بعد عشر سنوات لا أحد يعرف متى
محتوى
بالنسبة لشخص أقل معرفة والذي قرأ مجموعة كاملة من المنشورات حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، قد يكون لدى المرء انطباع بأنها آلات "جاهزة للاستخدام" تعمل بنفس طريقة أجهزة الكمبيوتر العادية. لا شيء يمكن أن يكون أكثر خطأ. يعتقد البعض أنه لا توجد أجهزة كمبيوتر كمومية حتى الآن. ويتساءل البعض الآخر عما سيتم استخدامها ، لأنها ليست مصممة لتحل محل أنظمة صفر واحد.
غالبًا ما نسمع أن أول أجهزة كمبيوتر كمومية حقيقية تعمل بشكل صحيح ستظهر في غضون عقد من الزمان تقريبًا. ومع ذلك ، كما أشار Linley Gwennap ، كبير المحللين في Linley Group ، في المقالة ، "عندما يقول الناس أن الكمبيوتر الكمي سيظهر في غضون عشر سنوات ، فإنهم لا يعرفون متى سيحدث."
وعلى الرغم من هذا الوضع الغامض ، فإن أجواء المنافسة على من يسمى. الهيمنة الكمومية. نظرًا لقلقها بشأن العمل الكمي والتقدم الذي أحرزه الصينيون ، أصدرت الإدارة الأمريكية قانون مبادرة الكم الوطنية في ديسمبر الماضي.1). تهدف الوثيقة إلى تقديم الدعم الفيدرالي للبحث والتطوير والتوضيح وتطبيق الحوسبة الكمومية والتقنيات. في غضون عشر سنوات سحرية ، ستنفق حكومة الولايات المتحدة المليارات على بناء البنية التحتية للحوسبة الكمية ، والنظم البيئية ، وتجنيد الأشخاص. رحب بذلك جميع المطورين الرئيسيين لأجهزة الكمبيوتر الكمومية - D-Wave و Honeywell و IBM و Intel و IonQ و Microsoft و Rigetti ، بالإضافة إلى مبتكري الخوارزميات الكمومية 1QBit و Zapata. مبادرة الكم الوطنية.
رواد D-WAve
في عام 2007 ، قدمت D-Wave Systems شريحة 128-qubit (2) يسمى أول كمبيوتر كمي في العالم. ومع ذلك ، لم يكن هناك يقين ما إذا كان يمكن تسميته - تم عرض عمله فقط ، دون أي تفاصيل عن بنائه. في عام 2009 ، طورت D-Wave Systems محرك بحث صور "كمي" لـ Google. في مايو 2011 ، حصلت شركة Lockheed Martin على كمبيوتر كمي من D-Wave Systems. D- الموجة الأولى مقابل 10 ملايين دولار ، مع توقيع عقد متعدد السنوات لتشغيلها وتطوير الخوارزميات ذات الصلة.
في عام 2012 ، أظهر هذا الجهاز عملية إيجاد جزيء البروتين الحلزوني بأقل طاقة. يستخدم الباحثون من D-Wave Systems أنظمة بأرقام مختلفة كيوبت، أجرى عددًا من العمليات الحسابية ، كان بعضها بعيدًا عن قدرات أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. ومع ذلك ، في أوائل عام 2014 ، نشر John Smolin و Graham Smith مقالًا يزعم أن آلة D-Wave Systems لم تكن آلة. بعد ذلك بوقت قصير ، قدمت فيزياء الطبيعة نتائج التجارب التي تثبت أن الموجة D-Wave One لا تزال ...
أظهر اختبار آخر في يونيو 2014 عدم وجود فرق بين الكمبيوتر الكلاسيكي وجهاز D-Wave Systems ، لكن ردت الشركة أن الاختلاف كان ملحوظًا فقط للمهام الأكثر تعقيدًا من تلك التي تم حلها في الاختبار. في أوائل عام 2017 ، كشفت الشركة عن آلة تتكون ظاهريًا من 2 كيوبتوالتي كانت أسرع 2500 مرة من أسرع الخوارزميات الكلاسيكية. ومرة أخرى ، بعد شهرين ، أثبتت مجموعة من العلماء أن هذه المقارنة لم تكن دقيقة. بالنسبة للعديد من المتشككين ، لا تزال أنظمة D-Wave ليست حواسيب كمومية ، بل هي أجهزة كمبيوتر المحاكاة باستخدام الطرق الكلاسيكية.
يستخدم نظام D-Wave من الجيل الرابع التلدين الكميوحالات الكيوبت تتحقق من خلال دوائر كمية فائقة التوصيل (بناءً على ما يسمى تقاطعات جوزيفسون). تعمل في بيئة قريبة من الصفر المطلق وتفتخر بنظام 2048 كيوبت. في نهاية عام 2018 ، تم طرح D-Wave في السوق JUMP، وهذا هو الخاص بك بيئة تطبيق الكم في الوقت الحقيقي (KAE). يتيح الحل السحابي للعملاء الخارجيين الوصول إلى الحوسبة الكمية في الوقت الفعلي.
في فبراير 2019 ، أعلنت D-Wave عن الجيل القادم بيغاسوس. أُعلن أنه "النظام الكمي التجاري الأكثر شمولاً في العالم" مع خمسة عشر اتصالاً لكل كيوبت بدلاً من ستة ، مع أكثر من 5 كيوبت وتشغيل تقليل الضوضاء بمستوى غير معروف سابقًا. من المفترض أن يظهر الجهاز للبيع في منتصف العام المقبل.
Qubits ، أو التراكبات بالإضافة إلى التشابك
تعتمد معالجات الكمبيوتر القياسية على حزم أو أجزاء من المعلومات ، يمثل كل منها إجابة واحدة بنعم أو لا. المعالجات الكمومية مختلفة. إنهم لا يعملون في عالم خالٍ من الصفر. عظم الكوع، أصغر وحدة غير قابلة للتجزئة من المعلومات الكمية هي النظام ثنائي الأبعاد الموصوف فضاء هلبرت. لذلك ، فهو يختلف عن الإيقاع الكلاسيكي من حيث أنه يمكن أن يكون فيه أي تراكب حالتان الكم. غالبًا ما يُعطى النموذج الفيزيائي للكيوبت كمثال على الجسيم ذي السبين ½ ، مثل الإلكترون ، أو استقطاب فوتون واحد.
لتسخير قوة الكيوبتات ، يجب عليك توصيلها من خلال عملية تسمى الالتباس. مع كل كيوبت مضاف ، قوة المعالجة للمعالج الزوجي أنفسهم، نظرًا لأن عدد التشابكات مصحوب بتشابك كيوبت جديد مع جميع الحالات المتوفرة بالفعل في المعالج (3). لكن إنشاء وحدات كيوبت ودمجها ، ثم إخبارهم بإجراء حسابات معقدة ليس بالمهمة السهلة. انهم يبقون حساسة للغاية للتأثيرات الخارجيةمما قد يؤدي إلى أخطاء في الحساب ، وفي أسوأ الأحوال ، إلى اضمحلال الكيوبتات المتشابكة ، أي فك الترابطوهي اللعنة الحقيقية لأنظمة الكم. مع إضافة كيوبتات إضافية ، تزداد الآثار السلبية للقوى الخارجية. طريقة واحدة للتعامل مع هذه المشكلة هي تمكين إضافية كيوبت "يتحكم"وظيفته الوحيدة هي فحص وتصحيح الإخراج.
3. تمثيل رمزي لنظام آي بي إم 50 كيوبت
ومع ذلك ، فإن هذا يعني أنه ستكون هناك حاجة إلى أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة ، ومفيدة لحل المشكلات المعقدة ، مثل تحديد كيفية طي جزيئات البروتين أو محاكاة العمليات الفيزيائية داخل الذرات. العديد من الكيوبتات. قال توم واتسون من جامعة دلفت في هولندا لبي بي سي نيوز:
-
باختصار ، إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستنطلق ، فأنت بحاجة إلى إيجاد طريقة سهلة لإنتاج معالجات كيوبت كبيرة ومستقرة.
نظرًا لأن الكيوبتات غير مستقرة ، فمن الصعب للغاية إنشاء نظام به العديد منها. لذا ، في النهاية ، إذا فشلت الكيوبتات كمفهوم للحوسبة الكمومية ، فسيكون لدى العلماء بديل: بوابات كمومية كيوبت.
نشر فريق من جامعة بوردو دراسة في npj Quantum Information توضح تفاصيل إنشائها. يعتقد العلماء أن kuditsعلى عكس الكيوبتات ، يمكن أن توجد في أكثر من حالتين ، مثل 0 و 1 و 2 ، ولكل حالة مضافة ، تزداد القوة الحسابية لكودت واحد. بمعنى آخر ، تحتاج إلى ترميز ومعالجة نفس القدر من المعلومات. مجد أقل من كيوبت.
لإنشاء بوابة كمية تحتوي على qudit ، قام فريق Purdue بتشفير أربعة أجزاء qudits إلى فوتونين متشابكين من حيث التردد والوقت. اختار الفريق الفوتونات لأنها لا تؤثر على البيئة بسهولة ، ويسمح استخدام مجالات متعددة لمزيد من التشابك مع عدد أقل من الفوتونات. كان للبوابة النهائية قوة معالجة تبلغ 20 كيوبت ، على الرغم من أنها تتطلب أربعة أجزاء فقط ، مع ثبات إضافي بسبب استخدام الفوتونات ، مما يجعلها نظامًا واعدًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل.
مصائد السيليكون أو الأيونات
على الرغم من عدم مشاركة الجميع في هذا الرأي ، يبدو أن استخدام السيليكون لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية له فوائد كبيرة ، حيث أن تقنية السيليكون راسخة وهناك بالفعل صناعة كبيرة مرتبطة بها. يستخدم السيليكون في معالجات جوجل وآي بي إم الكمومية ، على الرغم من أنه يتم تبريده إلى درجات حرارة منخفضة جدًا فيهما. إنها ليست مادة مثالية للأنظمة الكمية ، لكن العلماء يعملون عليها.
وفقًا لمنشور حديث في Nature ، استخدم فريق من الباحثين طاقة الميكروويف لمحاذاة جسيمين إلكترونيين معلقين في السيليكون ثم استخدموهما لإجراء سلسلة من حسابات الاختبار. المجموعة ، التي ضمت ، على وجه الخصوص ، علماء من جامعة ويسكونسن ماديسون "علقت" كيوبتات إلكترونية مفردة في هيكل من السيليكون ، تم تحديد دورانها بواسطة طاقة إشعاع الميكروويف. في حالة التراكب ، يدور الإلكترون في وقت واحد حول محورين مختلفين. تم بعد ذلك دمج الكيوبتين وبرمجتهما لإجراء حسابات الاختبار ، وبعد ذلك قارن الباحثون البيانات التي تم إنشاؤها بواسطة النظام مع البيانات الواردة من كمبيوتر قياسي يقوم بنفس حسابات الاختبار. بعد تصحيح البيانات ، يمكن برمجتها معالج السليكون الكمومي ثنائي بت.
على الرغم من أن نسبة الأخطاء لا تزال أعلى بكثير مما يسمى بالفخاخ الأيونية (الأجهزة التي يتم فيها تخزين الجسيمات المشحونة مثل الأيونات والإلكترونات والبروتونات لبعض الوقت) أو أجهزة الكمبيوتر استنادًا إلى الموصلات الفائقة مثل D-Wave ، يظل الإنجاز رائعًا لأن عزل الكيوبتات عن الضوضاء الخارجية أمر صعب للغاية. يرى المتخصصون فرصًا لتوسيع نطاق النظام وتحسينه. واستخدام السيليكون ، من وجهة نظر تكنولوجية واقتصادية ، له أهمية رئيسية هنا.
ومع ذلك ، بالنسبة للعديد من الباحثين ، فإن السيليكون ليس مستقبل أجهزة الكمبيوتر الكمومية. في ديسمبر من العام الماضي ، ظهرت معلومات تفيد بأن مهندسي الشركة الأمريكية IonQ استخدموا اليتربيوم لإنشاء أكثر أجهزة الكمبيوتر الكمومية إنتاجية في العالم ، متجاوزًا أنظمة D-Wave و IBM.
كانت النتيجة آلة تحتوي على ذرة واحدة في مصيدة أيونية (4) يستخدم كيوبت بيانات واحد للتشفير ، ويتم التحكم في الكيوبتات وقياسها باستخدام نبضات ليزر خاصة. يحتوي الكمبيوتر على ذاكرة يمكنها تخزين 160 كيوبت من البيانات. يمكنه أيضًا إجراء عمليات حسابية في وقت واحد على 79 كيوبت.
4. مخطط فخ أيون IonQ
أجرى علماء من IonQ اختبارًا قياسيًا لما يسمى ب خوارزمية برنشتاين فازيران. كانت مهمة الجهاز تخمين رقم بين 0 و 1023. تأخذ أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أحد عشر تخمينًا لرقم 10 بت. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية طريقتين لتخمين النتيجة مع يقين 100٪. في المحاولة الأولى ، خمّن الكمبيوتر الكمومي IonQ في المتوسط 73٪ من الأرقام المعطاة. عند تشغيل الخوارزمية لأي رقم بين 1 و 1023 ، يكون معدل النجاح لجهاز كمبيوتر نموذجي 0,2٪ ، بينما بالنسبة لـ IonQ يكون 79٪.
يعتقد خبراء IonQ أن الأنظمة القائمة على مصائد الأيونات تتفوق على حواسيب السيليكون الكمومية التي تصنعها Google وشركات أخرى. تتفوق مصفوفة 79-كيوبت على معالج جوجل Bristlecone الكمي بمقدار 7 كيوبت. تعتبر نتيجة IonQ مثيرة أيضًا عندما يتعلق الأمر بوقت تشغيل النظام. وفقًا لمبدعي الجهاز ، بالنسبة للكيوبت الفردي ، فقد ظل عند 99,97٪ ، ما يعني معدل خطأ قدره 0,03٪ ، بينما بلغ متوسط أفضل نتائج المنافسة حوالي 0,5٪. يجب أن يكون معدل الخطأ 99,3 بت لجهاز IonQ 95٪ ، بينما معظم المنافسة لا تتجاوز XNUMX٪.
والجدير بالذكر أن وفقًا لباحثي جوجل التفوق الكمومي - النقطة التي يتفوق فيها الكمبيوتر الكمي على جميع الأجهزة الأخرى المتاحة - يمكن الوصول إليها بالفعل باستخدام كمبيوتر كمي يحتوي على 49 كيوبت ، بشرط أن يكون معدل الخطأ على بوابتين كيوبت أقل من 0,5٪. ومع ذلك ، لا تزال طريقة مصيدة الأيونات في الحوسبة الكمومية تواجه عقبات كبيرة يجب التغلب عليها: وقت التنفيذ البطيء والحجم الضخم ، فضلاً عن دقة التكنولوجيا وقابليتها للتوسع.
معقل الأصفار في حالة خراب وعواقب أخرى
في يناير 2019 في معرض CES 2019 ، أعلن الرئيس التنفيذي لشركة IBM Ginni Rometty أن شركة IBM كانت تقدم بالفعل نظام حوسبة كمومية متكاملة للاستخدام التجاري. حواسيب آي بي إم الكمومية5) موجودة فعليًا في نيويورك كجزء من النظام IBM Q نظام واحد. باستخدام Q Network و Q Quantum Computational Center ، يمكن للمطورين بسهولة استخدام برنامج Qiskit لتجميع الخوارزميات الكمومية. وبالتالي ، فإن قوة الحوسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية من شركة IBM متاحة على شكل خدمة الحوسبة السحابية، مسعر بشكل معقول.
تقدم D-Wave أيضًا مثل هذه الخدمات لبعض الوقت الآن ، ويخطط لاعبون رئيسيون آخرون (مثل Amazon) لعروض سحابة كمومية مماثلة. ذهبت مايكروسوفت أبعد من ذلك مع المقدمة س # لغة البرمجة (يُنطق مثل) يمكنه العمل مع Visual Studio وتشغيله على جهاز كمبيوتر محمول. المبرمجون لديهم أداة لمحاكاة الخوارزميات الكمومية وإنشاء جسر برمجي بين الحوسبة الكلاسيكية والكمية.
ومع ذلك ، فإن السؤال هو ، ما الذي يمكن أن تكون أجهزة الكمبيوتر وقوتها الحاسوبية مفيدة بالفعل؟ في دراسة نُشرت في أكتوبر الماضي في مجلة Science ، حاول علماء من IBM وجامعة واترلو والجامعة التقنية في ميونيخ تقريب أنواع المشكلات التي يبدو أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي الأنسب لحلها.
وفقًا للدراسة ، ستكون هذه الأجهزة قادرة على حل المشكلات المعقدة مشاكل الجبر الخطي والتحسين. قد يبدو الأمر غامضًا ، ولكن قد تكون هناك فرص لحلول أبسط وأرخص للقضايا التي تتطلب حاليًا الكثير من الجهد والموارد والوقت ، وأحيانًا تكون بعيدة المنال.
5. كمبيوتر الكم IBM
مفيدة الحوسبة الكمومية تغيير كلي في مجال التشفير. بفضلهم ، يمكن فك رموز التشفير بسرعة ، وربما سيتم تدمير تقنية blockchain. يبدو أن تشفير RSA الآن هو دفاع قوي وغير قابل للتدمير يحمي معظم البيانات والاتصالات في العالم. ومع ذلك ، يمكن لجهاز كمبيوتر كمي قوي بما فيه الكفاية أن يفعل ذلك بسهولة تشفير RSA من خلال خوارزمية شورى.
كيف تمنعه؟ يدعو البعض إلى زيادة طول مفاتيح التشفير العامة إلى الحجم المطلوب للتغلب على فك التشفير الكمي. بالنسبة للآخرين ، يجب استخدامه بمفرده لضمان الاتصالات الآمنة. بفضل التشفير الكمي ، فإن مجرد اعتراض البيانات سيؤدي إلى إتلافها ، وبعد ذلك لن يتمكن الشخص الذي يتدخل في الجسيم من الحصول على معلومات مفيدة منه ، وسيتم تحذير المستلم بشأن محاولة التنصت.
كما يتم ذكر التطبيقات المحتملة للحوسبة الكمومية بشكل متكرر. التحليل الاقتصادي والتنبؤ. بفضل الأنظمة الكمومية ، يمكن توسيع النماذج المعقدة لسلوك السوق لتشمل العديد من المتغيرات أكثر من ذي قبل ، مما يؤدي إلى تشخيصات وتوقعات أكثر دقة. من خلال المعالجة المتزامنة لآلاف المتغيرات بواسطة كمبيوتر كمي ، سيكون من الممكن أيضًا تقليل الوقت والتكلفة اللازمين للتطوير. الأدوية الجديدة ، حلول النقل واللوجستيات ، سلاسل التوريد ، النماذج المناخيةوكذلك لحل العديد من المشاكل الأخرى ذات التعقيد الهائل.
قانون نيفينا
كان لعالم أجهزة الكمبيوتر القديمة قانون مور الخاص به ، بينما يجب أن تسترشد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بما يسمى قانون نيفينا. يعود اسمه إلى أحد أبرز متخصصي الكم في Google ، هارتموت نيفينا (6) ، والذي ينص على إحراز تقدم في تكنولوجيا الحوسبة الكمية حاليًا في سرعة أسية مضاعفة.
هذا يعني أنه بدلاً من مضاعفة الأداء مع التكرارات المتتالية ، كما كان الحال مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية وقانون مور ، تعمل تكنولوجيا الكم على تحسين الأداء بشكل أسرع.
يتوقع الخبراء ظهور التفوق الكمي ، والذي يمكن ترجمته ليس فقط إلى تفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أي أجهزة كلاسيكية ، ولكن أيضًا بطرق أخرى - كبداية لعصر أجهزة الكمبيوتر الكمومية المفيدة. سيمهد هذا الطريق لتحقيق اختراقات في الكيمياء والفيزياء الفلكية والطب والأمن والاتصالات والمزيد.
ومع ذلك ، هناك أيضًا رأي مفاده أن مثل هذا التفوق لن يكون موجودًا على الإطلاق ، على الأقل ليس في المستقبل المنظور. هذا هو نسخة أخف من الشك لن تحل أجهزة الكمبيوتر الكمومية أبدًا محل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لأنها غير مصممة للقيام بذلك. لا يمكنك استبدال جهاز iPhone أو جهاز كمبيوتر بآلة كمومية ، تمامًا كما لا يمكنك استبدال أحذية التنس ... بحاملة طائرات نووية.. تتيح لك أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ممارسة الألعاب ، والتحقق من البريد الإلكتروني ، وتصفح الويب ، وتشغيل البرامج. تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية في معظم الحالات بإجراء عمليات محاكاة معقدة للغاية بالنسبة للأنظمة الثنائية التي تعمل على وحدات بت الكمبيوتر. بمعنى آخر ، لن يستفيد المستهلكون الأفراد تقريبًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بهم ، لكن المستفيدين الحقيقيين من الاختراع سيكونون ، على سبيل المثال ، وكالة ناسا أو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
سيحدد الوقت أي نهج أكثر ملاءمة - IBM أو Google. وفقًا لقانون نيفين ، نحن على بعد بضعة أشهر فقط من رؤية عرض كامل للتفوق الكمي من قبل فريق أو آخر. ولم يعد هذا احتمالًا "في غضون عشر سنوات ، أي لا أحد يعرف متى".
