Diez años después nadie sabe cuándo

Para una persona menos informada que haya leído un montón de publicaciones sobre computadoras cuánticas, podría tener la impresión de que se trata de máquinas "listas para usar" que funcionan de la misma manera que las computadoras comunes. Nada podría estar más equivocado. Algunos incluso creen que todavía no existen las computadoras cuánticas. Y otros se preguntan para qué se usarán, ya que no están diseñados para reemplazar los sistemas cero uno.

A menudo escuchamos que las primeras computadoras cuánticas reales y que funcionen correctamente aparecerán en aproximadamente una década. Sin embargo, como Linley Gwennap, analista jefe de Linley Group, señaló en el artículo, "cuando la gente dice que aparecerá una computadora cuántica en diez años, no saben cuándo sucederá".

A pesar de esta vaga situación, el ambiente de competencia por el llamado. dominancia cuántica. Preocupada por el trabajo cuántico y el éxito de los chinos, la administración estadounidense aprobó en diciembre pasado la Ley de Iniciativa Nacional Cuántica (1). El documento está destinado a brindar apoyo federal para la investigación, el desarrollo, la demostración y la aplicación de la computación y las tecnologías cuánticas. En diez años mágicos, el gobierno de los EE. UU. gastará miles de millones en la construcción de infraestructura de computación cuántica, ecosistemas y contratación de personas. Todos los principales desarrolladores de computadoras cuánticas: D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft y Rigetti, así como los creadores de algoritmos cuánticos 1QBit y Zapata dieron la bienvenida a esto. Iniciativa Nacional Cuántica.

Pioneros de D-WAve

En 2007, D-Wave Systems introdujo un chip de 128 qubits (2), se llama primera computadora cuántica del mundo. Sin embargo, no había certeza de si podría llamarse así, solo se mostró su trabajo sin ningún detalle de su construcción. En 2009, D-Wave Systems desarrolló un motor de búsqueda de imágenes "cuántico" para Google. En mayo de 2011, Lockheed Martin adquirió una computadora cuántica de D-Wave Systems. Onda D uno por $ 10 millones, mientras firma un contrato de varios años para su operación y desarrollo de algoritmos relacionados.

En 2012, esta máquina demostró el proceso de encontrar la molécula de proteína helicoidal con la energía más baja. Investigadores de D-Wave Systems utilizan sistemas con diferentes números qubits, realizó una serie de cálculos matemáticos, algunos de los cuales estaban mucho más allá de las capacidades de las computadoras clásicas. Sin embargo, a principios de 2014, John Smolin y Graham Smith publicaron un artículo en el que afirmaban que la máquina de D-Wave Systems no era una máquina. Poco después, Physics of Nature presentó los resultados de los experimentos que prueban que D-Wave One sigue siendo...

Otra prueba en junio de 2014 no mostró diferencia entre una computadora clásica y una máquina de D-Wave Systems, pero la empresa respondió que la diferencia solo se notaba para tareas más complejas que las resueltas en la prueba. A principios de 2017, la empresa presentó una máquina que aparentemente constaba de 2 mil qubitsque era 2500 veces más rápido que los algoritmos clásicos más rápidos. Y nuevamente, dos meses después, un grupo de científicos demostró que esta comparación no era precisa. Para muchos escépticos, los sistemas D-Wave aún no son computadoras cuánticas, pero su simulaciones utilizando métodos clásicos.

El sistema D-Wave de cuarta generación utiliza recocidos cuánticosy los estados de qubit se realizan mediante circuitos cuánticos superconductores (basados ​​en las llamadas uniones de Josephson). Operan en un entorno cercano al cero absoluto y cuentan con un sistema de 2048 qubits. A finales de 2018, D-Wave introdujo en el mercado REBOTAR, ese es tu entorno de aplicación cuántica en tiempo real (KAE). La solución en la nube permite a los clientes externos acceder a la computación cuántica en tiempo real.

En febrero de 2019, D-Wave anunció la próxima generación  Pegaso. Se anunció que sería "el sistema cuántico comercial más extenso del mundo" con quince conexiones por qubit en lugar de seis, con más de 5 qubits y activar la reducción de ruido a un nivel previamente desconocido. El dispositivo debería aparecer a la venta a mediados del próximo año.

Qubits, o superposiciones más entrelazamiento

Los procesadores de computadora estándar se basan en paquetes o piezas de información, cada uno de los cuales representa una sola respuesta de sí o no. Los procesadores cuánticos son diferentes. No funcionan en un mundo cero uno. hueso del codo, la unidad más pequeña e indivisible de información cuántica es el sistema bidimensional descrito Espacio de Hilbert. Por lo tanto, se diferencia del compás clásico en que puede estar en cualquier superposición dos estados cuánticos. El modelo físico de un qubit se suele dar como ejemplo de una partícula con espín ½, como un electrón, o la polarización de un solo fotón.

Para aprovechar el poder de los qubits, debe conectarlos a través de un proceso llamado confusión. Con cada qubit agregado, la potencia de procesamiento del procesador dobles ellos mismos, ya que el número de enredos va acompañado del enredo de un nuevo qubit con todos los estados ya disponibles en el procesador (3). Pero crear y combinar qubits y luego decirles que realicen cálculos complejos no es una tarea fácil. Ellos se quedan extremadamente sensible a las influencias externaslo que puede conducir a errores de cálculo y, en el peor de los casos, a la descomposición de los qubits entrelazados, es decir. decoherenciaque es la verdadera maldición de los sistemas cuánticos. A medida que se agregan qubits adicionales, aumentan los efectos adversos de las fuerzas externas. Una forma de lidiar con este problema es habilitar qubits "CONTROL"cuya única función es comprobar y corregir la salida.

3. Representación simbólica del sistema IBM de 50 qubits

Sin embargo, esto significa que se necesitarán computadoras cuánticas más potentes, útiles para resolver problemas complejos, como determinar cómo se pliegan las moléculas de proteínas o simular los procesos físicos dentro de los átomos. muchos qubits. Tom Watson, de la Universidad de Delft en los Países Bajos, le dijo recientemente a BBC News:

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En resumen, si las computadoras cuánticas van a despegar, debe encontrar una manera fácil de producir procesadores qubit grandes y estables.

Dado que los qubits son inestables, es extremadamente difícil crear un sistema con muchos de ellos. Entonces, si al final fallan los qubits como concepto para la computación cuántica, los científicos tienen una alternativa: las puertas cuánticas de qubits.

Un equipo de la Universidad de Purdue publicó un estudio en npj Quantum Information que detalla su creación. Los científicos creen que kuditsa diferencia de los qubits, pueden existir en más de dos estados, por ejemplo, 0, 1 y 2, y por cada estado agregado, aumenta el poder computacional de un qudit. En otras palabras, necesita codificar y procesar la misma cantidad de información. menos gloria que los qubits.

Para crear una puerta cuántica que contuviera un qudit, el equipo de Purdue codificó cuatro qudits en dos fotones entrelazados en términos de frecuencia y tiempo. El equipo eligió los fotones porque no afectan el medio ambiente con tanta facilidad, y el uso de múltiples dominios permitió un mayor entrelazamiento con menos fotones. La puerta terminada tenía una potencia de procesamiento de 20 qubits, aunque solo requería cuatro qudits, con una estabilidad adicional debido al uso de fotones, lo que la convertía en un sistema prometedor para futuras computadoras cuánticas.

Trampas de iones o silicio

Aunque no todos comparten esta opinión, el uso de silicio para construir computadoras cuánticas parece tener enormes beneficios, ya que la tecnología de silicio está bien establecida y ya existe una gran industria asociada a ella. El silicio se utiliza en los procesadores cuánticos de Google e IBM, aunque en ellos se enfría a temperaturas muy bajas. No es el material ideal para los sistemas cuánticos, pero los científicos están trabajando en ello.

Según una publicación reciente en Nature, un equipo de investigadores usó energía de microondas para alinear dos partículas de electrones suspendidas en silicio y luego las usó para realizar una serie de cálculos de prueba. El grupo, que incluía, en particular, a científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison "suspendió" qubits electrónicos individuales en una estructura de silicio, cuyo giro estaba determinado por la energía de la radiación de microondas. En una superposición, un electrón giraba simultáneamente alrededor de dos ejes diferentes. Luego, los dos qubits se combinaron y programaron para realizar cálculos de prueba, después de lo cual los investigadores compararon los datos generados por el sistema con los datos recibidos de una computadora estándar que realizaba los mismos cálculos de prueba. Después de corregir los datos, un programable procesador de silicio cuántico de dos bits.

Aunque el porcentaje de errores sigue siendo mucho mayor que en las llamadas trampas de iones (dispositivos en los que se almacenan durante algún tiempo partículas cargadas como iones, electrones, protones) o los ordenadores  basado en superconductores como D-Wave, el logro sigue siendo notable ya que aislar los qubits del ruido externo es extremadamente difícil. Los especialistas ven oportunidades para escalar y mejorar el sistema. Y el uso del silicio, desde un punto de vista tecnológico y económico, tiene aquí una importancia clave.

Sin embargo, para muchos investigadores, el silicio no es el futuro de las computadoras cuánticas. En diciembre del año pasado, apareció información de que los ingenieros de la empresa estadounidense IonQ utilizaron iterbio para crear la computadora cuántica más productiva del mundo, superando a los sistemas D-Wave e IBM.

El resultado fue una máquina que contenía un solo átomo en una trampa de iones (4) utiliza un solo qubit de datos para la codificación, y los qubits se controlan y miden mediante pulsos láser especiales. La computadora tiene una memoria que puede almacenar 160 qubits de datos. También puede realizar cálculos simultáneamente en 79 qubits.

4. Esquema de la trampa de iones IonQ

Los científicos de IonQ realizaron una prueba estándar del llamado Algoritmo de Bernstein-Vaziraniego. La tarea de la máquina era adivinar un número entre 0 y 1023. Las computadoras clásicas toman once intentos para un número de 10 bits. Las computadoras cuánticas usan dos enfoques para adivinar el resultado con un 100% de certeza. En el primer intento, la computadora cuántica IonQ adivinó un promedio del 73% de los números dados. Cuando el algoritmo se ejecuta para cualquier número entre 1 y 1023, la tasa de éxito para una computadora normal es del 0,2 %, mientras que para IonQ es del 79 %.

Los expertos de IonQ creen que los sistemas basados ​​en trampas de iones son superiores a las computadoras cuánticas de silicio que están construyendo Google y otras empresas. Su matriz de 79 qubits supera al procesador cuántico Bristlecone de Google en 7 qubits. El resultado de IonQ también es sensacional cuando se trata del tiempo de actividad del sistema. Según los creadores de la máquina, para un solo qubit se mantiene en un 99,97 %, lo que significa una tasa de error del 0,03 %, mientras que los mejores resultados de la competencia promediaron alrededor del 0,5 %. La tasa de error de dos bits para el dispositivo IonQ debe ser del 99,3 %, mientras que la mayoría de los competidores no superan el 95 %.

Vale agregar que, según investigadores de Google supremacía cuántica – el punto en el que una computadora cuántica supera a todas las demás máquinas disponibles – ya se puede alcanzar con una computadora cuántica con 49 qubits, siempre que la tasa de error en las puertas de dos qubits sea inferior al 0,5 %. Sin embargo, el método de la trampa de iones en la computación cuántica aún se enfrenta a grandes obstáculos que superar: un tiempo de ejecución lento y un tamaño enorme, así como la precisión y la escalabilidad de la tecnología.

Fortaleza de cifrados en ruinas y otras consecuencias.

En enero de 2019, en CES 2019, la directora ejecutiva de IBM, Ginni Rometty, anunció que IBM ya estaba ofreciendo un sistema de computación cuántica integrado para uso comercial. Computadoras cuánticas de IBM5) están ubicados físicamente en Nueva York como parte del sistema IBM Q Sistema Uno. Usando Q Network y Q Quantum Computational Center, los desarrolladores pueden usar fácilmente el software Qiskit para compilar algoritmos cuánticos. Por lo tanto, el poder de cómputo de las computadoras cuánticas de IBM está disponible como servicio de computación en la nube, a un precio razonable.

D-Wave también ha estado brindando dichos servicios durante algún tiempo, y otros jugadores importantes (como Amazon) están planeando ofertas similares de nube cuántica. Microsoft fue más allá con la introducción Lenguaje de programación Q# (pronunciado como) que puede funcionar con Visual Studio y ejecutarse en una computadora portátil. Los programadores tienen una herramienta para simular algoritmos cuánticos y crear un puente de software entre la computación clásica y la cuántica.

Sin embargo, la pregunta es, ¿para qué pueden ser realmente útiles las computadoras y su poder de cómputo? En un estudio publicado en octubre pasado en la revista Science, científicos de IBM, la Universidad de Waterloo y la Universidad Técnica de Munich intentaron aproximarse a los tipos de problemas que las computadoras cuánticas parecen ser las más adecuadas para resolver.

Según el estudio, tales dispositivos podrán resolver complejos álgebra lineal y problemas de optimización. Suena vago, pero puede haber oportunidades para soluciones más simples y económicas a problemas que actualmente requieren mucho esfuerzo, recursos y tiempo, y que a veces están fuera de nuestro alcance.

5. Computadora cuántica IBM

Computación cuántica útil cambiar diametralmente el campo de la criptografía. Gracias a ellos, los códigos de encriptación podrían descifrarse rápidamente y, posiblemente, la tecnología blockchain será destruida. El cifrado RSA ahora parece ser una defensa fuerte e indestructible que protege la mayoría de los datos y las comunicaciones en el mundo. Sin embargo, una computadora cuántica lo suficientemente poderosa puede fácilmente descifrar el cifrado RSA a través de Algoritmo de Shor.

¿Cómo prevenirlo? Algunos abogan por aumentar la longitud de las claves de cifrado públicas al tamaño necesario para superar el descifrado cuántico. Para otros, debe usarse solo para garantizar comunicaciones seguras. Gracias a la criptografía cuántica, el mismo acto de interceptar los datos los corrompería, después de lo cual la persona que interfiere con la partícula no podría obtener información útil de ella, y el destinatario sería advertido sobre el intento de espionaje.

También se mencionan con frecuencia las aplicaciones potenciales de la computación cuántica. analisis economico y pronostico. Gracias a los sistemas cuánticos, los modelos complejos del comportamiento del mercado se pueden expandir para incluir muchas más variables que antes, lo que lleva a diagnósticos y predicciones más precisos. Al procesar simultáneamente miles de variables por una computadora cuántica, también sería posible reducir el tiempo y el costo requerido para el desarrollo. nuevos medicamentos, soluciones de transporte y logística, cadenas de suministro, modelos climáticosasí como para resolver muchos otros problemas de gigantesca complejidad.

la ley de nevena

El mundo de las computadoras antiguas tenía su propia ley de Moore, mientras que las computadoras cuánticas deben guiarse por la llamada la ley de nevena. Debe su nombre a uno de los especialistas cuánticos más destacados de Google, Hartmut Nevena (6), que establece que actualmente se están realizando avances en la tecnología de computación cuántica en doble velocidad exponencial.

Esto significa que en lugar de duplicar el rendimiento con iteraciones sucesivas, como ocurría con las computadoras clásicas y la ley de Moore, la tecnología cuántica mejora el rendimiento mucho más rápido.

Los expertos predicen el advenimiento de la superioridad cuántica, que puede traducirse no solo en la superioridad de las computadoras cuánticas sobre las clásicas, sino también de otras maneras, como el comienzo de una era de computadoras cuánticas útiles. Esto allanará el camino para avances en química, astrofísica, medicina, seguridad, comunicaciones y más.

Sin embargo, también existe la opinión de que tal superioridad nunca existirá, al menos no en un futuro previsible. Una versión más suave del escepticismo es que Las computadoras cuánticas nunca reemplazarán a las computadoras clásicas porque no están diseñadas para hacerlo. No puedes reemplazar un iPhone o una PC con una máquina cuántica, al igual que no puedes reemplazar las zapatillas de tenis... con un portaaviones nuclear.. Las computadoras clásicas le permiten jugar juegos, consultar el correo electrónico, navegar por la web y ejecutar programas. En la mayoría de los casos, las computadoras cuánticas realizan simulaciones que son demasiado complejas para los sistemas binarios que se ejecutan en bits de computadora. En otras palabras, los consumidores individuales no obtendrán casi ningún beneficio de su propia computadora cuántica, pero los verdaderos beneficiarios de la invención serán, por ejemplo, la NASA o el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

El tiempo dirá qué enfoque es más apropiado: IBM o Google. De acuerdo con la ley de Neven, estamos a solo unos meses de ver una demostración completa de superioridad cuántica por parte de un equipo u otro. Y esto ya no es una perspectiva “dentro de diez años, es decir, nadie sabe cuándo”.