Manchester 1948, by wymienić tylko dwa), zajęło to około dekady. Podobnie minęło dziesięć lat, zanim pierwsze układy wykonały pewnego rodzaju uniwersalnie programowalne obliczenia z układami kwantowymi. To prawda, że ​​ich możliwości są niższe niż w przypadku pierwszych komputerów w Manchesterze, ale nadal.

Dwadzieścia lat później powoli obserwujemy gwałtowny rozwój technologii i angażuje się wiele firm. Widzimy także pojawienie się nowych technologii, takich jak tranzystor (po raz pierwszy odkryty w 1947 r.).

Podobnie, 20 lat po rozpoczęciu obliczeń kwantowych widzimy poważne wejście prywatnych firm na rynek, takich jak Google, IBM, Intel i wiele innych. Kiedy byłem na mojej pierwszej konferencji w 2012 roku, ich zaangażowanie było wciąż akademickie, dziś jest strategiczne. Podobnie w 2000 roku zobaczyliśmy propozycję bogactwa różnych systemów obliczeń kwantowych, takich jak kubity nadprzewodzące, które stanowią podstawę najbardziej zaawansowanych układów z trzech wyżej wymienionych firm. W 2012 roku nikt nie mógł twierdzić, że ma dość niezawodny system z więcej niż kilkoma fizycznymi kubitami. Dzisiaj, zaledwie sześć lat później, IBM pozwala ci grać z ich bardzo niezawodnymi 16 kubitami (5, jeśli naprawdę chcesz się bawić), a Google twierdzi, że testuje system 72 kubitów w naszej rozmowie.

Tak, wciąż mamy wiele do zrobienia, aby mieć niezawodny wielkoskalowy komputer kwantowy z funkcją korekcji błędów, a komputery, które obecnie mamy, są słabsze niż klasyczne komputery, które mieliśmy w latach 60., ale ja (jak inni tłumaczą w inne odpowiedzi) uważają, że jest to spowodowane wyjątkowymi wyzwaniami inżynierskimi. Istnieje niewielka szansa, że ​​jest to spowodowane ograniczeniami fizycznymi, o których nie mamy pojęcia, ale jeśli tak, to biorąc pod uwagę obecny postęp, powinniśmy wiedzieć najpóźniej za kilka lat.

O co mi tutaj chodzi?

• Argumentowałem, że powodem, dla którego nie widzimy jeszcze komputera kwantowego MU5, jest również fakt, że pole to po prostu nie jest jeszcze tak stare i do niedawna nie przyciągało tak wiele uwagi.
• Twierdzę, że z dzisiejszej perspektywy wydawało się, że klasyczne komputery bardzo szybko stały się bardzo dobre, ale zaniedbuje to dziesięciolecia wcześniejszych prac, w których rozwój i rozwój nie wydawały się tak szybkie.
• Argumentuję, że jeśli wierzysz (jak prawie wszyscy w tej dziedzinie), że początkowe problemy inżynieryjne napotykane przez komputery kwantowe są trudniejsze niż te napotykane przez klasyczne komputery, to widzisz bardzo porównywalną trajektorię badań i innowacji do jednego z klasycznych komputerów . Oczywiście są one nieco inne, ale podstawowe pomysły na to, jak to wygląda, są podobne.

Aby odpowiedzieć na część pytania „czy kiedykolwiek kupię komputer kwantowy” itp. Myślę, że istnieje fundamentalne nieporozumienie.

Obliczenia kwantowe to nie tylko obliczenia klasyczne, ale także szybsze. Komputer kwantowy rozwiązuje pewne problemy w krótkim czasie, co zajęłoby klasycznemu superkomputerowi tysiąc lat. To nie jest przesada. Ale regularne rodzaje obliczeń, dodawanie liczb, przenoszenie bitów do grafiki itp. Nadal będą to tylko klasyczne rzeczy obliczeniowe.

Jeśli technologia mogłaby zostać kiedykolwiek zminiaturyzowana (nie wiem), mogłaby to być coś więcej niż MMU lub karta graficzna. Dodatkowa funkcja do klasycznego komputera, a nie zamiennik. W ten sam sposób, w jaki wysokiej klasy karta graficzna pozwala Twojemu komputerowi robić rzeczy, których nie byłby w stanie (w rozsądnym czasie) z głównym procesorem, komputer kwantowy pozwalałby na inne rodzaje operacji, których obecnie nie można wykonać.

Polecam przynajmniej zeskanować pierwszy akapit strony „ Zasady działania ” na stronie Wikipedii zajmującej się obliczeniami kwantowymi.

Kiedy pytasz, czy jest to ciasto na niebie, zależy to raczej od tego, jakie obietnice, twoim zdaniem, starają się spełnić technologie kwantowe. I to zależy od tego, komu ludzie składają te obietnice.

Zastanów się, dlaczego zdajesz sobie sprawę z obliczeń kwantowych, biorąc pod uwagę, że nie udało się jeszcze wyprodukować żadnych urządzeń (lub, mówiąc bardziej uczciwie, niezbyt wielu ), które przypominałyby muskularny sprzęt komputerowy. Skąd o tym słyszysz, skąd emocje? Jestem gotów się założyć, że nawet jeśli weźmiesz udział w każdym wykładzie akademickim na temat obliczeń kwantowych, którym możesz osobiście poradzić, niewiele z tego, co słyszysz o obliczeniach kwantowych, pochodzi od naukowców. Możliwe, że dużo słyszysz o obliczeniach kwantowych ze źródeł, które są bardziej zainteresowane ekscytacją niż faktem.

Istnieją źródła korporacyjne, które wysuwają mniej lub bardziej imponujące twierdzenia na temat tego, co ich sprzęt kwantowy może zrobić lub będzie w stanie; i już od ponad dekady. Tymczasem istnieje duża społeczność ludzi, którzy po prostu starają się robić ostrożne postępy i nie wydają zbyt wiele energii na obietnice, których nie mogą spełnić. Od kogo usłyszysz więcej?

Ale nawet przyznając to, stronami najbardziej odpowiedzialnymi za emocje związane z obliczeniami kwantowymi są pewne rodzaje czasopism i witryn o szczególnym zainteresowaniu, które jako źródła informacji przypominają rynkowych sprzedawców wafli: handlują raczej słodkimi aromatami pary niż czymś innym substancja i ugryzienie. Przyciągający uwagę przemysł reklamowy, a nie środowisko akademickie, jest głównym powodem, dla którego istnieją tak rozdęte oczekiwania dotyczące obliczeń kwantowych. Zasadniczo nie dbają nawet o obliczenia kwantowe: jest to jedna z kilku magicznych inkantacji, którymi można zadziwić tłum, wywołać marzenia o cieście na niebie, a tymczasem zarabiać pieniądze od innej firmy tylko dla możliwości, że reklama była wyświetlana przez pół sekundy. Żeprzemysł zajmuje się głównie sprzedażą ciastek w powietrzu, zarówno swoim klientom, jak i odbiorcom. Ale czy to oznacza, że ​​światu winni są latający rulon figowy przez tych, którzy faktycznie pracują nad technologiami kwantowymi? Wystarczająco trudno jest osiągnąć rzeczy, które naszym zdaniem mogłyby być możliwe do osiągnięcia - które są skromniejsze, ale nadal warte zachodu.

Wśród moich rówieśników akademickich (teoretycznych informatyków i fizyków teoretycznych) rażąca dezinformacja publiczności na temat obliczeń kwantowych jest źródłem znacznej frustracji. Większość z nas uważa, że ​​możliwe będzie zbudowanie komputera kwantowego, a większość z tych, którzy wierzą, że będzie to miało znaczące skutki ekonomiczne. Ale nikt z nas nie spodziewa się, że wywróci świat do góry nogami za pięć do dziesięciu lat, ani też nie spodziewaliśmy się, że przez ostatnie piętnaście lat modne stało się stwierdzenie, że będziemy mieli ogromne komputery kwantowe pięć do dziesięciu lat ”. Zawsze starałem się powiedzieć, że mam nadzieję zobaczyć skutki w moim życiu, a ostatnie działania sprawiły, że mam nadzieję, że zobaczę to w ciągu dwudziestu lat - ale nawet wtedy nie pójdziesz do sklepu, aby je kupić,

Nikt z nas nie oczekuje też, że pozwoli ci to łatwo rozwiązać problem Traveling Salesman lub podobny problem. Możliwość analizowania problemów w chemii kwantowej i materiałach kwantowych jest oryginalnym, aw krótkim okresie wciąż najlepszym, perspektywicznym zastosowaniem obliczeń kwantowych i może być tam rewolucyjna; i być może w dłuższej perspektywie możemy zapewnić solidne i znaczące usprawnienia w praktyce w przypadku problemów związanych z optymalizacją. (D-Wave twierdzi, że może to zrobić już w praktyce za pomocą swoich maszyn: przysięgli wciąż nie są wśród naukowców, czy twierdzenie to jest uzasadnione.)

Diabeł polega na tym, że aby wyjaśnić, czego właściwie można oczekiwać od teorii i rozwoju obliczeń kwantowych, musisz w jakiś sposób wyjaśnić trochę mechaniki kwantowej. Nie jest to łatwe do zrobienia, a jak w przypadku wszystkiego skomplikowanego, w większym świecie jest mało cierpliwości na precyzyjne zrozumienie, szczególnie gdy „alternatywne fakty” w postaci słodkiego hakasu „jakow” krąży potężnie wokół siódmej buty ligowe.

Prawda - o tym, co mogą zrobić obliczenia kwantowe i że prawdopodobnie nie pozwoli ci się teleportować na cały świat, ani nie rozwiąże głodu na świecie lub chaosu linii lotniczych za jednym zamachem - jest nudna. Ale znaczne postępy w chemii i materiałoznawstwie nie są. Nie mówiąc już o aplikacjach, które nie zostały jeszcze opracowane: jak łatwo można ekstrapolować z komputerów opartych na sprzęcie, aby pomóc w niezawodnym obliczaniu podatków lub obliczaniu tabel logarytmicznych do projektowania samolotów ?

Oś czasu klasycznej technologii komputerowej rozciąga się jeszcze przed XIX wiekiem. Mamy pewien pomysł, jak spróbować ponownie podążać tą ścieżką za pomocą technologii kwantowych, i mamy wyobrażenie o rodzajach dywidend, które mogą być możliwe, jeśli to zrobimy. Z tego powodu mamy nadzieję odtworzyć rozwój użytecznej technologii komputerowej w znacznie, znacznie szybszym czasie niż ponad 370 lat od dodawania Pascala do współczesności. Ale nie będzie tak szybko, jak niektórzy obiecali, szczególnie ci, którzy nie są tak naprawdę odpowiedzialni za dotrzymanie tych „obietnic”.

Kilka uwag.

„ Gdzie jest sumator równoległy? ”

• Nie mamy dużych urządzeń, które przeprowadzają dodawanie przez komputery kwantowe, ale niektórzy ludzie pracują nad szybkimi obwodami dodawania w komputerach kwantowych - niektóre z tego, co będą musiały zrobić komputery kwantowe, wymagałyby bardziej konwencjonalnych operacji na superpozycji.

„ Gdzie jest odpowiednik Atlasu lub MU5? ”

• Szczerze mówiąc, wciąż pracujemy nad pierwszym niezawodnym analogiem kwantowym sumatora Pascala. Mam nadzieję, że podejście projektu NQIT (ujawnienie: jestem w to zaangażowany, ale nie jako eksperymentator) polegające na tworzeniu małych, wysokiej jakości modułów, które mogą wymieniać splątanie, będzie drogą do szybkiego skalowania poprzez masową produkcję modułów, w którym to przypadku możemy przejść od sumatora Pascala, do Collosusa, Atlasu i nie tylko w ciągu kilku lat. Ale tylko czas pokaże.

„ Wygląda na to, że nawet nie odeszli od podstaw. W najbliższym czasie nie kupisz żadnego w PC World ”.

• To jest całkowicie prawda. Jednakże, jeśli kiedykolwiek powiedziano ci, że możesz oczekiwać inaczej, jest to bardziej prawdopodobne, że wina PC World (lub uczciwie mówiąc, konkurencja PC World na rynku dla twoich pieniędzy z subskrypcji jako entuzjasta technologii) niż nasza. Każdy odpowiedzialny badacz powiedziałby ci, że ciężko pracujemy nad stworzeniem pierwszych poważnych prototypowych urządzeń.

„ Czy kiedykolwiek będziesz w stanie [kupić komputer kwantowy w PC World]? ”

• Czy kiedykolwiek będziesz w stanie kupić kredkę w PC World? Czy chciałbyś? Może nie. Ale twój uniwersytet może chcieć i poważne firmy mogą chcieć. Poza tym szalone są spekulacje - nie widzę, jak komputer kwantowy poprawiłby przetwarzanie tekstu. Ale z drugiej strony wątpię, aby Babbage kiedykolwiek wyobrażał sobie, że do komponowania liter można użyć czegoś podobnego do silnika różnicowego.

TL; DR : Pracuję nad teorią komputerów kwantowych od około 15 lat. Nie widziałem nic przekonującego do powiedzenia, że ​​nie będą działać. Oczywiście jedynym prawdziwym dowodem na to, że mogą pracować, jest ich wykonanie. To się teraz dzieje. Jednak to, co zrobi komputer kwantowy i dlaczego go chcemy, nie jest zgodne z opinią publiczną.

Czy obliczenia kwantowe to po prostu ciasto na niebie? Czy to wszystko po prostu jutro poleca kwantowym kwakierom łatwowiernej publiczności?

Jako „kwant kwak” (dzięki za to), oczywiście powiem wam, że to wszystko jest realistyczne. Ale teoria jest słuszna. Dopóki mechanika kwantowa jest poprawna, teoria obliczeń kwantowych jest poprawna, a istnieją wydajne algorytmy dla komputerów kwantowych, dla których nie wiemy, jak skutecznie obliczyć rozwiązanie na komputerze klasycznym. Ale nie sądzę, żeby cokolwiek, co tu piszę, mogłoby przekonać sceptyka. Albo musisz usiąść i nauczyć się wszystkich szczegółów, albo poczekać i zobaczyć.

Oczywiście mechanika kwantowa jest tylko teorią, którą można zastąpić w dowolnym momencie, ale jej przewidywania zostały już zastosowane w celu wyjaśnienia otaczającego nas świata. Komputery kwantowe nie wpychają teorii w niesprawdzony reżim, w którym możemy mieć nadzieję, że pojawią się nieoczekiwane wyniki (na co tak naprawdę liczą fizycy, ponieważ tam zaczynają pojawiać się wskazówki dotyczące nowej fizyki). Na przykład mechanika kwantowa jest już stosowana w układach skondensowanej materii składających się ze znacznie większej liczby składników niż w przypadku kubitów w krótkoterminowym komputerze kwantowym. Po prostu potrzebujemy bezprecedensowego poziomu kontroli nad nimi. Kilka osób uważa, że ​​mają argumenty za tym, dlaczego komputer kwantowy nie działa, ale nie znalazłem nic szczególnie przekonującego w argumentach, które przeczytałem.

Czy to wszystko szum i gorące powietrze?

Istnieje wiele szumu wokół komputerów kwantowych. Powiedziałbym, że pochodzi z dwóch głównych źródeł:

• popularna reprezentacja informatyki kwantowej w głównych mediach i kulturze popularnej (np. książki science fiction). Zapytaj każdego, kto aktywnie pracuje nad obliczeniami kwantowymi, myślę, że wszyscy zgodzą się, że jest słabo reprezentowany, co sprawia wrażenie, że jest to uniwersalne rozwiązanie, które przyspieszy działanie, a przynajmniej na razie tak nie jest. Jutro pojawiło się pewne zalecenie dla łatwowiernych odbiorców, ale to bardziej poprzez próbę „zagubienia w tłumaczeniu”, która nadmiernie upraszcza to, co się dzieje, głównie przez niewyspecjalizowanych pośredników.

• sami naukowcy. Przez ostatnie 20 (ish) lat ludzie obiecali, że obliczenia kwantowe są tuż za horyzontem i nigdy się nie zmaterializowały. To całkiem rozsądne, że obserwatorzy mają tego dość. Jednak z mojej perspektywy bycia w terenie nie było wielu osób, które twierdzą, że pracują nad komputerami kwantowymi. Ponieważ organy finansujące stawały się coraz bardziej wymagające w kwestii „dlaczego” badań i zapewniania „wpływu”, obliczenia kwantowe stały się powszechne dla wielu eksperymentatorów, nawet jeśli tak naprawdę nie są zainteresowani robieniem niczego dla komputera kwantowego. Jeśli istnieje jakiś sposób, aby mogli zmienić to, co robią, tak aby brzmiało to stosownie do obliczeń kwantowych, zwykle to robią. Nie oznacza to, że obliczenia kwantowe mogą Trzeba to zrobić, po prostu nie było tak dużo uwagi, jak sugerowano. Weźmy na nieco innym poziomie eksplozję kwantowej teorii informacji. Tak niewielu teoretyków, którzy aktywnie pracowali nad teorią komputerów kwantowych i jak sprawić, by działały (to nie znaczy, że nie robili interesujących rzeczy).

Jednak teraz osiągamy masę krytyczną, w której nagle inwestuje się w badania nad komputerami kwantowymi i związaną z nimi technologią, rzeczywistością i wszystko zaczyna się kręcić. Wydaje się, że osiągamy cel, mając urządzenia o około 50 kubitach, że możemy być w stanie osiągnąć „supremację kwantową” - wykonując obliczenia, których wyników nie możemy tak naprawdę zweryfikować na klasycznym komputerze. Częścią problemu z osiągnięciem tego jest właściwie wspomniany szybki postęp klasycznego przetwarzania. Biorąc pod uwagę postęp według prawa Moore'a, który daje wykładniczo poprawiającą się klasyczną moc obliczeniową, ciągle zmienia się to, co musimy osiągnąć, aby przekonać.

Komputery kwantowe nie wykazują podobnego postępu. Au contraire, wygląda na to, że nawet nie oderwały się od ziemi.

Chodzi o to, że ciężko to zrobić i zajęło dużo czasu, aby uzyskać prawidłową technologię podstawową. Jest to nieco niedoskonałe porównanie, ale nie jest takie złe: pomyśl o procesach litografii używanych do tworzenia procesorów. Ich rozwój postępował stopniowo, tworząc coraz mniejsze tranzystory, ale postęp zwalnia, ponieważ coraz trudniej jest sobie poradzić, na przykład z efektami kwantowymi, które przeszkadzają. Z drugiej strony komputery kwantowe w zasadzie starają się przekroczyć całą tę progresywną poprawę i przejść bezpośrednio do ostatecznego, końcowego rezultatu: tranzystory z pojedynczym atomem (rodzaj). Być może daje to pewien wgląd w to, z czym eksperymentatorzy próbują sobie poradzić?

W najbliższym czasie nie kupisz go w PC World. Czy kiedykolwiek będziesz w stanie?

Nie jest jasne, że nawet byś chciał. W tej chwili oczekujemy, że komputery kwantowe będą przydatne do pewnych, bardzo specyficznych zadań. W takim przypadku prawdopodobnie przewidujemy kilka potężnych scentralizowanych komputerów kwantowych, które wykonują te konkretne zadania, a większość ludzi będzie nadal korzystać z klasycznych komputerów. Ale ponieważ chcesz narysować analogie z rozwojem klasycznych komputerów, to (według Wikipedii) w 1946 roku Sir Charles Darwin (wnuk słynnego przyrodnika), szef brytyjskiego National Physical Laboratory, napisał:

jest bardzo możliwe, że ... jedna maszyna wystarczyłaby do rozwiązania wszystkich problemów, które są wymagane od całego kraju

(warianty tego przypisuje się osobom takim jak Watson). Wyraźnie tak nie jest. W rzeczywistości, gdy komputery stały się powszechnie dostępne, znaleziono dla nich dalsze zastosowania. Nie może być tak samo w przypadku komputerów kwantowych. Jednym z innych powodów, dla których nie kupiłbyś komputera kwantowego w sklepie, jest jego rozmiar. Cóż, rzeczywiste urządzenia są zwykle małe, ale to całe wyposażenie interfejsu, a zwłaszcza chłodzenie, zajmuje całą przestrzeń. W miarę ulepszania się technologii będzie ona mogła działać w stopniowo wyższych temperaturach (patrz na przykład postęp nadprzewodnictwa w wysokich temperaturach w porównaniu do pierwotnych temperatur, które musiały zostać osiągnięte), co zmniejszy wymagania dotyczące chłodzenia.

Dlaczego miałbyś oczekiwać, że dwie różne technologie będą się rozwijać w tym samym tempie?

Krótko mówiąc, komputery kwantowe mogą być niezwykle potężne, ale są znacznie trudniejsze do zbudowania niż komputery klasyczne. Teoria ich działania jest bardziej skomplikowana i oparta na najnowszej fizyce, istnieją większe teoretyczne pułapki i przeszkody, które hamują ich skalowanie, a ich konstrukcja wymaga znacznie bardziej wyrafinowanego sprzętu, który jest trudniejszy do zaprojektowania.

Prawie każdy etap rozwoju komputera kwantowego jest nieanalogiczny w stosunku do klasycznego komputera. Więc pytanie do ciebie; po co je porównywać?

Zobacz oś czasu na Wikipedii i zadaj sobie pytanie, gdzie jest równoległy sumator?

Wydaje mi się, że twoja odpowiedź leży w twoim pytaniu. Patrząc na oś czasu w Wikipedii widać bardzo powolny postęp od 1959 r. Do około 2009 r. Była to głównie praca teoretyczna, dopóki nie zmieniliśmy zera na jeden .

W ciągu zaledwie 9 lat od tamtego czasu tempo postępu było ogromne, od 2 kubitów do 72, a jeśli uwzględnisz dwa kubity do 2000 kubitów. I teraz w chmurze jest jeden, do którego mamy dostęp. Przedstaw wykres postępów w ciągu ostatnich 60 lat i jestem pewien, że zobaczysz kolano na krzywej, której wydajesz się pragnąć, i obalenie twojego stwierdzenia . O ile wiem, obliczenia kwantowe nic nie zrobiły.

Gdzie jest odpowiednik Atlasu lub MU5?

Czy to miara, na której opiera się twoje pytanie?

Czy kiedykolwiek będziesz w stanie? Czy to wszystko szum i gorące powietrze? Czy obliczenia kwantowe to po prostu ciasto na niebie? Czy to wszystko po prostu jutro poleca kwantowym kwakierom łatwowiernej publiczności?

Tak. Nie nie nie.

Jeśli nie, dlaczego nie?

Ponieważ, jak pokazuje twoja linia czasu, ludzie robią znaczący postęp w zakresie liczby i stabilności kubitów, a także algorytmów kwantowych.

Proszenie ludzi o przewidywanie przyszłości zawsze było obarczone niepowodzeniem, dlatego większość z tych stron nie pozwala na pytania oparte na opiniach.

Być może bardziej szczegółowe (nie oparte na opiniach) pytania lepiej posłużyłyby do udzielenia odpowiedzi na twoje pytania.

Smutna prawda dla większości ludzi tutaj jest taka, że ​​John Duffield (pytający) ma rację.

Nie ma dowodów na to, że komputer kwantowy będzie miał jakąkolwiek wartość.

Jednak w przypadku firm, które zainwestowały w informatykę kwantową (IBM, Google, Intel, Microsoft itp.), Całkowicie warto spróbować ją zbudować, ponieważ jeśli odniosą sukces, będą w stanie rozwiązać niektóre problemy wykładniczo szybciej niż klasyczne komputery, a jeśli się to nie powiedzie, nie zostaną wrzucone miliardy dolarów, które mają do dyspozycji.

Próba zbudowania użytecznych komputerów kwantowych, które do tej pory można nazwać awarią, doprowadziła przynajmniej do postępu w zrozumieniu nadprzewodników, fotoniki, a nawet samej teorii kwantowej. Wiele matematyki wykorzystywanej do analizy mechaniki kwantowej opracowano w kontekście teorii informacji kwantowej.

I wreszcie, komputery kwantowe mogą nigdy nie być dostępne na rynku, ale kwantowe urządzenia komunikacyjne firm Toshiba, HP, IBM, Mitsubishi, NEC i NTT są już na rynku.

Podsumowując: zgadzam się z Johnem Duffieldem, że obliczenia kwantowe mogą nigdy nie mieć żadnej wartości. Ale komunikacja kwantowa jest już dostępna na rynku i opracowano wiele nowych nauk, matematyki i inżynierii (np. Dla nadprzewodników) do naszych nieudanych (jak dotąd) prób uczynienia obliczeń kwantowych rzeczywistością.

Jak wszystkie dobre pytania, chodzi o to, co masz na myśli. Jako CTO startupu rozwijającego komputer kwantowy, muszę zdecydowanie nie zgodzić się z twierdzeniem, że obliczenia kwantowe to po prostu pietyzm na niebie.

Ale potem stwierdzasz: „Nie kupisz go w najbliższym czasie w PC World”. Nie tylko się z tym zgadzam, ale sugerowałbym, że w dającej się przewidzieć przyszłości nie będziesz w stanie tego zrobić, co jest tak bliskie „nigdy”, jak każesz mi twierdzić.

Dlaczego? Po pierwsze, jest to ważne, ponieważ nie ma technicznych powodów, aby powstrzymać nas od zbudowania komputera kwantowego, a tak naprawdę nie ma żadnych powodów, które mogłyby uniemożliwić nam zbudowanie takiego komputera o wiele dłużej. Po drugie, dzieje się tak, ponieważ trudniej jest zbudować komputer kwantowy niż komputer klasyczny (potrzebujesz specjalnych warunków, takich jak ekstremalnie niskie temperatury lub bardzo dobra próżnia, a są one wolniejsze), ale są tylko pewne problemy, w których przodują komputery kwantowe. Nie potrzebujesz żadnych laptopów do odkrywania narkotyków przez obliczenia lub łamanie przestarzałych krypto lub do przyspieszenia odwracania niektórych funkcji (szczególnie jeśli nie są wyposażone w sprzęt pomocniczy wielkości szafy), ale potrzebujesz jednego lub kilku superkomputerów, aby to zrobić.

Dlaczego mogę powiedzieć, że nie ma problemów inżynieryjnych, które zapobiegałyby (dużym, uniwersalnym) komputerom kwantowym? Zauważ, że wystarczyłby jeden przykład, dlatego wybieram technologię, którą znam najlepiej, tę, którą realizuję zawodowo. W obliczeniach kwantowych opartych na pułapce jonowej wykazano wszystkie potrzebne składniki: uniwersalne bramki kwantowe o wysokiej wierności. Istnieją udane próby przemieszczania jonów (oddzielania i rekombinowania ich z ciągów jonów, przenoszenia ich wzdłuż ścieżek i przecinania ścieżek), z odpowiednią wydajnością. Plus inicjalizacja, pomiar itp. Jest możliwy z dokładnością porównywalną do operacji na bramce. Jedyne, co uniemożliwia budowę dużych, uniwersalnych komputerów kwantowych opartych na pułapce jonowej, wiąże się z pozyskiwaniem naukowców, którzy wnieśli indywidualny wkład wraz z odpowiednimi inżynierami,

Pragnę wam nawet powiedzieć, jak można zrobić wyczyn wkrótce, technicznie, ale obawiam się, że sprawiłbym, że nasz rzecznik patentowy (i mój dyrektor generalny i wszyscy inni w firmie) byli trochę szaleni. Sprowadza się do tego:

Jeśli obliczenia kwantowe są rzeczywiście ciastkiem na niebie, to patrząc w przeszłość, ludzie w przyszłości będą postrzegać je jako tak nisko wiszący owoc, jak pierwsze mikrokomputery.

Istnieje wiele technicznych wyzwań związanych z opracowaniem uniwersalnego komputera kwantowego składającego się z wielu kubitów, jak wskazano w innych odpowiedziach. Zobacz także ten artykuł poglądowy . Jednak mogą istnieć sposoby obejścia sposobów na uzyskanie niektórych nietrywialnych wyników obliczeń kwantowych, zanim dotrzemy do pierwszego prawdziwie uniwersalnego komputera kwantowego.

Zauważ, że klasyczne urządzenia komputerowe istniały na długo przed stworzeniem pierwszego uniwersalnego komputera. Np. Do numerycznego rozwiązywania równań różniczkowych można zbudować obwód elektryczny składający się z kondensatorów, cewek i rezystorów, tak aby napięcie między niektórymi punktami spełniało to samo równanie różniczkowe jak to, które chcesz rozwiązać. Ta metoda była popularna w astrofizyce przed pojawieniem się komputerów cyfrowych.

W przypadku obliczeń kwantowych zauważ, że kiedy Feynman wpadł na pomysł obliczeń kwantowych, argumentował na podstawie trudności w symulacji właściwości mechaniki kwantowej niektórych układów fizycznych za pomocą zwykłych komputerów. Odwrócił argument, zauważając, że sam system rozwiązuje matematyczny problem, który jest trudny do rozwiązania za pomocą zwykłych komputerów. Kwantowo-mechaniczny charakter systemu sprawia, że ​​tak, dlatego można rozważyć, czy można zbudować kwantowo-mechaniczne urządzenia, które są w stanie poradzić sobie z problemami trudnymi do rozwiązania za pomocą zwykłych komputerów.