В недавней статье Google, утверждающей, что квантовый компьютер выполнил определенные вычисления, которые задушат даже самый быстрый в мире классический суперкомпьютер, поднялось гораздо больше вопросов, чем было дано. Главный из них таков: когда появятся полноценные квантовые компьютеры, будем ли мы готовы?
Google достиг этого рубежа на фоне более отрезвляющей реальности: даже самые лучшие квантовые компьютеры на базе гейтов сегодня могут собрать только около 50 кубитов. Кубит, или квантовый бит, - это основная часть информации в квантовых вычислениях, аналогичная битам в классических вычислениях, но намного больше.
Квантовые компьютеры, основанные на затворах, работают с использованием логических элементов, но, в отличие от классических компьютеров, они используют врожденные свойства квантовой механики, такие как суперпозиция, интерференция и запутывание. Современные квантовые компьютеры настолько шумны и подвержены ошибкам, что информация в ее квантовом состоянии теряется в течение десятков микросекунд благодаря механизму, называемому декогеренцией, и неисправным вентилям .
Тем не менее, исследователи делают очевидный, хотя и медленный, прогресс в направлении более полезных кубитов. Возможно, через 10 или 20 лет мы достигнем цели создания надежных, крупномасштабных, устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров, способных решать широкий круг полезных задач.
Когда наступит этот день, что нам с ними делать?
У нас были десятилетия, чтобы подготовиться. В начале 1980-х годов американский физик Пол Бениофф опубликовал статью, демонстрирующую, что теоретически возможна квантово-механическая модель машины Тьюринга - компьютера. Примерно в то же время Ричард Фейнман утверждал, что моделирование квантовых систем в любом полезном масштабе на классических компьютерах всегда будет невозможно, потому что проблема будет слишком большой, слишком большой: требуемая память и время будут экспоненциально увеличиваться с объемом квантовой системы. На квантовом компьютере требуемые ресурсы будут расти гораздо менее радикально.
Фейнман действительно открыл область квантовых вычислений, когда предположил, что лучшим способом изучения квантовых систем является их моделирование на квантовых компьютерах. Симуляция квантовой физики приложение для квантовых компьютеров. Они не будут помогать вам транслировать видео на вашем смартфоне. Если можно построить большие отказоустойчивые квантовые компьютеры, они позволят нам исследовать странный мир квантовой механики до беспрецедентных глубин. Он следует другим правилам, чем мир, который мы наблюдаем в нашей повседневной жизни, и все же лежит в основе всего
На достаточно большом квантовом компьютере мы могли бы моделировать квантовые теории поля для изучения самой фундаментальной природы вселенной. В области химии и наноразмерных исследований, где доминируют квантовые эффекты, мы могли бы исследовать основные свойства материалов и разрабатывать новые, чтобы понять такие механизмы, как нетрадиционная сверхпроводимость. Мы могли бы моделировать и понимать новые химические реакции и новые соединения, которые могли бы помочь в открытии лекарств.
Углубившись в математику и теорию информации, мы уже разработали множество теоретических инструментов для выполнения этих задач, и алгоритмы идут дальше, чем технологии для создания реальных машин. Все начинается с теоретической модели квантового компьютера, которая устанавливает, как он будет использовать квантовую механику для выполнения полезных вычислений. Исследователи пишут квантовые алгоритмы для выполнения задачи или решения проблемы с использованием этой модели. Это в основном последовательность квантовых элементов вместе с измерением квантового состояния, которое обеспечивает желаемую классическую информацию.
Так, например, алгоритм Гровера показывает способ выполнить более быстрый поиск. Алгоритм Шора доказал, что большие квантовые компьютеры однажды смогут взломать системы компьютерной безопасности на основе RSA, метода, широко используемого для защиты, например, электронной почты и финансовых веб-сайтов по всему миру.
В моем исследовании, мои коллеги и я уже продемонстрировали очень эффективные алгоритмы для выполнения полезных вычислений и изучения физических систем. Мы также продемонстрировали один из методов в одном из первых мелкомасштабных квантовых симуляций системы электронов в квантовом информационном процессоре ядерного магнитного резонанса . Другие также следили за нашей работой и недавно смоделировали простые квантовые теории поля на шумных квантовых компьютерах промежуточного масштаба, доступных сегодня и в лабораторных экспериментах.
Пока мы ждем, пока аппаратные средства догонят теорию, исследователи в области квантовой информатики будут продолжать изучать и реализовывать квантовые алгоритмы, полезные для доступных в настоящее время шумных, неисправных машин. Но многие из нас также занимают более длинную позицию, углубляя теорию в пересечение квантовой физики, теории информации, сложности и математики и открывая новые рубежи для исследования, как только у нас появятся квантовые компьютеры, которые доставят нас туда.