Zawartość

• Do czego służą komputery kwantowe
• Co oznacza supremacja kwantowa dla bezpieczeństwa?
• Pytania dotyczące roszczeń Google o przewagę kwantową

W zeszłym tygodniu badacze Google twierdzili, że osiągnęli „supremację kwantową”, zgodnie z artykułem w Financial Times. Artykuł Google został krótko opublikowany na stronie NASA, zanim został usunięty. W nim naukowcy twierdzą, że osiągnęli lepsze wyniki niż najpotężniejszy klasyczny superkomputer - zwany Summit - z własnym komputerem kwantowym.

Jest to tak zwana supremacja kwantowa - innymi słowy, gdy udowodniono, że komputer kwantowy jest szybszy przy danym zadaniu niż komputer klasyczny. Według artykułu 53-qubit Sycamore firmy Google jest w stanie ukończyć te konkretne obliczenia w ciągu trzech minut i 20 sekund. Wykonanie tej samej funkcji przez superkomputer Summit zajęłoby około 10 000 lat.

Osiągnięcie supremacji kwantowej początkowo przewidywano na koniec 2017 r. Jednak 72-kubitowy komputer Bristlecone firmy Google (na zdjęciu powyżej) okazał się zbyt trudny do kontrolowania z wystarczającą dokładnością. Zamiast tego przełomem jest mniejszy system Sycamore o 53 kubitach.

Do czego służą komputery kwantowe

W przeciwieństwie do tradycyjnych komputerów, które działają na bitach 1 lub 0, komputery kwantowe używają „kubitów” do przechowywania wartości. Qubit lub bit kwantowy jest dwustanowym układem kwantowo-mechanicznym. Ma tajemniczą właściwość polegającą na tym, że może jednocześnie utrzymywać superpozycję stanów 1 i 0. Jednak ten stan załamuje się podczas pomiaru.

Komputery kwantowe są zbudowane z podobnymi bramkami sprzętowymi jak komputery klasyczne, z odpowiednikami bramek NOT i AND wbudowanymi w funkcje matematyczne. Jednak wyjścia kwantowe są z natury probabilistyczne, co oznacza, że ​​należy je sprawdzić pod kątem dokładności i skorygować błędy. Nie możesz też rzucić okiem na obliczenia kwantowe w połowie drogi bez rujnowania danych wyjściowych z powodu superpozycji.

Superpozycja i prawdopodobieństwo to klucze, które sprawiają, że komputery kwantowe są przydatne do niektórych zadań matematycznych. Zwiększenie liczby kubitów umożliwia niemal natychmiastowe obliczenie milionów możliwości. Zastosowania obejmują faktoring ogromnych liczb, obliczanie transformacji Fouriera i rozwiązywanie równań liniowych. Komputery kwantowe z natury są bardzo wyspecjalizowane. W rzeczywistości nie są one przydatne dla wielu podstawowych obliczeń wykonywanych codziennie przez nasze komputery podręczne.

Co oznacza supremacja kwantowa dla bezpieczeństwa?

Choć brzmią dziwnie, jak brzmią komputery kwantowe, mają one bardzo interesujące zastosowania w niektórych obszarach obliczeń - szczególnie te, które obejmują powtarzające się, złożone operacje matematyczne, takie jak meteorologia, chemia i fizyka modelowania oraz kryptografia.

Ten ostatni często straszy ludzi. Komputery kwantowe mogą przejść przez tak wiele matematycznych permutacji naraz i teoretycznie zajmują ułamek czasu potrzebnego obecnie komputerom do złamania wspólnych standardów szyfrowania. Tylko dni lub godziny zamiast wielu wcieleń. Nowe protokoły kryptograficzne mogą pewnego dnia potrzebować bardzo wrażliwych informacji, aby zapobiec włamaniu przez komputery kwantowe.

Standardy szyfrowania będą musiały ulec poprawie po komercyjnych komputerach kwantowych.

Podobnie, podobne algorytmy są stosowane na obecnym rynku kryptowalut w celu zabezpieczenia portfeli i weryfikacji legalności transakcji. Nic nie wskazuje na to, że nawet komputer Google jest w stanie złamać te typy szyfrowania. Jednak zagrożenie gwałtownym wzrostem mocy obliczeniowej kwantowej czyni tę możliwość wyraźną w nadchodzących latach.

Na szczęście komputery kwantowe są jeszcze daleko od opłacalności komercyjnej. Nadal są na etapie opracowywania i znacznie częściej są wykorzystywane do badań niż łamanie haseł publicznych. Tak czy inaczej, standardy szyfrowania będą musiały ulec poprawie, aby powstrzymać i zapobiec żywotności krakowania w najbliższej przyszłości.

Pytania dotyczące roszczeń Google o przewagę kwantową

Podczas gdy Google twierdzi, że supremacja kwantowa jest wielkim przełomem, niektórzy z jego rywali są mniej przekonani o zaletach tego osiągnięcia. Termin „supremacja kwantowa” sugeruje, że komputery kwantowe są teraz bardziej wydajne i użyteczne niż komputery klasyczne, ale z pewnością jest to kontrowersyjne twierdzenie.

Dario Gil, szef działu badań w IBM (główny rywal w dziedzinie obliczeń kwantowych), nazwał twierdzenia Google „po prostu błędne”. Gil zauważa, że ​​badania są po prostu „eksperymentem laboratoryjnym zaprojektowanym w celu - i prawie na pewno wyłącznie - wdrożenia jednego bardzo specyficzna procedura próbkowania kwantowego bez praktycznych zastosowań. ”Innymi słowy, badania Google koncentrują się na bardzo wąskim typie obliczeń, który niewiele mówi o szerszych możliwościach komputera.

Supremacja kwantowa - gdy komputer kwantowy przewyższa klasyczny komputer dla danego zadania.

Jednak Chad Rigetti, były szef IBM, nazwał ogłoszenie „wielką chwilą dla ludzi i nauki”. Daniel Lidar, profesor inżynierii z University of Southern California, zauważył skalę przełomu Google. Firma zmniejszyła zakłócenia kubitów - znane jako „przesłuchy” - znacznie zmniejszając poziom błędów komputera w porównaniu do jego rywala.

Sugeruje to, że Google będzie teraz w stanie zwiększyć rozmiar swoich komputerów kwantowych dzięki niższym wynikom błędów. Więcej kubitów o niskim poziomie błędu wykładniczo zwiększy moc obliczeniową komputerów kwantowych, czyniąc je znacznie bardziej wykonalnymi do kompleksowego rozwiązywania problemów. Jednak wciąż jest jeszcze wiele do zrobienia w zakresie programowania.

Ostatecznie komputery kwantowe są przydatne tylko do ograniczonego zestawu zadań. Są drogie w budowie, uruchomieniu i programowaniu. Ta złożoność oznacza, że ​​prawdopodobnie będą one wykorzystywane tylko oszczędnie do bardzo konkretnych zadań. Nie zmniejsza to jednak kamienia milowego kwantowej przewagi Google i faktu, że obliczenia kwantowe z każdym rokiem stają się coraz bardziej opłacalne.