Чи є квантові обчислення просто пирогом у небі?

Маю ступінь інформатики. Я працюю в ІТ і роблю це вже багато років. У той період «класичні» комп’ютери просунулися не по днях. Зараз у мене у спальні серед носок є терабайтний дисковий накопичувач, у мене телефон має феноменальну потужність обробки, а комп'ютери революційно змінили наше життя.

Але наскільки я знаю, квантові обчислення нічого не зробили. Крім того, схоже, що так і залишиться. Квантові обчислення зараз існують уже в сорок років, і справжні обчислення залишили це в пилу. Перегляньте шкалу часу у Вікіпедії та запитайте себе, де паралельний суматор? Де еквівалент Atlas або MU5? Я пішов до Манчестерського університету, подивитися історію в статті « Манчестер комп’ютер» у Вікіпедії. Квантові комп'ютери не мають подібного прогресу. Au contraire, схоже, вони навіть не зійшли з землі. Ви не скоро купуватимете його в ПК World.

Ви коли-небудь зможете? Це все галас і гаряче повітря? Чи є квантові обчислення просто пирогом у небі? Чи все це просто заклинання - завтра вуо, що торгується квантовими трясками довірливій публіці? Якщо ні, то чому б і ні?

Чи є квантові обчислення просто пирогом у небі?

Поки що це виглядає саме так. Ми досягали цього пирога агресивно протягом останніх трьох десятиліть, але з не великим успіхом. зараз у нас є квантові комп'ютери, але це не той пиріг, якого ми хотіли, а це квантовий комп'ютер, який насправді може вирішити проблему швидше або з кращою енергетичною ефективністю, ніж класичний комп'ютер.

Ви не скоро купуватимете його в ПК World.

Ви коли-небудь зможете?

Ми не можемо передбачити майбутнє, але якби мені довелося зараз здогадатися, я сказав би "ні". Ще немає жодної програми, для якої квантові обчислення були б досить цінними. Натомість у нас може бути квантові комп'ютери в невеликій кількості спеціальних інститутів, де проводяться дуже спеціальні обчислення (наприклад, суперкомп'ютер під назвою Titan в Національній лабораторії Oak Ridge, або як прискорювач частинок циклотрона, де проводяться спеціальні експерименти).

Це все галас і гаряче повітря?

На жаль, більша частина цього шуму.

Але застосування в квантовій хімії справді можуть змінити ігри. Замість того, щоб робити фізично трудомісткі експерименти на тисячах молекул-кандидатів на ліки чи добрива, ми можемо шукати найкращі молекули на комп’ютері. Молекули ведуть себе квантово механічно, а моделювання квантової механіки не ефективно на класичних комп’ютерах, але є на квантових комп'ютерах. Значна частина інвестицій Google у КК припадає на застосування хімії [ 1 ].

Чи все це просто заклинання - завтра вуо, що торгується квантовими трясками довірливій публіці? Якщо ні, то чому б і ні?

Багато чого, на жаль.

Ви, мабуть, були одним із талановитіших студентів вашого класу в Манчестерському університеті. Можливо, ви помітили, що було лише декілька з вас і більша кількість посередніх та субмередніх студентів. На рівні професора є подібне явище. Багатьом викладачам не буває легко чи «природно» писати добре отримані грантові пропозиції, але їм потрібно фінансування, щоб зберегти свою роботу та переконатися в тому, що доктор наук. студенти не голодують від наукових конференцій та доступу до необхідного програмного забезпечення.

Коли професором стає:

• відчайдушністю фінансування, або

• зіткнулися з іншими проблемами в житті, такими як догляд за дитиною, хворий на рак, або

• усвідомлюючи, що вони не зроблять величезних наукових відкриттів, як це робили деякі вчені 100-річної давності, життя переживає більше про те, щоб вижити, зберегти щасливу сім'ю та зробити те, що їм подобається, а не зробити кращий світ для онуків своїх онуків. Як професор, я можу вам сказати, що багато моїх колег не такі «благородні», як громадськість часто сприймає вчених.

Я знаю, що близько 1000 людей, які мають фінансування для роботи в квантових обчисленнях, і жоден з них, схоже, не має наміру обдурити "довірливу публіку" якимось зловісним чином. Більшість із нас просто подають заявки на гранти, доступні через наші університети чи через наші уряди, і ми не маємо наміру перебільшувати важливість нашої роботи більше, ніж інші вчені, які змагаються за ті ж гроші (ми повинні конкурувати з молекулярними фізиками, які претендують на свою роботу має важливе значення для фіксації зміни клімату лише тому, що молекула, над якою вони працюють, знаходиться в нашій атмосфері, або біофізики, які роблять вигляд, що їх робота може вилікувати рак лише тому, що вони працюють на молекулі, яка помітна в організмі).

Дуже багато "шуму" навколо квантових обчислень надходить із засобів масової інформації. Журналісти перекрутили вміст моїх робіт, щоб зробити привабливі заголовки, які отримуватимуть більше кліків на їхній рекламі, а їх начальство надає їм тиск на це, або вони втратять роботу іншому стажисту, який не так сильно хвилює. про чесність.

Частина шуму походить від самих науковців, багато хто справді вважає, що квантові обчислення будуть революційними, оскільки їхній кандидат наук. керівник не мав чудової освіти (пам’ятайте, що Манчестерський університет - один з найкращих у світі, а більшість університетів навіть не є близькими), або, можливо, в рідкісних випадках виникає галас від людей, які відчайдушно бажають фінансувати, але не дуже з причин. крім цих.

Я вважаю, що громадськість повинна трохи інвестувати в квантові обчислення, як це робиться для багатьох інших областей досліджень, які не мають гарантованих позитивних результатів. Обман часто перебільшений журналістами, вченими-необізнаними або невмілими вченими, які вважають, що це потрібно для виживання. Існує також несправедливо жорстка критика з боку журналістів та фінансуючих агентств.

Нічого, що ви сказали у своєму питанні, не є правильним.
Я щойно наводив деякі причини, чому вони правильні.

Я намагаюся підійти до цього з нейтральної точки зору. Ваше запитання начебто "засноване на думці", але все ж слід зробити кілька важливих моментів. Теоретично , поки що немає переконливого аргументу щодо того, чому квантові комп'ютери практично не реалізовані. Але перевірте: як квантові комп’ютери провалюються: квантові коди, кореляції у фізичних системах та накопичення шуму - Гіл Калай та відповідна публікація в блозі Скотта Аронсона, де він наводить переконливі аргументи проти претензій Калай. Крім того, прочитайте відповідь Джеймса Уоттона на відповідний пост QCSE: Чи звучить аргумент Гіл Калай проти топологічних квантових комп'ютерів?

Переповнення математики має чудовий підсумок: Про математичні аргументи проти квантових обчислень .

Однак так, звичайно, є проблеми з технікою .

Проблеми (адаптовано з arXiv: cs / 0602096 ):

• Чутливість до взаємодії з навколишнім середовищем: Квантові комп'ютери надзвичайно чутливі до взаємодії з оточенням, оскільки будь-яка взаємодія (або вимірювання) призводить до краху функції стану. Це явище називається декогерентністю. Вкрай складно виділити квантову систему, особливо розроблену для обчислень, не заплутуючись її з навколишнім середовищем. Чим більше число кубітів, тим складніше підтримувати узгодженість.

  [Подальше читання: Вікіпедія: Квантова декогерентність ]

• Ненадійні дії з квантовими воротами: Квантове обчислення на кубітах здійснюється за допомогою оперування ними масиву перетворень, які в принципі реалізуються за допомогою малих воріт. Обов'язково, щоб у цих перетвореннях не було введено жодних фазових помилок. Але практичні схеми, ймовірно, вводять такі помилки. Можливо також, що квантовий регістр вже заплутався з середовищем ще до початку обчислення. Крім того, невизначеність на початковій фазі робить калібрування шляхом обертання неадекватним. Крім того, слід враховувати відносну недостатню точність у класичному управлінні, що реалізує матричні перетворення. Ця недостатня точність не може бути повністю компенсована квантовим алгоритмом.

• Помилки та їх виправлення: класичне виправлення помилок використовує надмірність. Найпростіший спосіб - зберігати інформацію кілька разів, і - якщо згодом ці копії виявляться не згодні - просто прийміть більшість голосів; Наприклад, припустимо, що ми копіюємо трохи три рази. Припустимо також, що шумна помилка пошкоджує трибітний стан так, що один біт дорівнює нулю, а два інші дорівнюють одиниці. Якщо припустити, що шумні помилки незалежні і трапляються з певною вірогідністю$p$, найімовірніше, що помилка - це однобітна помилка, а передане повідомлення - три. Можливо, що трапляється подвійна бітова помилка, і передане повідомлення дорівнює трьом нулям, але цей результат є менш вірогідним, ніж зазначений вище результат. Копіювання квантової інформації неможливо через теорему про не клонування. Ця теорема, здається, створює перешкоду для формування теорії квантового виправлення помилок. Але можна поширити інформацію про один кубіт на сильно заплутаний стан декількох (фізичних) кубітів. Пітер Шор вперше відкрив цей метод формулювання квантового виправлення коду, зберігаючи інформацію одного кубіта у сильно заплутаному стані дев'яти кубітів. Однак квантові коди, що виправляють помилки, захищають квантову інформацію від помилок лише деяких обмежених форм. Також, вони ефективні лише для помилок у невеликій кількості кубітів. Більше того, кількість кубітів, необхідних для виправлення помилок, як правило, не добре співпадає з кількістю кубітів, в яких насправді виникає помилка.

  [Подальше читання: Вікіпедія: Квантове виправлення помилок ]

• Обмеження щодо підготовки держави: Підготовка держави - це найважливіший перший крок, який слід розглянути до початку будь-яких квантових обчислень. У більшості схем кубіти повинні перебувати у певному стані суперпозиції, щоб квантові обчислення пройшли правильно. Але створення довільних станів точно може бути важко експоненціально (як за часом, так і за ресурсом (воротами)).

• Квантова інформація, невизначеність та ентропія квантових воріт: Класичну інформацію легко отримати за допомогою взаємодії з системою. З іншого боку, неможливість клонування означає, що будь-який конкретний невідомий стан неможливо визначити. Це означає, що якщо система спеціально не була підготовлена, наша можливість контролювати її залишається обмеженою. Середня інформація про систему дає її ентропія. Визначення ентропії залежало б від статистики, яку підпорядковує об'єкт.

• Вимога щодо низьких температур : Кілька квантових обчислювальних архітектур, таких як надпровідні квантові обчислення, потребують надзвичайно низьких температур (близьких до абсолютного нуля) для функціонування.

Прогрес:

• Близько півтора десятиліття тому час декогерентності для так званих "квантових комп'ютерів" становив менше 1 наносекунди. Тепер версія кубітової версії IBM Quantum Experience 16, до якої ви можете отримати доступ в Інтернеті, має час відхилення ~ 100 мкс (див.: Демонстрація навколишності та навчання паритетності на процесорі IBM 16 Qubit (Davide Ferrari & Michele Amoretti, 2018) ). Часу декогерентності 100 мкс достатньо для запуску простих квантових алгоритмів! Ви можете перевірити це самостійно на 5-кубітних та 16-ти кубітних квантових комп'ютерах, які були доступні в Інтернеті через Інтернет. Я думаю, що Google зумів досягти ще кращих термінів узгодження за допомогою своїх надпровідних мікросхем (з еквівалентною кількістю кубітів).

  • За останнє десятиліття в області квантового виправлення помилок було вдосконалено (що вимагає значно меншої кількості загальних кубітів). Див. Квантове виправлення помилок для квантових спогадів (Terhal, 2015) для короткого огляду.

  Також цитуючи: Вікіпедія: Квантове виправлення помилок - Експериментальна реалізація :

  Було проведено кілька експериментальних реалізацій кодів на основі CSS. Перша демонстрація була з ЯМР-кубітами. Згодом були проведені демонстрації з лінійною оптикою, захопленими іонами та надпровідними (трансконтовими) кубітами. Були реалізовані й інші коди для виправлення помилок, такі як спрямований на виправлення втрат фотонів, домінуючого джерела помилок у фотонних кубітних схемах.

  • Підготовка довільних квантових станів залишається головною проблемою. Але тепер, принаймні, ми знаємо точне розкладання воріт для будь-якої унітарної еволюції ( квантова підготовка з універсальними декомпозиціями затворів (Plesch & Brukner, 2011) ), хоча кількість воріт зазвичай не добре розширюється з кількістю кубітів. Подальше вдосконалення, наприклад, у квантовій підготовці з високою точністю з використанням сусіднього оптимального контролю (Yuchen Peng & Frank Gaitan, 2017) . Про деякі інші нещодавно розроблені високоточні методи підготовки стану див . Підготовка станів у квантовій механіці (Fröhlich, 2016) та Підготовка квантового стану (Ali et al., 2017) .

  • Одне з головних обмежень, яке ми маємо, - це кількість кубітів (зауважимо, що це питання суттєво пов'язане з труднощами збереження узгодженості протягом тривалих періодів часу, ср. Кота Шредінгера, та труднощами макроскопічного стану суперпозиції та відмінною відповіддю на них). Жоден сучасних квантових комп'ютерів недостатньо, щоб показати значне поліпшення "можливостей" порівняно з класичними комп'ютерами. Найбільша кількість, що факторизується квантовим комп'ютером до цього часу, становить 291311 ( Високоякісний адіабатичний квантовий обчислення з використанням внутрішнього гамільтоніана спінової системи: Застосування до експериментальної факторизації 291311 (Li et al., 2017)). Факторна брутальна сила 291311 займає не більше ~ 270 поділів, кожен з яких займає ~ 10 нс на сучасних процесорах. Це всього 3 нас, маючи на увазі, що факторизація на ваш ноутбук буде на кілька порядків швидшою. Практичне поліпшення складності в часі не буде помітним, якщо і до тих пір, поки кількість кубітів не збільшиться принаймні в 10 разів або близько того (я не зважаю на машини D-Wave, які мають понад 1000 кубітів, оскільки вони використовують інший відомий механізм як квантовий відпал, який ефективний лише в кількох вузьких межах. Але, мабуть, навіть кількість кубітів постійно збільшується. Нещодавно Google оголосив про 72-кубітну машину ( блог Google AI: Попередній перегляд Bristlecone, новий квантовий процесор Google ), а Intel оголосила про 49-кубітну мікросхему (IEEE Spectrum :: CES 2018: 49-кубітовий чіп Intel зйомки для квантової переваги ). Порівняйте це з 2000-ми, коли ми мали лише одноцифрове число кубітів!

  • За останні пару десятиліть було виявлено декілька архітектур квантових обчислень, для яких не потрібні майже абсолютні нульові температури , наприклад, оптичні квантові комп'ютери, квантові комп'ютери з захопленими іонами, квантові комп'ютери на основі алмазів тощо. Чому оптичні квантові комп'ютери не повинні утримуватися поблизу абсолютного нуля, тоді як надпровідні квантові комп'ютери роблять?

Висновок:

Чи буде у нас коли-небудь ефективних квантових комп'ютерів, які можуть помітно перевершити класичні комп'ютери в певних областях, це лише те, що скаже час. Однак, дивлячись на значний прогрес, який ми досягли, напевно, було б не надто неправильно сказати, що за пару десятиліть у нас повинні бути досить потужні квантові комп'ютери. З теоретичної сторони ми ще не знаємо, чи існують класичні алгоритми (які можуть відповідати квантовим алгоритмам за часовою складністю). Дивіться мою попередню відповідь щодо цього питання. З цілком теоретичної точки зору було б також надзвичайно цікаво, якщо хтось може довести, що всі проблеми BQP лежать у BPP або P!

Я особисто вірю, що в найближчі десятиліття ми будемо використовувати комбінацію методів квантових обчислень та класичних обчислювальних прийомів (тобто або на вашому ПК будуть мати як класичні апаратні компоненти, так і квантові апаратури, або квантові обчислення будуть повністю хмарними, і ви Ви отримаєте доступ до них тільки з класичних комп'ютерів). Тому що пам’ятайте, що квантові комп'ютери ефективні лише для дуже вузького кола проблем. Було б досить ресурсомістко і нерозумно робити додавання, як 2 + 3, використовуючи квантовий комп'ютер (див. Як квантовий комп'ютер робить основну математику на апаратному рівні? ).

Тепер, переходячи до того, чи не витрачаються національні фонди на непотрібні спроби побудови квантових комп'ютерів . Моя відповідь - НІ ! Навіть якщо нам не вдасться побудувати законні та ефективні квантові комп’ютери, ми все одно отримаємо багато в плані інженерного прогресу та наукового прогресу . Вже дослідження фотоніки та надпровідників багато разів збільшилися, і ми починаємо розуміти багато фізичних явищ краще, ніж будь-коли раніше. Більше того, квантова теорія інформації та квантова криптографія призвели до відкриття кількох акуратних математичних результатів та методів, які можуть бути корисними і в багатьох інших областях (пор.Фізика SE: ​​Математично складні області в квантовій теорії інформації та квантовій криптографії ). Ми також зрозуміли набагато більше про деякі найважчі проблеми теоретичної інформатики до того часу (навіть якщо нам не вдасться побудувати "квантовий комп'ютер").

Джерела та довідники:

1. Труднощі у впровадженні квантових комп'ютерів (Ponnath, 2006)

2. Вікіпедія: Квантові обчислення

3. Вікіпедія: Квантове виправлення помилок

Додаток:

Після невеликого пошуку я знайшов дуже приємну статтю, в якій викладені майже всі контргументи Скотта Ааронсона проти скептицизму квантових обчислень. Я настійно рекомендую пройти всі пункти, подані там. Це на самому ділі частина 14 з конспектів збудованих Ааронсон на своєму сайті. Їх використовували для курсу PHYS771 в університеті Ватерлоо. Конспекти лекцій базуються на його популярному підручнику « Квантове обчислення з Демокріта» .

Класичні обчислення тривали довше, ніж квантові обчислення. Перші дні класичних обчислень схожі на те, що ми зараз переживаємо з квантовими обчисленнями. Z3 (Перший Тьюринг електронного пристрій) , побудований в 1940 - х роках був розміром кімнати і менш потужним , ніж телефон. Це говорить про феноменальний прогрес, який ми зазнали у класичних обчисленнях.

Зоря квантових обчислень, з іншого боку, розпочалася до 1980-х . Алгоритм факторингу Шор; відкриття, що стрибкоподібне поле було відкрито у 90-х роках . Через це через кілька років було проведено першу експериментальну демонстрацію квантового алгоритму.

Є дані, що квантові комп'ютери можуть працювати. Щороку спостерігається величезний прогрес в експериментальних та теоретичних аспектах цієї галузі, і немає підстав вважати, що це зупиниться. Порогова теорема Quantum стверджує , що великомасштабні квантові обчислення можливо , якщо частота помилок для фізичних воріт нижче певного порогу. Ми наближаємось (дехто стверджує, що ми вже є) цього порогу для малих систем.

Добре бути скептичним щодо корисності квантових обчислень. Насправді це заохочується! Також природно порівнювати хід квантових обчислень з класичними обчисленнями; забуваючи, що квантові комп’ютери складніше побудувати, ніж класичні комп’ютери.

Ранні класичні комп’ютери були побудовані за існуючою технологією. Наприклад, вакуумні трубки були винайдені близько чотирьох десятиліть до того, як вони були використані для виготовлення Колосса.

Для квантових комп'ютерів нам потрібно винайти технологію, перш ніж виготовити комп'ютер. А технологія настільки виходить за рамки раніше існували, що якраз цей крок зайняв кілька десятиліть.

Зараз у нас майже є свої квантові версії вакуумних трубок. Тож очікуйте, що Колос буде через десять років.

TL, DR: Інженерні та фізичні аргументи вже зроблені. Додаю історичну перспективу: я стверджую, що поле квантових обчислень насправді лише трохи більше двох десятиліть, і що нам знадобилося більше трьох десятиліть, щоб створити щось на зразок MU5.

Оскільки ви згадуєте часову шкалу, давайте детальніше розглянемо:

Початок

Перш за все, прості можливості подібного квантового комп’ютера озвучили Річард Фейнман на заході (1959 чи 1981 р., Якщо хочете) та Юрій Манін на сході (1980). Але це просто ідея. Не починається реалізація.

Коли подібні речі траплялися з класичними обчисленнями? Ну, дуже давно. Наприклад, Чарльз Беббідж уже хотів побудувати обчислювальні машини на початку 19 століття, і у нього вже були ідеї. Паскаль, Лейбніц, усі вони мали ідеї. Аналітична машина Беббіджа 1837 р., Яка ніколи не була побудована через проблеми з фінансуванням та технікою (до речі, попередник аналітичної машини була побудована разом з Lego ), безумовно, остання перша ідея, яка вже випереджає те, що запропонували Фейнман та Манін квантові обчислення, тому що він пропонує конкретну реалізацію.

70-ті не бачать нічого, пов'язаного з квантовим комп'ютером. Винайдено деякі коди, зроблено деякі теоретичні основи (скільки інформації можна зберігати?), Яка необхідна для qc, але це не дуже переслідує ідею квантового комп'ютера.

Коди та пов'язані з комунікацією ідеї полягають у квантовому обчисленні, що означає телефон та телеграфні дроти до класичних обчислень: важливий попередник, але не комп'ютер. Як відомо, коди та телеграфи Морзе - це технології 19 століття, а також вивчалися більш складні коди для галасливих каналів. Математичні основи (з точки зору не-теорем тощо) були зроблені в 1948 році Шенноном.

У будь-якому випадку можна стверджувати, що обчислення перфокарт було розроблено в 1804 році для ткацтва , але я не хочу стверджувати, що це справді було початком класичного обчислення.

Універсальні (квантові) комп’ютери

Отже, коли почалися обчислення? Я хочу стверджувати, що для дослідження універсальних обчислень вам потрібні ряд речей; до цього кількість вкладених там людей і грошей буде обмежена.

1. Вам потрібне поняття універсального комп’ютера та теоретична модель того, чого досягти.
2. Вам потрібна архітектура, як реалізувати універсальний комп'ютер - на теоретичному рівні.
3. Вам потрібна система реального життя, де ви могли б її впровадити.

Коли ми отримуємо їх у квантовому обчисленні?

• Deutsch описує універсальний квантовий комп'ютер у 1985 році (33 роки тому).
• Моделі схем і ворота розробляються приблизно в один і той же час.
• Перша повна модель, як скласти все разом, була запропонована Сіраком та Золлером у 1994 році (лише 24 роки тому).

Всі інші досягнення квантових обчислень до або в той час обмежувалися криптографією, квантовими системами загалом або іншою загальною теорією.

Що з класичним обчисленням?

• У нас є робота Тьюрінга над машинами Тьюрінга (1936 р.) Або роботою Церкви (ті ж часові рамки).
• Сучасні архітектури покладаються на модель фон Неймана (1945); існують інші архітектури.
• Як модель, модель цифрових схем була розроблена в 1937 році Шенноном.

Отже, у 1994 році ми перебуваємо в порівнянному стані з 1937 роком:

• Теоретичні основи займаються декількома людьми, і тепер це зроблено.
• Є велика кількість людей, які виконують інженерні роботи з фундаментальних питань, не пов'язаних безпосередньо, але дуже корисні для побудови (квантового) комп’ютера.
• І поле взагалі не таке велике і добре фінансується.
• Але: з цієї дати фінансування і люди починають виливатися на поле.

Поле злітає

Для класичних обчислень це ілюструється кількістю різних "перших комп'ютерних систем" на шкалі Вікіпедії. Принаймні в Німеччині, Англії та США було декілька дослідницьких груп у кількох місцях (наприклад, Манчестер та Блетчлі Парк у Великобританії, якщо назвати лише декілька). Гроші військового часу були спрямовані на обчислення, тому що це було необхідно, наприклад, для розробки ядерної бомби (див. Рахунки в Лос-Аламосі).

Для квантових обчислень див., Наприклад, цей коментар :

Поле QIS почало вибухонебезпечне зростання на початку-середині 1990-х років як наслідок декількох одночасних подразників: Пітер Шор продемонстрував, що квантовий комп'ютер може надто ефективно оцінити велику кількість. Індустрія напівпровідників зрозуміла, що вдосконалення комп'ютерів згідно із законом Мура занадто скоро досягне квантової межі, вимагаючи кардинальних змін у технології. Розвиток фізичних наук призвів до захоплення атомних іонів, вдосконалених оптичних порожнин, квантових крапок і багатьох інших досягнень, що дозволило розглянути можливість побудови працездатних приладів квантової логіки. Крім того, потреба в безпечній комунікації призвела до розслідування квантових схем комунікацій, які не підлягають бикам.

Загалом, від того часу, коли теоретичні основи сучасних комп'ютерів були закладені до того часу, коли перші комп’ютери доступні (Zuse 1941, Манчестер 1948, якщо назвати лише два), це пройшло близько десяти років. Так само минуло десятиліття, коли перші системи робили якийсь універсально програмований розрахунок з квантовими системами. Зрозуміло, їхні можливості нижчі, ніж перші комп’ютери в Манчестері, але все ж.

Через двадцять років ми поступово спостерігаємо вибухове зростання технологій, і багато фірм залучаються. Ми також бачимо появу таких нових технологій, як транзистор (вперше виявлений у 1947 р.).

Аналогічно, через 20 років після початку квантових обчислень ми бачимо серйозний вхід приватних компаній у цю сферу з Google, IBM, Intel та багатьма іншими. Коли я був на своїй першій конференції в 2012 році, їхня участь все ще була академічною, сьогодні це стратегічно. Так само ми побачили пропозицію про безліч різних квантових обчислювальних систем протягом 2000-х років, таких як надпровідні кубіти, які складають основу найсучасніших мікросхем трьох вищезгаданих компаній. У 2012 році ніхто не міг претендувати на наявність дещо надійної системи з більш ніж парою фізичних кубітів. Сьогодні, лише через шість років, IBM дозволяє грати зі своїми дуже надійними 16 кубітами (5, якщо ви насправді хочете лише пограти), а Google заявляє про те, щоб ми перевірили систему 72 кубітів.

Так, у нас є ще певний шлях, щоб мати надійний масштабний квантовий комп'ютер з можливостями виправлення помилок, а комп'ютери, які ми маємо на даний момент, слабші, ніж класичні комп’ютери, які були у 60-х, але я (як пояснюють інші в інші відповіді) вважаю, що це пов'язано з унікальними інженерними проблемами. Існує невеликий шанс, що це пов'язано з фізичними обмеженнями, про які ми не маємо уявлення, але якщо це буде, зважаючи на поточний прогрес, ми повинні знати це не пізніше, ніж через пару років.

Який тут мій погляд?

• Я стверджував, що причина того, що ми ще не бачимо квантовий комп'ютер MU5, також пов’язана з тим, що це поле ще не таке старе, але ще недавно не отримало такої уваги.
• Я стверджую, що з сучасного погляду здавалося, що класичні комп'ютери стали дуже хорошими дуже швидко, але це нехтує десятиліттями попередньої роботи, де розвиток та зростання не здаються такими швидкими.
• Я стверджую, що якщо ви вважаєте (як майже всі в цій галузі), що початкові інженерні проблеми, з якими стикаються квантові комп'ютери, важче, ніж проблеми, з якими стикаються класичні комп'ютери, то ви бачите дуже порівнянну траєкторію досліджень та інновацій з одним із класичних комп'ютерів . Звичайно, вони дещо різні, але основні ідеї того, як це відбувається, схожі.

Щоб відповісти на частину запитання, "чи буду я коли-небудь купувати квантовий комп'ютер" і т. Д. Я думаю, що існує принципове непорозуміння.

Квантові обчислення - це не просто класичні обчислення, але й більш швидкі. Квантовий комп’ютер за короткий час вирішує певні проблеми, які потребувалимуть класичний суперкомп'ютер тисячу років. Це не перебільшення. Але звичайні види обчислень, додавання чисел, переміщення бітів для графіки тощо. Це все ще будуть просто класичними обчислювальними речами.

Якщо технологія коли-небудь може бути мініатюризованою (я не знаю), це може бути щось більше, як MMU або відеокарта. Додаткова функція вашого класичного комп’ютера, а не заміна. Таким же чином відеокарта високого класу дозволяє вашому комп’ютеру робити те, що він не зможе (в розумні терміни) з основним процесором, квантовий комп'ютер дозволить виконувати інші види операцій, які наразі неможливо виконати.

Я рекомендую вам хоча б сканувати, можливо, перший пункт сторінки " Принципи роботи " на сторінці квантових обчислень у Вікіпедії.

Коли ви запитуєте, чи це пиріг в небі, це швидше залежить від того, які обіцянки, на вашу думку, намагаються виконати квантові технології. І це залежить від того, хто народ дає ці обіцянки.

Поміркуйте, чому вам навіть відомо про квантові обчислення, враховуючи, що він ще не встиг виготовити будь-які пристрої (або, якщо бути справедливішим, не дуже багато пристроїв ), що нагадують м'язовий апарат комп'ютера. Звідки ви чуєте про це, звідки хвилювання? Я готовий зробити ставку, що навіть якщо ви відвідуєте кожну академічну розмову про квантові обчислення, якими ви особисто можете керувати, не дуже багато того, що ви чуєте про квантові обчислення, походить від науковців. Швидше за все, ви чуєте багато про квантові обчислення з джерел, які цікавлять більше хвилювання, ніж факти.

Є деякі корпоративні джерела, які висловлюють більш-менш грандіозні претензії щодо того, що може зробити чи чи зможе їх квантове обладнання; і там вже більше десяти років. Тим часом існує велика громада людей, які просто намагаються домогтися ретельного прогресу і не витрачають занадто багато своєї енергії на обіцянки, які вони не можуть виконати. Від кого ви більше чули?

Але навіть надаючи це, сторони, найбільш відповідальні за хвилювання щодо квантових обчислень, - це певні журнали та веб-сайти з особливим інтересом, які є джерелами інформації як продавці вафельних виробів на ринковій площі: вони торгують дуже великим солодким парним ароматом, а не чимось із речовина та укус. Рекламна індустрія, яка привертає увагу, а не наукові навчальні заклади, є основною причиною виникнення таких роздутих очікувань квантових обчислень. Вони навіть не переймаються квантовими обчисленнями в принципі: це одне з декількох магічних чарів, якими можна здивувати натовп, викликати мрії про пиріг у небі, а тим часом заробляти гроші у якоїсь іншої компанії за просту можливість оголошення було видно півсекунди. Цепромисловість дуже займається продажем тіста, що випускається повітрям, як своїм клієнтам, так і своїй аудиторії. Але чи означає це, що світ зобов'язаний літаючим булочкам тих, хто насправді працює над квантовими технологіями? Досить важко досягти тих речей, які, на наш погляд, можна зробити, які є більш скромними, але все ж таки вартими.

Серед моїх наукових колег (теоретиків-комп’ютерів та фізиків-теоретиків) кричуща дезінформація щодо квантових обчислень серед населення є джерелом значних розладів. Більшість з нас вважають, що можна буде побудувати квантовий комп'ютер, а більшість тих, хто також вважає, що це матиме значні економічні наслідки. Але ніхто з нас не сподівається, що це перетворить світ догори ногами через п’ять-десять років, і ми не очікували, що за будь-який з останніх п’ятнадцяти років це стало модно говорити про те, що у нас будуть великі квантові комп'ютери "в п’ять-десять років ». Я завжди робив сенс сказати, що сподіваюся побачити наслідки в моєму житті, і недавня діяльність змусила мене сподіватися побачити це протягом двадцяти - але навіть тоді ви не збираєтесь купувати магазин,

Також ніхто з нас не сподівається, що це дозволить вам легко вирішити проблему продавця подорожей тощо. Вміння аналізувати проблеми квантової хімії та квантових матеріалів - це оригінальне, а в короткому терміні все-таки найкраще перспективне застосування квантових обчислень, і воно може бути революційним там; і, можливо, в довгостроковій перспективі ми можемо забезпечити надійні та значні вдосконалення на практиці для проблем оптимізації. (D-Wave стверджує, що вони вже можуть це зробити на практиці на своїх машинах: присяжні все ще не вчені серед вчених, чи виправдана ця заява.)

Диявол цього полягає в тому, щоб пояснити, чого насправді можна очікувати від теорії та розвитку квантових обчислень, треба якось трохи пояснити квантову механіку. Це зробити не просто, і як і все, що складніше, у широкому світі мало терпіння для нюансового розуміння, особливо коли "альтернативні факти" у вигляді аромату цукерки "якавоу" сильно крокують навколо семи чоботи ліги.

Правда - про те, що можуть зробити квантові обчислення, і що це, ймовірно, не дозволить вам телепортуватися по всьому світу, ані вирішити голод у світі чи хаос авіакомпанії за допомогою інсульту - нудна. Але значних успіхів у галузі хімії та матеріалознавства немає. Нічого не сказати про додатки, які ще не розроблені: наскільки легко ви можете екстраполювати з комп'ютерів на основі передач, щоб надійно обчислити податки або обчислити таблиці логарифмів для проектування літаків ?

Часова шкала класичних обчислювальних технологій поширюється ще до 19 століття. У нас є ідея, як спробувати переробити цей шлях за допомогою квантових технологій, і ми маємо уявлення про види дивідендів, які можуть бути можливими, якщо ми це зробимо. З цієї причини ми сподіваємося відтворити розробку на корисну обчислювальну технологію за набагато швидший проміжок часу, ніж 370-і літ років від добавників Паскаля до сучасності. Але це не буде настільки швидко, як деякі люди обіцяли, особливо ті люди, які насправді не відповідають за виконання цих обіцянок.

Деякі зауваження.

" Де паралельна суматор? "

• У нас немає великих пристроїв, які здійснюють додавання квантовими комп’ютерами, але у нас є люди, які працюють над схемами швидкого додавання в квантових комп'ютерах - деякі з тих, що повинні робити квантові комп'ютери, включатимуть більш звичайні операції над даними в суперпозиції.

" Де еквівалент Atlas або MU5? "

• Якщо чесно кажучи, ми все ще працюємо над першим надійним квантовим аналогом добавника Паскаля. Я сподіваюся, що підхід до проекту NQIT (розкриття: я в ньому беру участь, але не як експерименталіст) створення невеликих, якісних модулів, які можуть обмінятися заплутуванням, стане шляхом до швидкого масштабування за допомогою масового виробництва Модулі, і в цьому випадку ми можемо перейти від пристрасті Паскаля, до Коллоса, до Атласу і далі за лічені роки. Але покаже лише час.

" Схоже, вони навіть не зійшли з землі. Ви не скоро купуватимете її в PC World ".

• Це абсолютно вірно. Однак якщо вам колись казали, що очікуєте інакше, швидше за все, це вина PC World (або, справедливо кажучи, конкуренти PC World на ринку за ваші гроші на підписку як технічного ентузіаста), ніж наша. Будь-який відповідальний дослідник скаже вам, що ми наполегливо намагаємося зробити перші серйозні пристрої-прототипи.

" Ви коли-небудь зможете [придбати квантовий комп'ютер у ПК World]? "

• Чи зможете ви коли-небудь придбати Cray в PC World? Хочете? Можливо, не. Але ваш університет може захотіти, і серйозні підприємства можуть захотіти цього. Крім того, є дикими міркуваннями - я не бачу, як квантовий комп'ютер покращив би обробку текстів. Але знову ж таки, я сумніваюся, що Беббідж коли-небудь уявляв, що все, що схоже на його Двигун різниці, буде використано для складання листів.

TL; DR : Я працював над теорією квантових комп'ютерів близько 15 років. Я не бачив нічого переконливого, щоб сказати, що вони не будуть працювати. Звичайно, єдиний реальний доказ того, що вони можуть працювати, - це зробити його. Це відбувається зараз. Однак те, що буде робити квантовий комп'ютер і чому ми хочемо, щоб воно не відповідало сприйняттю громадськості.

Чи є квантові обчислення просто пирігом у небі? Чи все це просто заклинання - завтра вуо, що торгується квантовими трясками довірливій публіці?

Як "квантовий шарлатан" (спасибі за це), звичайно, я вам скажу, що це все реально. Але теорія є здоровою. Поки квантова механіка є правильною, теорія квантових обчислень є правильною, і існують ефективні алгоритми для квантових комп'ютерів, для яких ми не знаємо, як ефективно обчислити рішення на класичному комп'ютері. Але я не думаю, що те, що я пишу тут, може переконати скептичного. Або ви повинні сісти і дізнатися всі деталі самостійно, або почекати і подивитися.

Звичайно, квантова механіка - це лише теорія, яку можна було б замінити в будь-який час, але її прогнози вже застосовані для пояснення навколишнього світу. Квантові комп'ютери не підштовхують цю теорію до неперевіреного режиму, де ми можемо сподіватися, що є несподівані результати (на що фізики дійсно сподіваються, бо саме там ви починаєте бачити натяки на нову фізику). Наприклад, квантова механіка вже застосовується до систем конденсованих речовин, що складаються з набагато більшої складової, ніж ми говоримо про кубіти в найближчому квантовому комп'ютері. Просто нам потрібен безпрецедентний рівень контролю над ними. Кілька людей думають, що вони мають аргументи, чому квантовий комп'ютер не працюватиме, але я не знайшов нічого особливо переконливого в прочитаних аргументах.

Це все галас і гаряче повітря?

Навколишніх квантових комп’ютерів існує багато шуму. Я б сказав, що це походить з двох основних джерел:

• популярне представлення квантових обчислень у основних медіа та популярній культурі (наприклад, науково-фантастичні книги). Запитайте когось, хто активно працює над квантовими обчисленнями, я думаю, що вони погоджуються, що це погано представлено, створюючи враження, що це універсальне рішення, яке зробить все швидше, що, принаймні, поки що не так. Завтра було завтра заклик, який розглядався з легковажною громадськістю, але це більше через "втрачену в перекладі" спробу надто спростити те, що відбувається, в основному, неспеціалізованими посередниками.

• самі дослідники. Протягом останніх 20 (іш) років люди обіцяли, що квантові обчислення знаходяться просто за горизонтом, і це ніколи не буває реалізованим. Цілком розумно, що спостерігачі від цього хворіють в цей момент. Однак, з моєї точки зору на те, що я буду в цій галузі, багато людей, які заявляють, що працюють над квантовими комп'ютерами, ще не були. Оскільки органи фінансування стають все більш вимогливими до "чому" для досліджень та забезпечення "впливу", квантові обчислення стали для багатьох експерименталістів, навіть якщо вони насправді не зацікавлені робити що-небудь для квантового комп'ютера. Якщо якимось чином вони могли перекрутити те, що вони роблять, щоб це звучало важливо для квантових обчислень, вони мали тенденцію це робити. Це не означає, що квантові обчислення можуть " Якщо не робити, це просто не було настільки зосередженим, як передбачалося. Візьміть на дещо іншому рівні вибух квантової теорії інформації. Так мало теоретиків, які активно працювали над теорією квантових комп'ютерів і як змусити їх працювати (це не означає, що вони не робили цікавих речей).

Однак зараз ми потрапляємо у критичну масу, де раптом багато інвестиційних досліджень у створення квантових комп'ютерів та пов'язаних з ними технологій, реальність, і все починає рухатися. Нам здається, ми просто досягаємо справи, що має близько 50 кубітів, що ми можемо досягти «квантової переваги» - виконуючи обчислення, результати яких насправді неможливо перевірити на класичному комп’ютері. Частиною проблеми у досягненні цього насправді був згаданий швидкий прогрес класичних обчислень. З огляду на тип прогресу Закону Мура, даючи експоненціально поліпшення класичної обчислювальної потужності, він постійно змінюється смугою того, що нам потрібно досягти, щоб бути переконливим.

Квантові комп'ютери не мають подібного прогресу. Au contraire, схоже, вони навіть не зійшли з землі.

Справа в тому, що це важко зробити, і для того, щоб правильно зрозуміти основні технології, потрібно багато часу. Це трохи недосконале порівняння, але це не надто погано: подумайте про літографічні процеси, які використовуються для виготовлення процесорів. Їх розвиток було прогресивним, роблячи все менші і менші транзистори, але прогрес сповільнювався, оскільки з ними все важче і складніше боротися, наприклад, з квантовими ефектами, які стають на шляху. Квантові комп'ютери, навпаки, намагаються переступити через всю цю прогресивну вдосконалення і перейти до остаточного, остаточного результату: одноатомних транзисторів (роду). Можливо, це дає певний рівень розуміння того, з чим намагаються боротися експерименталісти?

Ви не скоро купуватимете його в ПК World. Ви коли-небудь зможете?

Не ясно, що ви навіть хотіли б. На даний момент ми очікуємо, що квантові комп'ютери будуть корисні для певних, дуже специфічних завдань. У цьому випадку ми, можливо, передбачаємо кілька потужних централізованих квантових комп'ютерів, які виконують ці конкретні завдання, і більшість людей продовжуватимуть працювати з класичними комп'ютерами. Але, оскільки ви хочете провести аналогії з розвитком класичних комп'ютерів, то (за Вікіпедією) саме в 1946 році сер Чарльз Дарвін (онук відомого натураліста), керівник Національної фізичної лабораторії Великобританії, написав:

цілком можливо, що ... однієї машини вистачило б для вирішення всіх проблем, які вимагають від неї всієї країни

(варіанти цього відносять до таких людей, як Уотсон). Це дуже однозначно не так. Реальність полягала в тому, що коли комп'ютери стали широко доступними, для них було знайдено подальше використання. Це може бути те саме для квантових комп'ютерів, я не знаю. Однією з інших причин того, що ви не купуєте квантовий комп'ютер у магазині, є його розмір. Що ж, фактичні пристрої зазвичай крихітні, але все обладнання для взаємодії та, особливо, охолодження займає весь простір. Оскільки технологія вдосконалюється, вона зможе працювати при прогресивно більш високих температурах (дивіться, наприклад, на прогрес надпровідності високої температури порівняно з початковими температурами, які мали бути досягнуті), що знизить потреби в охолодженні.

Чому б ви очікували, що дві різні технології будуть просуватися з однаковою швидкістю?

Простіше кажучи, квантові комп'ютери можуть бути надзвичайно потужнішими, але побудувати їх надзвичайно важче, ніж класичні комп’ютери. Теорія їх експлуатації є більш складною і базується на останній фізиці, існують більші теоретичні підводні камені та перешкоди, які гальмують їх масштабування в розмірах, а їх дизайн вимагає набагато складнішого обладнання, яке важче інженерувати.

Майже кожен етап розвитку квантового комп'ютера є не аналогічним класичному комп'ютеру. Тож питання до вас; навіщо їх порівнювати?

Перегляньте шкалу часу у Вікіпедії та запитайте себе, де паралельний суматор?

Мені здається, що у вашому питанні лежить ваша відповідь. Перегляд часової шкали у Вікіпедії показує дуже повільний прогрес з 1959 р. До приблизно 2009 р. Це була головним чином теоретична робота, поки ми не перейшли від нуля до одиниці .

Тільки за 9 років з того часу темп прогресу був приголомшливим, коливався від 2 кубітів до 72, і якщо включити до двійни до 2000 кубітів. І ось, хто зараз працює в хмарі, ми маємо доступ до цього. Позначте прогрес за останні 60 років, і я впевнений, що ви побачите цілком коліно в кривій, яку, здається, хочете, і спростуйте свою заяву. Але, наскільки я знаю, квантові обчислення нічого не зробили.

Де еквівалент Atlas або MU5?

Це міра, на якій ґрунтується ваше запитання?

Ви коли-небудь зможете? Це все галас і гаряче повітря? Чи є квантові обчислення просто пирігом у небі? Чи все це просто заклинання - завтра вуо, що торгується квантовими трясками довірливій публіці?

Так. Ні-ні-ні.

Якщо ні, то чому б і ні?

Тому що, як показує ваша згадана часова шкала, люди досягають значного прогресу в кількості та стабільності кубітів, а також у квантових алгоритмах.

Попросити людей передбачити майбутнє завжди загрожує невдачею, тому більшість із цих сайтів не допускають запитань, заснованих на думці.

Можливо, більш конкретні (не на думку) питання краще допоможуть відповісти на ваші запитання.

Сумна правда для більшості людей тут полягає в тому, що Джон Даффілд (аскер) має рацію.

Немає доказів того, що квантовий комп'ютер коли-небудь матиме будь-яку цінність.

Однак для компаній, які інвестували в квантові обчислення (IBM, Google, Intel, Microsoft тощо), цілком варто того, щоб спробувати створити її, адже якщо вони будуть успішними, вони зможуть вирішити деякі проблеми в експоненціальному порядку швидше ніж класичні комп’ютери, і якщо вони не є успішними, жодна вм'ятина не вкладається в мільярди доларів, які вони мають.

Спроба побудови корисних квантових комп’ютерів, яку можна назвати поки що невдачею, принаймні призводить до прогресу в розумінні надпровідників, фотоніки і навіть самої квантової теорії. Багато математики, що використовується для аналізу квантової механіки, було розроблено в контексті теорії квантової інформації.

І нарешті, квантові комп'ютери ніколи не можуть бути проданими, але квантові пристрої зв'язку Toshiba, HP, IBM, Mitsubishi, NEC і NTT вже є на ринку.

На закінчення: я погоджуюся з Джоном Даффілдом, що квантові обчислення ніколи не можуть мати користі. Але квантова комунікація вже продається, і для наших невдалих (поки що) спроб зробити квантові обчислення реальністю було розроблено багато нових наук, математики та техніки (наприклад, для надпровідників).

Як і всі хороші запитання, справа в тому, що ви маєте на увазі. Як КТО стартапу, який розробляє квантовий комп'ютер, я повинен рішуче не погодитися з твердженням, що квантові обчислення - це просто пиріг у небі.

Але тоді ви стверджуєте, що "ви не скоро купуватимете його в ПК World". З цим я не тільки погоджуюся, але й припускаю, що в осяжному майбутньому ви не зможете цього зробити, що є таким же близьким до "ніколи", як ви змусите мене стверджувати.

Чому так? По-перше, це справедливо, оскільки немає жодних інженерних причин, які б заважали нам побудувати квантовий комп'ютер, і насправді немає причин, які продовжують заважати нам будувати його набагато довше. По-друге, це тому, що скласти квантовий комп'ютер важче, ніж створити класичний комп'ютер (потрібні спеціальні умови, такі як надзвичайно холодна температура або дуже хороший вакуум, і вони повільніше), але є лише певні проблеми, з якими вирішуються квантові комп'ютери. Вам не потрібні будь-які ноутбуки, щоб займатися виявленням наркотиків за допомогою обчислення або розбиття застарілої криптовалюти або для прискорення інвертування якоїсь функції (особливо не, якщо вони постачаються з допоміжним обладнанням розміру гардеробу), але для цього вам потрібен один або кілька суперкомп'ютерів.

Чому я можу сказати, що немає жодних інженерних проблем, які заважають (великим, універсальним) квантовим комп'ютерам? Зауважте, одного прикладу було б достатньо, тому я вибираю технологію, яку я найкраще знаю, таку, якою я займаюся професійно. У квантових обчисленнях, що базуються на іонах, були продемонстровані всі інгредієнти, необхідні одному: Є високоякісні універсальні квантові ворота. Існують успішні спроби переміщення іонів (відокремити та рекомбінувати їх від рядків іонів, перемістити їх по шляхах та через перехрестя шляхів) з відповідною продуктивністю. Плюс ініціалізація, вимірювання тощо можливі при вірності, порівнянної з операціями на воротах. Єдине, що не дозволяє будувати великі універсальні квантові комп'ютери на основі іонів, пов’язане із залученням вчених, які зробили індивідуальний внесок разом з правильними інженерами,

Я сверблю навіть, щоб сказати тобі, як можна йти про те, щоб подвиг був зроблений незабаром, технічно, але я боюся, що я змушу нашого патентного повіреного (і мого генерального директора, і всіх інших в компанії) трохи злий. Це зводиться до цього:

Якщо квантові обчислення справді пиріг у небі, то, озираючись, люди в майбутньому сприйматимуть це як просто такий низько вищий плід, як перші мікрокомп'ютери.

Існує багато технічних проблем щодо розробки універсального квантового комп'ютера, що складається з безлічі кубітів, як зазначено в інших відповідях. Дивіться також цю статтю з огляду . Однак, можливо, існують шляхи вирішення певних нетривіальних квантових обчислень, перш ніж потрапити на перший справді універсальний квантовий комп'ютер.

Зауважимо, що класичні обчислювальні пристрої існували задовго до виготовлення першого універсального комп'ютера. Наприклад, для чисельного розв'язання диференціальних рівнянь ви можете побудувати електричну ланцюг, що складається з конденсаторів, котушок і резисторів, таким чином, що напруга між певними точками буде задовольняти тим же диференціальним рівнянням, що і ви хочете вирішити. Цей метод був популярний в астрофізиці ще до появи цифрових комп'ютерів.

Що стосується квантових обчислень, зауважте, що коли Фейнман прийшов до ідеї квантових обчислень, він стверджував, виходячи з труднощів моделювання квантових механічних властивостей певних фізичних систем за допомогою звичайних комп'ютерів. Він обернув аргумент, зазначивши, що система сама вирішує математичну задачу, яку важко вирішити за допомогою звичайних комп'ютерів. Квантово-механічна природа системи робить це так, тому можна подумати, чи можна побудувати квантові механічні пристрої, здатні вирішувати проблеми, які важко вирішити за допомогою звичайних комп'ютерів.