Kaum xyoo tom qab ntawd tsis muaj leej twg paub thaum twg

Ib tus neeg paub tsawg dua uas tau nyeem tag nrho cov ntawv tshaj tawm txog quantum computers yuav tau txais kev xav tias lawv yog "tawm ntawm lub txee" cov cav tov uas ua haujlwm zoo ib yam li cov tshuab computer. Tsis muaj dab tsi yuav ua tsis ncaj ncees lawm. Qee tus txawm ntseeg tias tsis muaj quantum computers tseem. Thiab lwm tus xav paub seb lawv yuav siv li cas vim lawv tsis tau tsim los hloov xoom-ib tshuab.

Peb feem ntau hnov ​​​​tias thawj qhov tiag thiab ua haujlwm zoo quantum computers yuav tshwm sim nyob rau hauv ib xyoo caum. Txawm li cas los xij, raws li Linley Gwennap, tus kws tshuaj ntsuam tseem ceeb ntawm Linley Group, tau sau tseg hauv tsab xov xwm, "Thaum tib neeg hais tias quantum computer yuav tshwm sim hauv kaum xyoo, lawv tsis paub thaum twg nws yuav tshwm sim."

Txawm hais tias qhov xwm txheej tsis meej, ib qho chaw ntawm kev sib tw rau lub npe hu ua quantum supremacy. Kev txhawj xeeb txog kev ua haujlwm quantum thiab kev ua tiav ntawm Suav, Asmeskas cov thawj coj tau dhau los ntawm National Quantum Initiative Act lub Kaum Ob Hlis (1). Cov ntaub ntawv no yog npaj los muab tsoomfwv txhawb rau kev tshawb fawb, kev tsim kho, ua qauv qhia thiab siv quantum suav thiab thev naus laus zis. Tshaj li kaum xyoo tej yam yees siv, tsoomfwv Meskas yuav siv nyiaj ntau lab nyiaj los tsim quantum suav infrastructure, ib qho ecosystem, thiab nrhiav neeg. Txhua tus tsim tawm loj ntawm quantum computers - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft thiab Rigetti, nrog rau cov tsim ntawm quantum algorithms 1QBit thiab Zapata, txais tos qhov no. National Quantum Initiative.

Pioneers ntawm D-WAve

Hauv xyoo 2007, D-Wave Systems tau qhia txog 128-qubit nti (2), npe ntiaj teb thawj quantum computer. Txawm li cas los xij, nws tsis paub meej tias nws puas tuaj yeem hu ua qhov ntawd - tsuas yog nws cov haujlwm tau qhia, tsis muaj cov ntsiab lus ntawm nws tus qauv tsim. Xyoo 2009, D-Wave Systems tau tsim "quantum" duab tshawb nrhiav rau Google. Thaum lub Tsib Hlis 2011, Lockheed Martin tau txais quantum computer tsim los ntawm D-Wave Systems. D-wave ib rau $ 10 lab, thaum kos npe rau daim ntawv cog lus ntau xyoo rau nws txoj haujlwm thiab kev tsim kho cov txheej txheem tsim nyog.

Xyoo 2012, lub tshuab no tau qhia txog cov txheej txheem ntawm kev nrhiav cov helical protein molecule nrog lub zog qis tshaj. Cov kws tshawb fawb ntawm D-Wave Systems siv cov tshuab nrog cov lej sib txawv qub, tau ua ntau qhov kev suav lej, qee qhov deb dhau qhov peev xwm ntawm cov khoos phis tawj classical. Txawm li cas los xij, thaum ntxov 2014, John Smolin thiab Graham Smith tau luam tawm ib daim ntawv sib cav tias D-Wave Systems tshuab tsis yog tshuab. Tsis ntev tom qab no, Physics of Nature tau nthuav tawm cov txiaj ntsig ntawm kev sim ua pov thawj tias D-Wave One yog tom qab tag nrho ...

Lwm qhov kev sim, ua nyob rau lub Rau Hli 2014, tsis pom qhov sib txawv ntawm lub tshuab computer classic thiab D-Wave Systems tshuab, tab sis lub tuam txhab tau teb tias qhov sib txawv tsuas yog pom tau rau cov teeb meem nyuaj dua li cov kev daws teeb meem hauv qhov kev sim. Thaum pib ntawm 2017, lub tuam txhab tau qhia txog lub tsheb supposedly muaj 2 qubuas yog 2500 lub sij hawm sai tshaj qhov ceev tshaj classical algorithms. Thiab dua, ob lub hlis tom qab, ib pab pawg kws tshawb fawb tau ua pov thawj tias qhov kev sib piv no tsis raug. Rau ntau tus neeg tsis ntseeg, D-Wave systems tseem tsis yog quantum computers, tab sis lawv kev simulation siv cov txheej txheem classical.

Qhov thib plaub tiam D-Wave system siv quantum annealingthiab cov xeev ntawm qubit tau paub los ntawm superconducting quantum circuits (raws li hu ua Josephson junctions). Lawv ua haujlwm nyob rau hauv ib qho chaw ze-tsawg-xoom thiab khav theeb 2048-qubit system. Thaum kawg ntawm 2018, D-Wave tau qhia txog kev ua lag luam BOUNCE, yog, koj real-time quantum daim ntawv thov ib puag ncig (KAJ). Cov kev daws teeb meem huab muab cov neeg siv sab nraud nkag mus rau quantum suav hauv lub sijhawm.

Thaum Lub Ob Hlis 2019, D-Wave tshaj tawm cov tiam tom ntej  Pegasus. Nws tau tshaj tawm tias yog "qhov kev lag luam loj tshaj plaws quantum hauv lub ntiaj teb" nrog kaum tsib kev sib txuas ib qubit es tsis yog rau, nrog rau ntau 5 qub thiab qhib lub suab tshem tawm ntawm qhov tsis paub yav dhau los. Cov cuab yeej yuav tsum tau muag hauv nruab nrab xyoo tom ntej.

Qubits, los yog superpositions ntxiv rau entanglement

Cov txheej txheem computer processors cia siab rau cov pob ntawv, lossis cov ntaub ntawv, txhua tus sawv cev rau ib qho yog lossis tsis teb. Quantum processors txawv. Lawv tsis ua haujlwm hauv lub ntiaj teb xoom-ib. luj luj, qhov tsawg tshaj plaws thiab indivisible chav tsev ntawm quantum cov ntaub ntawv yog cov piav ob-dimensional system Hilbert chaw. Yog li ntawd, nws txawv ntawm classic bat nyob rau hauv uas nws muaj peev xwm nyob rau hauv tej superposition ob lub xeev quantum. Raws li tus qauv ntawm lub cev ntawm qubit, qhov piv txwv feem ntau tau muab yog ib feem nrog spin ½, xws li electron, lossis polarization ntawm ib qho photon.

Txhawm rau siv lub zog ntawm qubits, koj yuav tsum txuas lawv siv tus txheej txheem hu ua tsis meej pem. Nrog rau txhua qubit ntxiv, lub zog ua haujlwm ntawm lub processor ob npaug koj tus kheej, txij li tus naj npawb ntawm entanglements yog nrog los ntawm entanglement ntawm qubit tshiab nrog rau tag nrho cov xeev uas twb muaj nyob rau hauv lub processor (3). Tab sis tsim thiab sib txuas qubits thiab tom qab ntawd qhia lawv kom ua cov lej sib txawv tsis yog ib txoj haujlwm yooj yim. Lawv nyob rhiab heev rau sab nraud influencesuas tuaj yeem ua rau kev suav yuam kev thiab, qhov phem tshaj plaws, mus rau qhov lwj ntawm cov qubits, i.e. decoherenceuas yog qhov kev foom phem tiag tiag ntawm quantum systems. Raws li qubits tau ntxiv, qhov tsis zoo ntawm sab nraud rog nce. Ib txoj hauv kev los daws qhov teeb meem no yog kom pab ntxiv qub "CONTROL"uas nws lub luag haujlwm yog los xyuas thiab kho cov ntaub ntawv tso tawm.

3. Cov cim sawv cev ntawm IBM 50-qubit system

Txawm li cas los xij, qhov no txhais tau hais tias yuav xav tau ntau lub khoos phis tawj quantum muaj zog, muaj txiaj ntsig zoo rau kev daws teeb meem nyuaj xws li txiav txim siab yuav ua li cas protein molecules quav lossis simulating cov txheej txheem hauv lub cev hauv atoms. ntau qub. Tom Watson los ntawm University of Delft hauv Netherlands tsis ntev los no hais rau BBC Xov Xwm:

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Hauv ntej, yog tias quantum computers xav tawm, koj yuav tsum tuaj nrog txoj hauv kev yooj yim los tsim cov qubit processors loj thiab ruaj khov.

Vim qubits tsis ruaj khov, tsim kom muaj qhov system nrog ntau ntawm lawv yog qhov nyuaj heev. Yog li yog tias, thaum kawg, qubits raws li lub tswv yim quantum xam poob, cov kws tshawb fawb muaj lwm txoj hauv kev: quantum qubit rooj vag.

Pab pawg Purdue University tau tshaj tawm txoj kev tshawb fawb hauv npj Quantum Cov Ntaub Ntawv qhia txog lawv qhov kev tsim. Cov kws tshawb fawb ntseeg li ntawd KuditsTsis zoo li qubits, lawv tuaj yeem muaj nyob hauv ntau tshaj ob lub xeev - piv txwv li, 0, 1, thiab 2 - thiab rau txhua lub xeev ntxiv, kev suav lub zog ntawm ib qho qudit nce. Hauv lwm lo lus, koj yuav tsum tau encode thiab ua cov ntaub ntawv tib yam. tsawg koob meej dua qub.

Txhawm rau tsim cov rooj vag quantum uas muaj qudits, pab pawg Purdue encoded plaub qudits rau hauv ob lub photons entangled nyob rau hauv cov nqe lus ntawm zaus thiab lub sij hawm. Pab pawg tau xaiv photons vim tias lawv tsis yooj yim cuam tshuam los ntawm lawv ib puag ncig, thiab siv ntau qhov chaw tso cai rau kev cuam tshuam ntau dua nrog tsawg dua photons. Lub rooj vag tiav lawm muaj lub tshuab xam zauv ntawm 20 qubits, txawm hais tias nws tsuas yog xav tau plaub qudits, nrog rau kev ruaj ntseg ntxiv ua tsaug rau kev siv photons, ua rau nws muaj kev cia siab rau yav tom ntej quantum computers.

Silicon los yog ion ntxiab

Txawm hais tias tsis yog txhua leej txhua tus qhia qhov kev xav no, siv silicon los tsim quantum computers zoo nkaus li muaj txiaj ntsig zoo, vim tias silicon thev naus laus zis tau tsim zoo thiab twb muaj kev lag luam loj cuam tshuam nrog nws. Silicon yog siv nyob rau hauv Google thiab IBM's quantum processors, txawm hais tias nws yog txias rau qhov kub thiab txias. Nws tsis yog cov khoom siv zoo tshaj plaws rau quantum systems, tab sis cov kws tshawb fawb tau ua haujlwm rau nws.

Raws li kev tshaj tawm tsis ntev los no hauv Nature, ib pab pawg ntawm cov kws tshawb fawb tau siv lub zog microwave los ua kom ob qho khoom siv hluav taws xob raug tshem tawm hauv silicon thiab tom qab ntawd siv lawv los ua cov kev ntsuas ntsuas. Cov pab pawg, uas suav nrog, tshwj xeeb, Cov kws tshawb fawb los ntawm University of Wisconsin-Madison, "tshem tawm" ib qho hluav taws xob qubits hauv cov qauv silicon, cov kiv cua uas tau txiav txim siab los ntawm lub zog ntawm microwave hluav taws xob. Nyob rau hauv superposition, lub electron ib txhij rotated nyob ib ncig ntawm ob txawv axes. Ob lub qubits tau muab tso ua ke thiab programmed los ua qhov ntsuas ntsuas, tom qab ntawd cov kws tshawb fawb tau muab cov ntaub ntawv tsim tawm los ntawm lub kaw lus nrog cov ntaub ntawv tau txais los ntawm lub khoos phis tawj txheej txheem ua tib yam kev ntsuas ntsuas. Tom qab kho cov ntaub ntawv, ib tug programmable ob-ntsis quantum silicon processor.

Txawm hais tias qhov kev ua yuam kev tseem muaj ntau dua li qhov hu ua ion ntxiab (cov khoom siv uas khaws cov khoom them nqi xws li ions, electrons, protons rau qee lub sijhawm) lossis khoos phis tawj.  Raws li cov superconductors xws li D-Wave, qhov kev ua tiav tseem zoo kawg li vim tias kev cais qubits los ntawm cov suab nrov sab nraud yog qhov nyuaj heev. Cov kws tshaj lij pom cov hauv kev los ntsuas thiab txhim kho qhov system. Thiab kev siv silicon, los ntawm kev siv thev naus laus zis thiab kev lag luam, yog qhov tseem ceeb ntawm no.

Txawm li cas los xij, rau ntau tus kws tshawb fawb, silicon tsis yog yav tom ntej ntawm quantum xam. Lub Kaum Ob Hlis Ntuj tas los, cov ntaub ntawv tau tshwm sim tias cov engineers los ntawm Asmeskas lub tuam txhab IonQ siv ytterbium los tsim lub ntiaj teb cov khoom lag luam zoo tshaj plaws quantum computer, superior rau D-Wave thiab IBM systems.

Qhov tshwm sim yog lub tshuab uas muaj ib qho atom hauv ib qho ion ntxiab (4) siv tib cov ntaub ntawv qubit rau kev encoding, thiab qubits yog tswj thiab ntsuas siv tshwj xeeb laser pulses. Lub computer muaj lub cim xeeb uas tuaj yeem khaws 160 qubits ntawm cov ntaub ntawv. Nws tseem tuaj yeem ua kev suav ntawm 79 qubits ib txhij.

4. IonQ ion ntxiab daim duab

Cov kws tshawb fawb los ntawm IonQ tau ua tus qauv ntsuas ntawm qhov hu ua Bernstein-Waziraniego algorithm. Lub tshuab ua haujlwm yog twv tus lej ntawm 0 thiab 1023. Classic computers yuav tsum tau kaum ib sim rau tus lej 10-ntsis. Quantum computers siv ob txoj hauv kev los twv qhov txiaj ntsig nrog 100% tseeb. Nyob rau thawj zaug sim, IonQ quantum computer kwv yees qhov nruab nrab ntawm 73% ntawm tus lej muab. Thaum lub algorithm khiav rau ib tus lej ntawm 1 thiab 1023, lub computer ib txwm muaj 0,2% txoj hauv kev ua tiav, tab sis IonQ muaj 79% txoj hauv kev ua tiav.

IonQ ntseeg hais tias ion ntxiab-raws li tshuab yog superior rau silicon quantum computers uas Google thiab lwm lub tuam txhab tsim. Lawv 79-qubit matrix yog qhov zoo tshaj rau Google's Bristlecone quantum processor los ntawm 7 qubits. Qhov txiaj ntsig ntawm IonQ kuj tseem muaj txiaj ntsig zoo thaum nws los txog rau kev ntseeg tau. Raws li cov neeg tsim ntawm lub tshuab, rau ib qho qubit nws tseem nyob ntawm 99,97%, uas txhais tau hais tias qhov yuam kev ntawm 0,03%, thaum qhov txiaj ntsig zoo tshaj plaws ntawm kev sib tw nruab nrab ntawm 0,5%. Qhov kev ua yuam kev ob-ntsis rau IonQ ntaus ntawv yuav tsum yog 99,3%, thaum cov neeg sib tw feem ntau qis dua 95%.

Nws tsim nyog ntxiv tias, raws li Google cov kws tshawb fawb, quantum supremacy - lub ntsiab lus ntawm lub quantum computer outperforms tag nrho lwm yam muaj machines - twb tau mus txog nrog ib tug 49-qubit quantum computer, muab qhov yuam kev tus nqi ntawm ob-qubit rooj vag yog qis dua 0,5%. Txawm li cas los xij, cov txheej txheem ion ntxiab hauv quantum suav tseem ntsib cov teeb meem loj los kov yeej: lub sijhawm ua haujlwm qeeb thiab loj loj, nrog rau qhov raug thiab ua kom muaj peev xwm ntawm cov thev naus laus zis.

Ib qho chaw ruaj khov ntawm ciphers hauv kev puas tsuaj thiab lwm yam tshwm sim

Thaum Lub Ib Hlis 2019, ntawm CES 2019, IBM CEO Ginni Rometty tshaj tawm tias IBM twb tau muab kev sib xyaw ua ke quantum suav rau kev lag luam siv. IBM quantum computers5) muaj lub cev nyob hauv New York ua ib feem ntawm lub cev IBM Q System Ib. Siv Q Network thiab Q Quantum Computational Center, cov neeg tsim khoom siv tau yooj yim siv Qiskit software los sau cov quantum algorithms. Yog li, kev suav lub zog ntawm IBM quantum computers yog muaj raws li huab xam kev pabcuam, tus nqi tsim nyog.

D-Wave kuj tau muab cov kev pabcuam zoo li no rau qee lub sijhawm, thiab lwm tus neeg ua si loj (xws li Amazon) tab tom npaj cov khoom lag luam huab cua zoo sib xws. Microsoft tau mus ntxiv nrog kev taw qhia Q# programming lus (hais zoo li) uas tuaj yeem khiav Visual Studio thiab khiav ntawm lub laptop. Programmers muaj ib lub cuab tam los ua qauv quantum algorithms thiab tsim ib tug software choj ntawm classical thiab quantum xam.

Txawm li cas los xij, cov lus nug yog, cov khoos phis tawj thiab lawv cov khoos phis tawj siv tau zoo li cas? Hauv kev tshawb fawb luam tawm lub Kaum Hli Ntuj dhau los hauv phau ntawv Journal Science, cov kws tshawb fawb los ntawm IBM, University of Waterloo thiab Technical University of Munich tau sim kwv yees cov teeb meem uas quantum computers zoo li zoo tshaj plaws.

Raws li kev tshawb fawb, cov cuab yeej zoo li no yuav tuaj yeem daws qhov nyuaj linear algebra thiab optimization teeb meem. Nws suab tsis meej, tab sis tej zaum yuav muaj txoj hauv kev rau kev daws teeb meem yooj yim dua thiab pheej yig dua rau cov teeb meem uas tam sim no yuav tsum tau siv zog ntau, cov peev txheej thiab sijhawm, thiab qee zaum dhau ntawm peb mus txog.

5. IBM Quantum Computer

Muaj txiaj ntsig Quantum Computing diametrically hloov chaw ntawm cryptography. Ua tsaug rau lawv, cov lej encryption tuaj yeem tawg sai sai thiab ua tau blockchain technology yuav raug puas tsuaj. RSA encryption tam sim no zoo li yog ib qho kev ruaj ntseg ruaj ntseg uas tiv thaiv feem ntau ntawm lub ntiaj teb cov ntaub ntawv thiab kev sib txuas lus. Txawm li cas los xij, lub khoos phis tawj quantum muaj zog txaus tuaj yeem yooj yim crack RSA encryption nrog kev pab Shor lub algorithm.

Yuav tiv thaiv qhov no li cas? Qee tus neeg tawm tswv yim nce qhov ntev ntawm pej xeem encryption yuam sij rau qhov loj me uas tsim nyog los kov yeej quantum decryption. Raws li lwm tus, nws yuav tsum tau siv ib leeg kom muaj kev ruaj ntseg ntawm kev sib txuas lus. Ua tsaug rau quantum cryptography, txoj cai ntawm kev cuam tshuam cov ntaub ntawv yuav ua rau nws tsis zoo, tom qab uas tus neeg cuam tshuam nrog cov khoom yuav tsis tuaj yeem tau txais cov ntaub ntawv tseem ceeb los ntawm nws, thiab tus neeg txais yuav tau ceeb toom txog kev sim eavesdropping.

Muaj peev xwm siv quantum suav kuj tau hais ntau zaus. economic tsom xam thiab forecasting. Nrog quantum systems, complex qauv ntawm kev ua lag luam tus cwj pwm tuaj yeem nthuav dav kom suav nrog ntau qhov sib txawv dua li ua ntej, ua rau muaj kev kuaj mob thiab kev kwv yees ntau dua. Los ntawm kev ua tiav ntau txhiab qhov sib txawv nrog lub computer quantum, nws tseem tuaj yeem txo lub sijhawm thiab cov nqi tsim nyog rau kev txhim kho. cov tshuaj tshiab, kev thauj mus los thiab kev daws teeb meem, cov saw hlau, cov qauv kev nyab xeebnrog rau kev daws ntau yam teeb meem ntawm kev nyuaj siab loj.

Marigold lawd

Lub ntiaj teb ntawm cov khoos phis tawj qub muaj nws tus kheej Moore txoj cai, thaum quantum computers yuav tsum tau coj los ntawm lub npe hu ua Marigold lawd. Nws tshuav nws lub npe rau ib qho ntawm Google tus kws tshaj lij quantum, Hartmut Nevena: koj puas xav tau ntau tus thwjtim? (6), uas tau hais tias kev nce qib hauv quantum suav tshuab tam sim no tau ua hauv double exponential tus nqi.

Qhov no txhais tau hais tias es tsis txhob ua ob npaug ntawm cov khoom tsim tau los ntawm kev ua tiav, ib yam li cov khoos phis tawj classical thiab Moore Txoj Cai, quantum thev naus laus zis nce kev tsim khoom sai dua.

Cov kws tshaj lij kwv yees qhov pib ntawm quantum superiority, uas tuaj yeem txhais tsis tau tsuas yog rau hauv lub superiority ntawm quantum computers tshaj ib qho classical txoj kev, tab sis kuj nyob rau hauv lwm txoj kev - raws li thaum pib ntawm lub era ntawm pab tau quantum computers. Qhov no yuav ua rau txoj hauv kev rau kev ua tiav hauv chemistry, astrophysics, tshuaj, kev ruaj ntseg, kev sib txuas lus thiab ntau ntxiv.

Txawm li cas los xij, tseem muaj kev xav tias qhov kev ua tau zoo li no yuav tsis muaj nyob, tsawg kawg nyob rau yav tom ntej. Ib tug me me version ntawm skepticism yog hais tias Quantum computers yuav tsis hloov cov computers classical vim tias lawv tsis tsim los ua li ntawd. Koj tsis tuaj yeem hloov lub iPhone lossis PC nrog lub tshuab quantum, ib yam li koj tsis tuaj yeem hloov khau ntaus pob tesniv ... nrog lub nkoj thauj khoom nuclear. Cov khoos phis tawj classic tso cai rau koj ua si, tshawb xyuas email, dhia lub vev xaib, thiab khiav cov haujlwm. Quantum computers feem ntau khiav simulations uas nyuaj heev rau binary systems khiav ntawm lub computer khoom. Hauv lwm lo lus, cov neeg siv khoom yuav luag tsis tau txais txiaj ntsig los ntawm lawv tus kheej quantum computer, tab sis cov neeg tau txais txiaj ntsig tiag tiag ntawm qhov tsim yuav yog, piv txwv li, NASA lossis Massachusetts Institute of Technology.

Lub sij hawm yuav qhia txog txoj hauv kev twg ua rau muaj kev nkag siab ntau dua - IBM lossis Google. Raws li Neven Txoj Cai, peb tsuas yog ob peb lub hlis dhau los ntawm pom kev ua qauv qhia tag nrho ntawm quantum supremacy los ntawm ib pab pawg lossis lwm tus. Thiab qhov no tsis yog lub zeem muag ntawm "kaum xyoo tom ntej no, uas yog, leej twg paub thaum twg."