Квантовое преимущество: физик объясняет будущее компьютеров

Квантовое преимущество — это та веха, над которой горячо работает область квантовых вычислений: квантовый компьютер может решать проблемы, недоступные самым мощным неквантовым или классическим компьютерам.

Квант относится к масштабу атомов и молекул, где законы физики в том виде, в котором мы их воспринимаем, нарушаются и применяется другой, противоречащий здравому смыслу набор законов. Квантовые компьютеры используют это странное поведение для решения проблем.

Есть некоторые типы проблем, которые нецелесообразно решать классическим компьютерам, например взлом современных алгоритмов шифрования. Исследования последних десятилетий показали, что квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения некоторых из этих проблем.

Если можно будет построить квантовый компьютер, который действительно решит одну из этих проблем, он продемонстрирует квантовое преимущество.

Я физик, изучающий квантовую обработку информации и управление квантовыми системами.

Я считаю, что этот рубеж научных и технологических инноваций не только обещает революционные достижения в области вычислений, но и представляет собой более широкий рост квантовых технологий, включая значительные достижения в области квантовой криптографии и квантового зондирования.

Источник мощи квантовых вычислений

Центральным элементом квантовых вычислений является квантовый бит, или кубит. В отличие от классических битов, которые могут находиться только в состояниях 0 или 1, кубит может находиться в любом состоянии, представляющем собой некоторую комбинацию 0 и 1. Это состояние, состоящее не только из 1 или просто 0, известно как квантовая суперпозиция. С каждым дополнительным кубитом количество состояний, которые могут быть представлены кубитами, удваивается.

Это свойство часто ошибочно принимают за источник силы квантовых вычислений. Вместо этого все сводится к сложному взаимодействию суперпозиции, интерференции и запутанности.

Интерференция предполагает манипулирование кубитами так, что их состояния конструктивно объединяются во время вычислений для усиления правильных решений и деструктивно для подавления неправильных ответов.

Конструктивная интерференция — это то, что происходит, когда пики двух волн (например, звуковых волн или океанских волн) объединяются, образуя более высокий пик. Деструктивная интерференция — это то, что происходит, когда пик волны и впадина волны объединяются и нейтрализуют друг друга.

Квантовые алгоритмы, которых мало и их трудно разработать, создают последовательность интерференционных картин, которые дают правильный ответ. к проблеме.

Запутывание устанавливает уникальную квантовую корреляцию между кубитами: состояние одного невозможно описать независимо от других, независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся кубиты. Это то, что Альберт Эйнштейн, как известно, назвал «жутким действием на расстоянии».

Коллективное поведение запутанности, управляемое с помощью квантового компьютера, позволяет добиться ускорения вычислений, недостижимого для классических компьютеров.

Приложения квантовых вычислений

Квантовые вычисления имеют ряд потенциальных применений, в которых они могут превзойти классические компьютеры. В криптографии квантовые компьютеры представляют собой одновременно Возможности и проблемы. Самое известное, что у них есть потенциал для расшифровки существующих алгоритмов шифрования, таких как широко используемая схема RSA.

Одним из последствий этого является то, что сегодняшние протоколы шифрования необходимо перепроектировать, чтобы они были устойчивы к будущие квантовые атаки. Это признание привело к растущей области постквантовой криптографии.

После длительного процесса Национальный институт стандартов и технологий недавно выбрал четыре квантовоустойчивых алгоритма и начал процесс их подготовки, чтобы организации по всему миру могут использовать их в своих технологиях шифрования.

Кроме того, квантовые вычисления могут значительно ускорить квантовое моделирование: возможность предсказать результат экспериментов, проводимых в квантовой сфере. Знаменитый физик Ричард Фейнман предвидел эту возможность более 40 лет назад.

Квантовое моделирование открывает возможности для значительного прогресса в химии и материаловедении, помогая в таких областях, как сложное моделирование молекулярных структур для открытия лекарств и позволяя открытие или создание материалов с новыми свойствами.

Другим применением квантовых информационных технологий является квантовое зондирование: обнаружение и измерение физических свойств, таких как электромагнитная энергия, гравитация, давление и температура, с большей чувствительностью и точностью, чем неквантовые методы. инструменты.

Квантовое зондирование имеет множество применений в таких областях, как мониторинг окружающей среды, геологоразведка, медицинская визуализация и наблюдение.

Инициативы, такие как разработка квантового Интернета, который соединяет квантовые компьютеры, важные шаги на пути к соединению миров квантовых и классических вычислений.

Эта сеть может быть защищена с помощью квантовых криптографических протоколов, таких как квантовое распределение ключей, что обеспечивает сверхзащищенные каналы связи, защищенные от вычислительных атак, в том числе с использованием квантовые компьютеры.

Несмотря на растущий набор приложений для квантовых вычислений, разработка новых алгоритмов, которые в полной мере используют квантовое преимущество – в частности, в машинном обучении – остается важной областью текущих исследований.

Сохранять согласованность и преодолевать ошибки

Область квантовых вычислений сталкивается со значительными препятствиями в разработке аппаратного и программного обеспечения. Квантовые компьютеры очень чувствительны к любым непреднамеренным взаимодействиям с окружающей средой. Это приводит к явлению декогеренции, когда кубиты быстро переходят в состояния 0 или 1 классических битов.

Создание крупномасштабных систем квантовых вычислений, способных обеспечить обещанное квантовое ускорение, требует преодоления декогеренции. . Ключом к успеху является разработка эффективных методов подавления и исправления квантовых ошибок, и именно на этой области сосредоточены мои собственные исследования.

Для решения этих задач появилось множество стартапов в области квантового оборудования и программного обеспечения, а также такие известные игроки технологической отрасли, как Google и IBM.

Этот отраслевой интерес в сочетании со значительными инвестициями со стороны правительств всего мира подчеркивает коллективное признание преобразующего потенциала квантовых технологий. Эти инициативы способствуют созданию богатой экосистемы, в которой сотрудничают научные круги и промышленность, ускоряя прогресс в этой области.

Квантовые преимущества становятся видимыми

Квантовые вычисления однажды могут стать столь же разрушительными, как появление генеративных технологий. ИИ. В настоящее время развитие технологии квантовых вычислений находится на решающем этапе.

С одной стороны, эта область уже продемонстрировала первые признаки достижения узкоспециализированного квантового преимущества. Исследователи из Google, а затем и группа исследователей в Китае продемонстрировали квантовое преимущество создания списка случайных чисел с определенными свойствами. Моя исследовательская группа продемонстрировала квантовое ускорение игры по угадыванию случайных чисел.

С другой стороны, существует ощутимый риск наступления «квантовой зимы», периода сокращения инвестиций, если практические результаты не принесут результатов. материализуется в ближайшем будущем.

В то время как технологическая отрасль работает над предоставлением квантовых преимуществ в продуктах и ​​услугах в ближайшем будущем, академические исследования по-прежнему сосредоточены на изучении фундаментальных принципов, лежащих в основе этой новой науки и технологий.

Эти текущие фундаментальные исследования, подпитываемые энтузиазмом новых и талантливых студентов, с которыми я встречаюсь почти каждый день, гарантируют, что эта область будет продолжать развиваться.

Дэниел Лидар, профессор электротехники, химии, физики и астрономии, Университет Южной Калифорнии em>

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.