Являются ли квантовые вычисления просто пирогом в небе?

У меня есть степень по информатике. Я работаю в сфере информационных технологий и занимаюсь этим уже много лет. В тот период «классические» компьютеры продвигались как на дрожжах. Теперь у меня в носке в спальне терабайтный дисковод, мой телефон обладает невероятной вычислительной мощностью, а компьютеры произвели революцию в нашей жизни.

Но, насколько я знаю, квантовые вычисления ничего не сделали. Более того, похоже, что так и останется. Квантовое вычисление существует уже сорок лет, и реальные вычисления оставили его в пыли. Посмотрите график в Википедии и спросите себя, где находится параллельный сумматор? Где эквивалент Атласа или MU5? Я пошел в Манчестерский университет, посмотреть историю в статье « Манчестерские компьютеры» в Википедии. Квантовые компьютеры не показывают подобного прогресса. Наоборот, похоже, они даже не оторвались от земли. Вы не будете покупать его в PC World в ближайшее время.

Сможете ли вы когда-нибудь? Это все ажиотаж и горячий воздух? Являются ли квантовые вычисления просто пирогом в небе? Неужели все это просто завтрашнее варенье, проданное квантовыми шарлатанами доверчивой публике? Если нет, то почему нет?

Являются ли квантовые вычисления просто пирогом в небе?

Пока это выглядит так. За последние три десятилетия мы агрессивно тянулись к этому пирогу, но без особого успеха. У нас сейчас есть квантовые компьютеры, но они не тот пирог, который мы хотели, это квантовый компьютер, который на самом деле может решить проблему быстрее или с большей энергетической эффективностью, чем классический компьютер.

Вы не будете покупать его в PC World в ближайшее время.

Сможете ли вы когда-нибудь?

Мы не можем предсказать будущее, но если бы мне пришлось угадывать прямо сейчас, я бы сказал «нет». Еще нет приложений, для которых квантовые вычисления были бы достаточно ценными. Вместо этого у нас могут быть квантовые компьютеры в небольшом числе специальных институтов, где проводятся очень специальные вычисления (например, суперкомпьютер под названием Titan в Национальной лаборатории Ок-Риджа или ускоритель циклотронных частиц, где проводятся специальные эксперименты).

Это все ажиотаж и горячий воздух?

К сожалению, это в основном шумиха.

Но приложения в квантовой химии действительно могут изменить игру. Вместо того, чтобы проводить физически кропотливые эксперименты с тысячами молекул-кандидатов для лекарств или удобрений, мы можем искать лучшие молекулы на компьютере. Молекулы ведут себя квантово-механически, и моделирование квантовой механики неэффективно на классических компьютерах, но на квантовых компьютерах. Большая часть инвестиций Google в QC направлена ​​на химические приложения [ 1 ].

Неужели все это просто завтрашнее варенье, проданное квантовыми шарлатанами доверчивой публике? Если нет, то почему?

К сожалению, многое из этого.

Вы, наверное, были одними из самых талантливых учеников в своем классе в Манчестерском университете. Возможно, вы заметили, что среди вас было всего несколько человек и большее количество посредственных и не очень посредственных учеников. Подобное явление наблюдается на уровне профессоров. Многие профессора не находят легким или «естественным» писать хорошо полученные предложения по грантам, но им нужно финансирование, чтобы сохранить свою работу и убедиться в том, что их докторская степень студенты не испытывают недостатка в научных конференциях и не имеют доступа к необходимому программному обеспечению.

Когда профессор становится:

• отчаянно нуждаются в финансировании, или

• столкнуться с другими проблемами в жизни, такими как необходимость заботиться о ребенке с раком, или

• осознавая, что они не сделают огромных научных открытий, как это делали некоторые ученые 100 лет назад, жизнь становится больше о выживании, сохранении счастливой семьи и выполнении того, что им нравится, а не в создании лучшего мира для внуков своих внуков. Как профессор, я могу вам сказать, что многие из моих коллег не настолько «благородны», как публика часто воспринимает ученых.

Я знаю около 1000 человек, имеющих финансирование для работы в области квантовых вычислений, и ни один из них не имеет дурных намерений обмануть «доверчивую публику» каким-то зловещим образом. Большинство из нас просто подают заявки на гранты, доступные через наши университеты или через наши правительства, и мы не намерены преувеличивать важность нашей работы так же, как другие ученые, конкурирующие за те же деньги (мы должны конкурировать с физиками-молекулярными физиками, притворяющимися их работой. важно для исправления изменения климата только потому, что молекула, над которой они работают, находится в нашей атмосфере, или биофизики, притворяющиеся, что их работа может вылечить рак, просто потому, что они работают над молекулой, которая видна в теле).

Большая часть «ажиотажа» вокруг квантовых вычислений исходит от СМИ. Журналисты исказили содержание моих статей, чтобы сделать привлекательные заголовки, которые получат больше кликов по их рекламе, а их боссы заставят их сделать это, иначе они потеряют свою работу для другого стажера, которому это безразлично. о том, чтобы быть честным.

Некоторые из шумихи происходят от самих ученых, многие из которых действительно верят, что квантовые вычисления будут революционными, потому что их доктор философии. У супервайзера не было хорошего образования (помните, что Манчестерский университет - один из лучших в мире, а большинство университетов даже не близко), или, может быть, в редких случаях появляется реклама людей, отчаянно нуждающихся в финансировании, но не очень по причинам кроме этих.

Я действительно считаю, что общественность должна немного инвестировать в квантовые вычисления, как они делают для многих других областей исследований, которые не имеют гарантированного положительного результата. Обман часто преувеличивают журналисты, невежественные ученые или невежественные ученые, которые думают, что они нужны для выживания. Также несправедливо жесткая критика со стороны журналистов и финансирующих учреждений.

Все, что вы сказали в своем вопросе, неверно.
Я только что дал несколько причин, почему они верны.

Я постараюсь подойти к этому с нейтральной точки зрения. Ваш вопрос является своего рода «основанным на мнении», но, тем не менее, необходимо сделать несколько важных замечаний. Теоретически , пока нет убедительных аргументов в пользу того, почему квантовые компьютеры практически не реализуемы. Но, не забудьте проверить: как работают квантовые компьютеры: квантовые коды, корреляции в физических системах и накопление шума - Гил Калай , и соответствующее сообщение в блоге Скотта Ааронсона, где он приводит некоторые убедительные аргументы против утверждений Калаи. Кроме того, прочитайте ответ Джеймса Уоттона на соответствующий пост QCSE: звучит ли аргумент Гила Калаи против топологических квантовых компьютеров?

Математическое переполнение имеет большое резюме: о математических аргументах против квантовых вычислений .

Однако да, конечно, есть инженерные проблемы .

Проблемы (адаптировано из arXiv: cs / 0602096 ):

• Чувствительность к взаимодействию с окружающей средой. Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к взаимодействию с окружающей средой, поскольку любое взаимодействие (или измерение) приводит к коллапсу функции состояния. Это явление называется декогеренцией. Очень трудно выделить квантовую систему, особенно специально разработанную для вычислений, без того, чтобы она не запуталась в окружающей среде. Чем больше число кубитов, тем сложнее поддерживать согласованность.

  [Далее: Википедия: Квантовая декогеренция ]

• Ненадежные действия квантовых ворот. Квантовые вычисления на кубитах выполняются путем работы с ними с помощью массива преобразований, которые в принципе реализуются с использованием маленьких вентилей. Крайне важно, чтобы в этих преобразованиях не было фазовых ошибок. Но практические схемы могут привести к таким ошибкам. Также возможно, что квантовый регистр уже запутался с окружением еще до начала вычисления. Кроме того, неопределенность в начальной фазе делает калибровку по операции вращения неадекватной. Кроме того, необходимо учитывать относительное отсутствие точности в классическом управлении, которое реализует матричные преобразования. Это отсутствие точности не может быть полностью компенсировано квантовым алгоритмом.

• Ошибки и их исправление. Классическое исправление ошибок использует избыточность. Самый простой способ - хранить информацию несколько раз, и - если впоследствии выясняется, что эти копии не согласны, - просто принять большинство голосов; Например, предположим, что мы копируем немного три раза. Предположим далее, что шумовая ошибка повреждает трехбитовое состояние, так что один бит равен нулю, а два других равны одному. Если предположить, что шумовые ошибки независимы и возникают с некоторой вероятностью$p$, наиболее вероятно, что ошибка является однобитовой ошибкой, а переданное сообщение - тремя. Возможно, что произошла двухбитовая ошибка, и переданное сообщение равно трем нулям, но этот результат менее вероятен, чем вышеуказанный результат. Копирование квантовой информации невозможно из-за теоремы об отсутствии клонирования. Эта теорема, по-видимому, является препятствием для формулировки теории квантовой коррекции ошибок. Но можно распространить информацию одного кубита на сильно запутанное состояние нескольких (физических) кубитов. Питер Шор впервые открыл этот метод формулирования кода с квантовой коррекцией ошибок, храня информацию об одном кубите в сильно запутанном состоянии из девяти кубитов. Однако код (ы) квантовой коррекции ошибок защищает квантовую информацию от ошибок только некоторых ограниченных форм. Также, они эффективны только для ошибок в небольшом количестве кубитов. Более того, количество кубитов, необходимое для исправления ошибок, обычно не хорошо масштабируется с количеством кубитов, в которых действительно происходит ошибка.

  [Далее: Википедия: Квантовая коррекция ошибок ]

• Ограничения при подготовке состояний. Подготовка состояний - это важный первый шаг, который необходимо рассмотреть перед началом любого квантового вычисления. В большинстве схем кубиты должны находиться в определенном состоянии суперпозиции, чтобы квантовые вычисления выполнялись правильно. Но создание произвольных состояний точно может быть экспоненциально сложным (как по времени, так и по сложности ресурса (шлюза)).

• Квантовая информация, неопределенность и энтропия квантовых ворот: классическую информацию легко получить посредством взаимодействия с системой. С другой стороны, невозможность клонирования означает, что любое конкретное неизвестное состояние не может быть определено. Это означает, что, если система не была специально подготовлена, наша способность контролировать ее остается ограниченной. Средняя информация о системе определяется ее энтропией. Определение энтропии будет зависеть от статистики, которой подчиняется объект.

• Требование к низким температурам . Некоторые архитектуры квантовых вычислений, такие как сверхпроводящие квантовые вычисления, требуют чрезвычайно низких температур (близких к абсолютному нулю) для функционирования.

Прогресс:

• Примерно полтора десятилетия назад время декогеренции так называемых «квантовых компьютеров» было меньше 1 наносекунды. Теперь версия кубита IBM Quantum Experience 16, к которой вы можете получить доступ в Интернете, имеет время декогеренции ~ 100 мкс (см .: Демонстрация изучения энвариантности и четности на процессоре IBM 16 Qubit (Davide Ferrari & Michele Amoretti, 2018) ). Время декогеренции 100 мкс уже достаточно для запуска простых квантовых алгоритмов! Вы можете проверить это самостоятельно на 5-кубитовых и 16-кубитовых квантовых компьютерах, которые IBM сделала доступными онлайн. Я думаю, что Google удалось добиться еще лучшего времени декогеренции с помощью своих сверхпроводящих чипов (имеющих эквивалентное количество кубитов).

  • В последнее десятилетие было много улучшений в области квантовой коррекции ошибок (что требовало гораздо меньшего числа полных кубитов). См. Квантовая коррекция ошибок для квантовых воспоминаний (Terhal, 2015) для краткого обзора.

  Также цитируем: Википедия: Квантовая коррекция ошибок - Экспериментальная реализация :

  Было несколько экспериментальных реализаций кодов на основе CSS. Первая демонстрация была с кубитами ЯМР. Впоследствии были продемонстрированы линейная оптика, захваченные ионы и сверхпроводящие (трансмонитовые) кубиты. Также были реализованы другие коды с исправлением ошибок, такие как код, нацеленный на исправление потери фотонов, основной источник ошибок в схемах фотонных кубитов.

  • Подготовка произвольных квантовых состояний все еще является серьезной проблемой. Но теперь, по крайней мере, мы знаем точное разложение ворот для любой унитарной эволюции (подготовка квантового состояния с разложением универсальных ворот (Plesch & Brukner, 2011) ), хотя число ворот обычно плохо масштабируется с количеством кубитов. Произошли дальнейшие улучшения, такие как подготовка квантового состояния высокой точности с использованием соседнего оптимального управления (Yuchen Peng & Frank Gaitan, 2017) . О некоторых других недавно разработанных высокоточных методах подготовки состояний см . Подготовка состояний в квантовой механике (Fröhlich, 2016) и Подготовка квантового состояния (Ali et al., 2017) .

  • Одним из основных ограничений, которые у нас есть, является количество кубитов (обратите внимание, что эта проблема неразрывно связана с трудностью поддержания когерентности в течение длительных периодов времени по сравнению с котом Шредингера, сложностью макроскопического состояния суперпозиции и превосходным ответом в ней). Ни один из современных квантовых компьютеров не является достаточным, чтобы продемонстрировать какое-либо значительное улучшение «возможностей» по сравнению с классическими компьютерами. Наибольшее число, разложенное квантовым компьютером до настоящего времени, составляет 291311 (Высокоточные адиабатические квантовые вычисления с использованием собственного гамильтониана спиновой системы: приложение к экспериментальной факторизации 291311 (Li et al., 2017)). Факторизация методом грубой силы 291311 занимает максимум ~ 270 делений, каждое из которых занимает ~ 10 нс на современных процессорах. Это всего 3 человека, что означает, что на вашем ноутбуке факторизация будет на несколько порядков быстрее. Практическое улучшение сложности времени не будет заметно до тех пор, пока число кубитов не увеличится по крайней мере в 10 раз (я не рассматриваю машины D-Wave с более чем 1000 кубитами, поскольку они используют другой известный механизм как квантовый отжиг, который эффективен только в нескольких узких областях проблем). Но, возможно, даже число кубитов неуклонно растет. Недавно Google анонсировал 72-битную машину ( блог AI AI: предварительный обзор Bristlecone, нового квантового процессора Google ), а Intel анонсировала 49-кубитную микросхему (IEEE Spectrum :: CES 2018: 49-кубовый чип Intel для квантового превосходства ). Сравните это с 2000-ми годами, когда у нас было только однозначное число кубитов!

  • За последние несколько десятилетий было открыто несколько архитектур квантовых вычислений, для которых температуры, близкие к абсолютному нулю, не нужны , например, оптические квантовые компьютеры, квантовые компьютеры с запертыми ионами, квантовые компьютеры на основе алмаза и т. Д. Ср. Почему оптические квантовые компьютеры не должны находиться вблизи абсолютного нуля, в то время как сверхпроводящие квантовые компьютеры делают это?

Заключение:

Будем ли мы когда-либо иметь эффективные квантовые компьютеры, которые смогут заметно превзойти классические компьютеры в определенных областях - это то, что скажет только время. Однако, глядя на значительный прогресс, которого мы добились, вероятно, было бы не слишком неправильно сказать, что через пару десятилетий у нас должны быть достаточно мощные квантовые компьютеры. С теоретической стороны, мы еще не знаем, существуют ли классические алгоритмы (могут), которые будут соответствовать квантовым алгоритмам с точки зрения сложности времени. Смотрите мой предыдущий ответ по этому вопросу. С чисто теоретической точки зрения было бы также чрезвычайно интересно, если бы кто-то мог доказать, что все проблемы BQP лежат в BPP или P!

Я лично верю, что в ближайшие десятилетия мы будем использовать комбинацию квантовых вычислительных технологий и классических вычислительных технологий (т. Е. Либо ваш ПК будет иметь как классические аппаратные компоненты, так и квантовое аппаратное обеспечение, или квантовые вычисления будут полностью облачными, и вы Доступ к ним будет возможен только с классических компьютеров). Потому что помните, что квантовые компьютеры эффективны только для очень узкого круга задач. Было бы довольно ресурсоемким и неразумным делать сложения типа 2 + 3 с использованием квантового компьютера (см. Как квантовый компьютер выполняет базовую математику на аппаратном уровне? ).

Теперь перейдем к вопросу о том, не тратят ли впустую национальные средства на попытки создать квантовые компьютеры . Мой ответ НЕТ ! Даже если нам не удастся создать законные и эффективные квантовые компьютеры, мы все равно многого добьемся в плане технического прогресса и научного прогресса . Исследования в области фотоники и сверхпроводников уже многократно возросли, и мы начинаем понимать многие физические явления лучше, чем когда-либо прежде. Более того, квантовая теория информации и квантовая криптография привели к открытию нескольких изящных математических результатов и методов, которые могут быть полезны и во многих других областях (ср.Физика SE: ​​математически сложные области в квантовой теории информации и квантовой криптографии ). Мы также узнаем намного больше о некоторых из самых сложных проблем теоретической информатики к тому времени (даже если нам не удастся построить «квантовый компьютер»).

Источники и ссылки:

1. Трудности в реализации квантовых компьютеров (Поннат, 2006)

2. Википедия: Квантовые вычисления

3. Википедия: Квантовая коррекция ошибок

Приложение:

После небольшого поиска я нашел очень хорошую статью, в которой изложены почти все контраргументы Скотта Ааронсона против скептицизма в области квантовых вычислений. Я очень рекомендую пройтись по всем пунктам, приведенным там. Это на самом деле часть 14 из конспектов выстроенных Ааронсон на своем сайте. Они были использованы для курса PHYS771 в университете Ватерлоо. Примечания к лекциям основаны на его популярном учебнике « Квантовые вычисления с Демокрита» .

Классические вычисления существуют дольше, чем квантовые. Первые годы классических вычислений похожи на то, что мы переживаем сейчас с квантовыми вычислениями. Z3 (Первый Тьюринг электронного устройство) , построенный в 1940 - х годах был размером комнаты и менее мощным , чем телефон. Это говорит о феноменальном прогрессе, которого мы достигли в классических вычислениях.

Рассвет квантовых вычислений, с другой стороны, начался только в 1980-х годах . Алгоритм факторинга Шора; открытие, которое положило начало этой области, было открыто в 1990-х годах . Это последовало несколько лет спустя с первой экспериментальной демонстрацией квантового алгоритма.

Есть доказательства того, что квантовые компьютеры могут работать. Ежегодно наблюдается огромный прогресс в экспериментальных и теоретических аспектах этой области, и нет никаких оснований полагать, что это остановится. Пороговая теорема Quantum утверждает , что крупномасштабные квантовые вычисления возможно , если частота ошибок для физических ворот ниже определенного порога. Мы приближаемся (некоторые утверждают, что мы уже там) к этому порогу для небольших систем.

Хорошо скептически относиться к полезности квантовых вычислений. На самом деле, это поощряется! Также естественно сравнивать прогресс квантовых вычислений с классическими вычислениями; забывая, что квантовые компьютеры сложнее построить, чем классические компьютеры.

Ранние классические компьютеры были построены с использованием существующих технологий. Например, вакуумные трубки были изобретены примерно за четыре десятилетия до того, как их использовали для изготовления Колосса.

Для квантовых компьютеров нам нужно изобрести технологию, прежде чем мы сделаем компьютер. И технология настолько за пределами того, что существовало ранее, что только этот шаг занял несколько десятилетий.

Теперь у нас в значительной степени есть наши квантовые версии вакуумных трубок. Так что ожидайте Колосса через десять лет или около того.

TL, DR: инженерные и физические аргументы уже были сделаны. Я добавляю историческую перспективу: я утверждаю, что области квантовых вычислений действительно чуть больше двух десятилетий, и что нам потребовалось более трех десятилетий, чтобы создать нечто вроде MU5.

Поскольку вы упомянули временную шкалу, давайте ближе рассмотрим:

Начала

Прежде всего, простая возможность создания чего-то вроде квантового компьютера была озвучена Ричардом Фейнманом на западе (1959 или 1981, если хотите) и Юрием Маниным на востоке (1980). Но это просто идея. Реализация не начинается.

Когда подобные вещи происходили с классическими вычислениями? Ну, очень давно. Чарльз Бэббидж, например, уже хотел создавать вычислительные машины в начале 19-го века, и у него уже были идеи. Паскаль, Лейбниц, у них всех были идеи. Аналитическая машина Бэббиджа 1837 года, которая так и не была построена из-за финансовых и инженерных проблем (кстати, предшественник аналитической машины была построена с помощью Lego ), безусловно, является самой недавней первой идеей, которая уже намного превосходит то, что Фейнман и Манин предложили для квантовые вычисления, потому что они предлагают конкретную реализацию.

70-е не видят ничего, связанного с квантовым компьютером. Придумано несколько кодов, сделаны некоторые теоретические основы (сколько информации можно сохранить?), Что необходимо для qc, но на самом деле это не преследует идею квантового компьютера.

Коды и связанные с коммуникацией идеи предназначены для квантовых вычислений, как телефоны и телеграфные провода для классических вычислений: важный предшественник, но не компьютер. Как вы знаете, азбука Морзе и телеграф являются технологиями 19-го века, и более сложные коды для шумных каналов также были изучены. Математическая основа (с точки зрения не-теорем и т. П.) Была сделана в 1948 году Шенноном.

В любом случае, можно утверждать, что перфокарты были разработаны в 1804 году для ткачества , но я не хочу утверждать, что это действительно начало классического вычисления.

Универсальные (квантовые) компьютеры

Итак, когда начались вычисления? Я собираюсь утверждать, что вам нужно несколько вещей, чтобы получить исследование универсальных вычислений с земли; до этого количество людей и вложенных денег будет ограничено.

1. Вам нужно понятие универсального компьютера и теоретическая модель того, чего нужно достичь.
2. Вам нужна архитектура для реализации универсального компьютера - на теоретическом уровне.
3. Вам нужна реальная система, в которой вы могли бы ее реализовать.

Когда мы получим их в квантовых вычислениях?

• Дойч описывает универсальный квантовый компьютер в 1985 году (33 года назад).
• Контурные модели и ворота разрабатываются примерно в одно и то же время.
• Первая полная модель того, как собрать все воедино, была предложена Чираком и Золлером в 1994 году (всего 24 года назад).

Все другие достижения в квантовых вычислениях до или в течение этого времени были ограничены криптографией, квантовыми системами в целом или другой общей теорией.

Как насчет классических вычислений?

• У нас есть работы Тьюринга на машинах Тьюринга (1936) или работы Черча (в то же время).
• Современная архитектура опирается на модель фон Неймана (1945); существуют другие архитектуры.
• Как модель, цифровая схема была разработана в 1937 году Шенноном.

Итак, в 1994 году мы находимся в сопоставимом с 1937 годом состоянии:

• Есть несколько человек, делающих теоретическую основу, и основа уже сделана.
• Есть немало людей, выполняющих инженерные работы по фундаментальным вопросам, которые не имеют прямого отношения, но очень полезны для построения (квантового) компьютера.
• И поле, как правило, не такое большое и хорошо финансируемое.
• Но: с этой даты финансирование и люди начинают вливаться в поле.

Поле взлетает

Для классических вычислений это иллюстрируется количеством различных «первых компьютерных систем» на временной шкале Википедии. Было несколько исследовательских групп, по крайней мере, в Германии, Англии и Соединенных Штатах в нескольких местах (например, Манчестер и Блетчли Парк в Великобритании, и это лишь некоторые из них). Деньги военного времени были направлены на вычисления, потому что это было необходимо, например, для разработки ядерной бомбы (см. Счета в Лос-Аламосе).

Для квантовых вычислений, см., Например, этот комментарий :

Сфера QIS начала взрывной рост в начале и середине 1990-х годов как следствие нескольких одновременных стимулов: Питер Шор продемонстрировал, что квантовый компьютер может очень эффективно вычислять очень большие числа. Полупроводниковая индустрия осознала, что усовершенствование компьютеров по закону Мура слишком скоро достигнет квантового предела, что потребует радикальных изменений в технологии. Достижения в области физических наук привели к образованию захваченных атомных ионов, усовершенствованных оптических полостей, квантовых точек и многих других достижений, которые позволили рассмотреть возможность создания работоспособных устройств квантовой логики. Кроме того, необходимость в безопасных коммуникациях побудила исследования квантовых коммуникационных схем, которые были бы защищены от подделки.

В целом, со времени, когда теоретические основы современных компьютеров были заложены к тому моменту, когда появились первые компьютеры (Zuse 1941, Manchester 1948, если назвать только два), потребовалось около десятилетия. Точно так же потребовалось около десяти лет для первых систем, выполняющих какие-то универсально программируемые вычисления с квантовыми системами. Конечно, их возможности ниже, чем у первых манчестерских компьютеров, но все же.

Двадцать лет спустя, мы медленно наблюдаем взрывной рост технологий, и многие фирмы участвуют. Мы также видим появление новых технологий, таких как транзистор (впервые обнаружен в 1947 году).

Точно так же, спустя 20 лет после начала квантовых вычислений мы видим серьезный выход частных компаний на рынок, с Google, IBM, Intel и многими другими. Когда я был на моей первой конференции в 2012 году, их участие все еще было академическим, сегодня оно носит стратегический характер. Аналогичным образом, в 2000-х годах мы увидели предложение множества различных систем квантовых вычислений, таких как сверхпроводящие кубиты, которые составляют основу самых совершенных чипов трех компаний, упомянутых выше. В 2012 году никто не мог утверждать, что у него была несколько надежная система с несколькими физическими кубитами. Сегодня, всего шесть лет спустя, IBM позволяет вам играть с их очень надежными 16 кубитами (5, если вы действительно только хотите поиграть), и Google заявляет, что тестирует систему с 72 кубитами, как мы говорим.

Да, у нас еще есть какой-то путь к созданию надежного крупномасштабного квантового компьютера с возможностями исправления ошибок, и компьютеры, которые у нас сейчас есть, слабее, чем классические компьютеры, которые у нас были в 60-х, но я (как другие объясняют в другие ответы) считаю, что это связано с уникальными инженерными проблемами. Существует небольшая вероятность, что это связано с физическими ограничениями, о которых мы понятия не имеем, но если это так, учитывая текущий прогресс, мы должны знать об этом не позднее, чем через пару лет.

Какой у меня смысл здесь?

• Я утверждал, что причина того, что мы еще не видим квантовый компьютер MU5, также связана с тем, что поле еще не настолько старое, и до недавнего времени не уделяло так много внимания.
• Я утверждаю, что с современной точки зрения казалось, что классические компьютеры стали очень хорошими очень быстро, но это пренебрегает десятилетиями предшествующей работы, когда развитие и рост казались не такими быстрыми.
• Я утверждаю, что если вы верите (как и почти все в этой области), что первоначальные инженерные проблемы, с которыми сталкиваются квантовые компьютеры, сложнее, чем с классическими компьютерами, то вы увидите очень сопоставимую траекторию исследований и инноваций с одним из классических компьютеров. , Конечно, они несколько отличаются, но основные идеи того, как это происходит, похожи.

Чтобы ответить на часть вопроса, «куплю ли я когда-нибудь квантовый компьютер» и т. Д. Я думаю, что есть фундаментальное недоразумение.

Квантовые вычисления - это не просто классические вычисления, а более быстрые. Квантовый компьютер решает определенные проблемы за короткое время, которое заняло бы у классического суперкомпьютера тысячу лет. Это не преувеличение. Но обычные виды вычислений, добавление чисел, перемещение битов для графики и т. Д. Это все еще будут просто классические вычисления.

Если бы технология могла когда-либо быть миниатюрной (я не знаю), это могло бы быть что-то более похожее на MMU или видеокарту. Дополнительная функция для вашего классического компьютера, а не замена. Точно так же высококачественная видеокарта позволяет вашему компьютеру делать то, что он не сможет (в разумные сроки) с основным процессором, квантовый компьютер позволяет выполнять другие виды операций, которые в настоящее время не могут быть выполнены.

Я рекомендую вам хотя бы отсканировать первый абзац страницы « Принципы работы » на странице Википедии по квантовым вычислениям.

Когда вы спрашиваете, действительно ли это пирог в небе, это скорее зависит от того, что, по вашему мнению, квантовые технологии пытаются выполнить. И это зависит от того, кто эти обещания делают.

Подумайте, почему вы даже знаете о квантовых вычислениях, учитывая, что им еще не удалось создать какие-либо устройства (или, если быть более точным, не очень много ), которые напоминают мощное компьютерное оборудование. Откуда вы слышите об этом, откуда волнение? Я готов поспорить, что даже если вы будете присутствовать на каждом академическом выступлении о квантовых вычислениях, с которым вам лично удастся справиться, не очень много из того, что вы слышите о квантовых вычислениях, исходит от ученых. Скорее всего, вы много слышите о квантовых вычислениях из источников, которые больше заинтересованы в волнении, чем в фактах.

Есть некоторые корпоративные источники, которые делают более или менее грандиозные заявления о том, что может или может сделать их квантовое аппаратное обеспечение; и прошло уже более десяти лет. Между тем, существует большое сообщество людей, которые просто пытаются добиться осторожного прогресса и не тратят слишком много энергии, давая обещания, которые они не могут выполнить. От кого вы услышали больше?

Но даже если учесть, что стороны, наиболее ответственные за волнение квантовых вычислений, - это определенные виды журналов и веб-сайтов с особыми интересами, которые в качестве источников информации похожи на рыночных продавцов вафель: они торгуют в основном сладкими парообразными ароматами, а не чем-то с вещество и укус. Привлекающая внимание рекламная индустрия, а не академическое сообщество, является главной причиной, по которой возникают такие расплывчатые ожидания квантовых вычислений. Они даже не заботятся о квантовых вычислениях в принципе: это одно из нескольких волшебных заклинаний, которыми можно удивить толпу, вызвать мечты о пироге в небе, а тем временем заработать деньги у какой-то другой компании за одну лишь возможность объявление было видно в течение полсекунды. Этоиндустрия активно занимается продажей воздушной выпечки как своим клиентам, так и аудитории. Но значит ли это, что мир обязан летать фиговые рулоны тех, кто на самом деле работает над квантовыми технологиями? Достаточно сложно выполнить то, что, по нашему мнению, возможно, возможно сделать - что является более скромным, но все же стоит.

Среди моих академических коллег (теоретиков-компьютерщиков и физиков-теоретиков) вопиющая дезинформация о квантовых вычислениях среди населения является источником значительного разочарования. Большинство из нас верит, что будет возможно построить квантовый компьютер, и большинство из тех, кто также верит, что оно будет иметь значительные экономические последствия. Но никто из нас не ожидает, что это перевернет мир с ног на голову через пять-десять лет, и мы не ожидали, что за последние пятнадцать лет станет модным говорить, что у нас будут массивные квантовые компьютеры "в пять-десять лет ". Я всегда говорил, что надеюсь увидеть последствия в моей жизни, а недавняя деятельность заставила меня надеяться увидеть это в течение двадцати лет - но даже тогда вы не пойдете в магазин, чтобы купить его,

Никто из нас не ожидает, что это позволит вам легко решить задачу коммивояжера или тому подобное. Способность анализировать проблемы в квантовой химии и квантовых материалах - это оригинальное и в краткосрочной перспективе все еще лучшее, перспективное применение квантовых вычислений, и оно может быть там революционным; и, возможно, в долгосрочной перспективе мы сможем обеспечить надежные и существенные улучшения на практике для задач оптимизации. (D-Wave утверждает, что они уже могут делать это на практике со своими машинами: жюри все еще отсутствует среди ученых, оправдано ли это утверждение.)

Дьявол этого в том, чтобы объяснить, что вы действительно можете ожидать от теории и развития квантовых вычислений, вы должны как-то объяснить небольшую квантовую механику. Это нелегко, и, как и в случае с чем-либо сложным, в большом мире мало терпения для нюансов понимания, особенно когда «альтернативные факты» в форме шумихи со вкусом конфет «якавов» сильно распространяются в семи лига сапоги.

Правда - о том, что могут сделать квантовые вычисления и что они, вероятно, не позволят вам телепортироваться по всему миру и не решит мировой голод или хаос авиакомпаний одним махом - скучна. Но значительных успехов в области химии и материаловедения нет. Не говоря уже о приложениях, еще не разработанных: насколько легко вы можете экстраполировать с компьютеров на базе оборудования, чтобы помочь надежно рассчитать налоги или вычислить логарифмические таблицы для проектирования самолета ?

Сроки классической вычислительной техники простираются задолго до 19 века. У нас есть представление о том, как попытаться изменить этот путь с помощью квантовых технологий, и у нас есть представление о том, какие дивиденды могут быть возможны, если мы это сделаем. По этой причине мы надеемся воспроизвести разработку на полезных компьютерных технологиях в гораздо более быстрый промежуток времени, чем 370 с лишним лет от сумматоров Паскаля до наших дней. Но это будет не так быстро, как обещали некоторые люди, особенно те, кто на самом деле не несет ответственности за выполнение этих «обещаний».

Несколько замечаний.

" Где параллельный сумматор? "

• У нас нет больших устройств, которые выполняют сложение квантовыми компьютерами, но у нас есть некоторые люди, работающие над схемами быстрого сложения в квантовых компьютерах - некоторые из того, что придется делать квантовым компьютерам, будут включать более обычные операции с данными в суперпозиции.

" Где эквивалент Атласа или MU5? "

• Честно говоря, мы все еще работаем над первым надежным квантовым аналогом сумматора Паскаля. Я надеюсь, что подход проекта NQIT (раскрытие: я участвую в нем, но не в качестве экспериментатора) в создании небольших высококачественных модулей, которые могут обмениваться запутанностью, станет путем к быстрому масштабированию посредством массового производства. из модулей, в этом случае мы могли бы перейти от сумматора Паскаля, в Коллос, в Атлас, и за его пределами в течение нескольких лет. Но только время покажет.

« Похоже, что они даже не сдвинулись с мертвой точки. Вы не будете покупать их в PC World в ближайшее время ».

• Это совершенно верно. Однако, если вам когда-либо сказали ожидать другого, скорее всего, это вина PC World (или, честно говоря, конкурентов PC World на рынке для ваших подписных денег как энтузиастов технологий), чем наша. Любой ответственный исследователь скажет вам, что мы прилагаем все усилия для создания первых серьезных прототипов устройств.

« Сможете ли вы когда-нибудь купить [квантовый компьютер в мире ПК]? »

• Сможете ли вы когда-нибудь купить Cray in PC World? Хотели бы вы? Возможно, нет. Но ваш университет может захотеть, и серьезные компании могут захотеть. Помимо этого - дикие предположения - я не вижу, как квантовый компьютер улучшил бы обработку текста. Но опять же, я сомневаюсь, что Бэббидж когда-либо предполагал, что что-то похожее на его механизм различий будет использоваться для составления писем.

TL; DR : я работаю над теорией квантовых компьютеров около 15 лет. Я не видел ничего убедительного, чтобы сказать, что они не будут работать. Конечно, единственное реальное доказательство того, что они могут работать, - это создать его. Это происходит сейчас. Однако то, что будет делать квантовый компьютер и почему мы хотим его, не соответствует общественному восприятию.

Являются ли квантовые вычисления просто пирогом в небе? Неужели все это просто завтрашнее варенье, проданное квантовыми шарлатанами доверчивой публике?

Как «квантовый шарлатан» (спасибо за это), конечно, я скажу вам, что все это реалистично. Но эта теория является звук. Пока квантовая механика верна, теория квантовых вычислений верна, и существуют эффективные алгоритмы для квантовых компьютеров, для которых мы не знаем, как эффективно вычислить решение на классическом компьютере. Но я не думаю, что что-то, что я здесь напишу, может убедить скептика. Либо вам нужно сесть и изучить все детали самостоятельно, либо подождать и посмотреть.

Конечно, квантовая механика - это всего лишь теория, которая может быть заменена в любое время, но ее предсказания уже применяются для объяснения окружающего нас мира. Квантовые компьютеры не подталкивают теорию к непроверенному режиму, в котором мы могли бы надеяться, что будут неожиданные результаты (именно на это действительно надеются физики, потому что именно здесь вы начинаете видеть намеки на новую физику). Например, квантовая механика уже применяется к системам с конденсированным веществом, состоящим из гораздо большего числа составляющих, чем мы говорим о кубитах в ближайшем квантовом компьютере. Просто нам нужен беспрецедентный уровень контроля над ними. Некоторые люди думают, что у них есть аргументы, почему квантовый компьютер не работает, но я не нашел ничего особенно убедительного в аргументах, которые я прочитал.

Это все ажиотаж и горячий воздух?

Вокруг квантовых компьютеров много ажиотажа. Я бы сказал, что это происходит из двух основных источников:

• популярное представление квантовых вычислений в основных средствах массовой информации и массовой культуре (например, научно-фантастические книги). Спросите любого, кто активно работает над квантовыми вычислениями, я думаю, что они все согласятся, что они плохо представлены, создавая впечатление, что это универсальное решение, которое заставит все работать быстрее, что, по крайней мере, на данный момент, не так. Завтра было какое-то застревание, доведенное до легковерной публики, но это больше из-за попытки «потеряться в переводе», чтобы чрезмерно упростить то, что происходит, в основном посредниками-неспециалистами.

• сами исследователи. В течение последних 20 лет люди обещали, что квантовые вычисления находятся за горизонтом, и они так и не были полностью реализованы. Вполне разумно, что наблюдатели устали от этого. Тем не менее, моя перспектива в этой области заключается в том, что многие люди, утверждающие, что работают над квантовыми компьютерами, не были. По мере того, как финансирующие организации все более требовательны к «почему» для исследований и к обеспечению «воздействия», квантовые вычисления стали популярностью для многих экспериментаторов, даже если они на самом деле не заинтересованы в том, чтобы что-то делать для квантового компьютера. Если был какой-то способ, которым они могли искажать то, что они делают, чтобы это имело отношение к квантовым вычислениям, они имели тенденцию делать это. Это не значит, что квантовые вычисления могут не должно быть сделано, это просто не было так много внимания, как предполагалось. Возьмем, на несколько ином уровне, взрыв квантовой теории информации. Мало кто из теоретиков активно работал над теорией квантовых компьютеров и над тем, как заставить их работать (это не значит, что они не занимались интересными вещами).

Тем не менее, сейчас мы достигли критической массы, когда неожиданно появилось много инвестиций в создание квантовых компьютеров, и связанные с ними технологии, реальность и другие вещи начинают двигаться. Мы, кажется, просто достигли точки, с устройствами около 50 кубитов, что мы могли бы достичь «квантового превосходства» - выполнения вычислений, результаты которых мы не можем реально проверить на классическом компьютере. Частично проблема в достижении этого была вышеупомянутым быстрым прогрессом классических вычислений. Учитывая тип прогресса закона Мура, приводящий к экспоненциальному улучшению классической вычислительной мощности, это был постоянно меняющийся план того, что нам нужно достичь, чтобы быть убедительным.

Квантовые компьютеры не показывают подобного прогресса. Наоборот, похоже, они даже не оторвались от земли.

Дело в том, что это трудно сделать, и потребовалось много времени, чтобы понять основные технологии. Это немного несовершенное сравнение, но это не так уж плохо: подумайте о литографических процессах, которые используются для изготовления процессоров. Их развитие было прогрессивным, создавая все меньшие и меньшие транзисторы, но прогресс замедлялся, поскольку с каждым разом все труднее справляться с квантовыми эффектами, которые мешают. Квантовые компьютеры, с другой стороны, в сущности пытаются перешагнуть через все это прогрессивное усовершенствование и сразу перейти к конечному, конечному результату: одноатомным транзисторам (своего рода). Возможно, это дает некоторый уровень понимания того, с чем пытаются бороться экспериментаторы?

Вы не будете покупать его в PC World в ближайшее время. Сможете ли вы когда-нибудь?

Не ясно, что вы бы даже хотели. В настоящее время мы ожидаем, что квантовые компьютеры будут полезны для определенных, очень специфических задач. В этом случае, возможно, мы предполагаем несколько мощных централизованных квантовых компьютеров, которые выполняют эту конкретную работу, и большинство людей будут продолжать использовать классические компьютеры. Но поскольку вы хотите провести аналогии с разработкой классических компьютеров, то (согласно Википедии) именно в 1946 году сэр Чарльз Дарвин (внук известного натуралиста), глава Британской национальной физической лаборатории, написал:

вполне возможно, что ... одной машины хватило бы для решения всех проблем, которые от нее требовались от всей страны

(варианты этого приписывают людям как Уотсон). Это очень явно не так. Реальность состояла в том, что, как только компьютеры стали широко доступны, для них было найдено дальнейшее использование. Это может быть то же самое для квантовых компьютеров, я не знаю. Еще одна причина, по которой вы не купите квантовый компьютер в магазине, это его размер. Ну, фактические устройства обычно крошечные, но все сопряженное оборудование и, особенно, охлаждение занимают все пространство. По мере совершенствования технологии она сможет работать при все более высоких температурах (посмотрите, например, на прогресс высокотемпературной сверхпроводимости по сравнению с первоначальными температурами, которые должны были быть достигнуты), что снизит требования к охлаждению.

Почему вы ожидаете, что две разные технологии будут развиваться с одинаковой скоростью?

Проще говоря, квантовые компьютеры могут быть гораздо более мощными, но создавать их гораздо сложнее, чем классические компьютеры. Теория их работы более сложна и основана на недавней физике, есть большие теоретические ловушки и препятствия, которые препятствуют их увеличению в размерах, а их дизайн требует гораздо более сложного оборудования, которое сложнее разработать.

Почти каждый этап развития квантового компьютера не аналогичен классическому компьютеру. Итак, вопрос для вас; зачем сравнивать их?

Посмотрите график в Википедии и спросите себя, где находится параллельный сумматор?

Мне кажется, что ваш ответ лежит в вашем вопросе. Просмотр графика времени в Википедии показывает очень медленный прогресс с 1959 года до примерно 2009 года. Это была в основном теоретическая работа, пока мы не перешли с нуля на единицу .

Только за 9 лет с тех пор темпы прогресса были колоссальными: от 2 кубитов до 72, а при включении двух волн до 2000 кубитов. И есть один работающий в облаке прямо сейчас, к которому у нас есть доступ. График прогресса за последние 60 лет, и я уверен, что вы увидите довольно колено в кривой, которую вы, кажется, хотите, и опровержение вашего заявления. Но, насколько я знаю, квантовые вычисления ничего не сделали.

Где эквивалент Атласа или MU5?

Это та мера, на которой основан ваш вопрос?

Сможете ли вы когда-нибудь? Это все ажиотаж и горячий воздух? Являются ли квантовые вычисления просто пирогом в небе? Неужели все это просто завтрашнее варенье, проданное квантовыми шарлатанами доверчивой публике?

Да. Нет нет нет.

Если нет, то почему?

Потому что, как показывает ваша временная шкала, люди добились значительного прогресса в количестве и стабильности кубитов, а также в квантовых алгоритмах.

Просить людей предсказывать будущее всегда было чревато провалом, поэтому большинство этих сайтов не допускают вопросов, основанных на мнении.

Возможно, более конкретные (не основанные на мнении) вопросы будут лучше отвечать на ваши вопросы.

Грустная правда для большинства людей здесь состоит в том, что Джон Даффилд (спрашивающий) прав.

Нет никаких доказательств того, что квантовый компьютер будет когда-либо иметь какую-либо ценность.

Тем не менее, для компаний, которые инвестировали в квантовые вычисления (IBM, Google, Intel, Microsoft и т. Д.), Вполне стоит попытаться создать их, потому что, если они добьются успеха, они смогут решить некоторые проблемы экспоненциально быстрее чем классические компьютеры, и если они не увенчались успехом, ни одна вмятина не была потрачена на те миллиарды долларов, которые у них были.

Попытка создать полезные квантовые компьютеры, которые вы можете назвать неудачей, по крайней мере привела к успехам в понимании сверхпроводников, фотоники и даже самой квантовой теории. Много математики, используемой для анализа квантовой механики, было разработано в контексте квантовой теории информации.

И, наконец, квантовые компьютеры могут никогда не появиться на рынке, но квантовые коммуникационные устройства Toshiba, HP, IBM, Mitsubishi, NEC и NTT уже есть на рынке.

В заключение: я согласен с Джоном Даффилдом, что квантовые вычисления никогда не будут иметь никакой ценности. Но квантовая коммуникация уже доступна на рынке, и для наших неудачных (до сих пор) попыток сделать квантовые вычисления реальностью было разработано много новых наук, математики и техники (например, для сверхпроводников).

Как и все хорошие вопросы, суть в том, что вы имеете в виду. Как главный технический директор стартапа, разрабатывающего квантовый компьютер, я должен решительно не согласиться с утверждением, что квантовые вычисления - это просто журавль в небе.

Но потом вы утверждаете: «Вы не купите его в PC World в ближайшее время». С этим я не только согласен, но и предположил бы, что в обозримом будущем вы не сможете, что так близко к «никогда», как вы заставите меня утверждать.

Почему это? Во-первых, это справедливо, потому что нет никаких технических причин, препятствующих нам в создании квантового компьютера, и на самом деле нет причин, которые будут продолжать мешать нам строить его гораздо дольше. Во-вторых, это потому, что построить квантовый компьютер труднее, чем классический компьютер (вам нужны особые условия, такие как чрезвычайно низкие температуры или очень хороший вакуум, и они медленнее), но есть только определенные проблемы, в которых превосходят квантовые компьютеры. Вам не нужны ноутбуки для обнаружения лекарств с помощью вычислений или взлома устаревшей криптографии или для ускорения инвертирования некоторых функций (особенно если они не поставляются с вспомогательным оборудованием размера шкафа), но вам нужен один или несколько суперкомпьютеров для этого.

Почему я могу сказать, что нет никаких технических проблем, которые мешают (большим, универсальным) квантовым компьютерам? Обратите внимание, что достаточно одного примера, поэтому я выбираю технологию, которую знаю лучше всего, ту, которую я использую профессионально. В квантовых вычислениях, основанных на ионной ловушке, были продемонстрированы все необходимые компоненты: высококачественные универсальные квантовые вентили. Существуют успешные попытки перемещать ионы (отделять и рекомбинировать их от цепочек ионов, перемещать их по путям и через пересечения путей) с подходящими характеристиками. Плюс инициализация, измерение и т. Д. Возможны с точностью, сравнимой с операциями на затворе. Единственное, что препятствует созданию больших универсальных квантовых компьютеров на основе ионной ловушки, связано с тем, чтобы ученые, внесшие свой вклад, вместе с правильными инженерами,

Мне не терпится даже рассказать вам, как можно быстро добиться подвига, технически, но я боюсь, что я немного рассердлю нашего патентного поверенного (и моего генерального директора, и всех остальных в компании). Это сводится к следующему:

Если квантовые вычисления на самом деле - журавль в небе, то, оглядываясь назад, люди в будущем будут воспринимать их как такой же низко висящий фрукт, как первые микрокомпьютеры.

Как указано в других ответах, существует много технических проблем для разработки универсального квантового компьютера, состоящего из множества кубитов. Смотрите также эту обзорную статью . Однако могут существовать обходные пути получения определенных нетривиальных результатов квантовых вычислений, прежде чем мы доберемся до первого действительно универсального квантового компьютера.

Обратите внимание, что классические вычислительные устройства существовали задолго до создания первого универсального компьютера. Например, для численного решения дифференциальных уравнений вы можете построить электрическую цепь, состоящую из конденсаторов, катушек и резисторов, чтобы напряжение между определенными точками удовлетворяло тому же дифференциальному уравнению, которое вы хотите решить. Этот метод был популярен в астрофизике до появления цифровых компьютеров.

В случае квантовых вычислений, обратите внимание, что, когда Фейнману пришла в голову идея квантовых вычислений, он спорил на основе сложности моделирования квантово-механических свойств определенных физических систем с использованием обычных компьютеров. Он изменил аргумент, отметив, что система сама решает математическую проблему, которую трудно решить с помощью обычных компьютеров. Это обусловлено квантово-механической природой системы, поэтому можно подумать, можно ли создать квантово-механические устройства, способные решать проблемы, которые трудно решить с помощью обычных компьютеров.