Oto, co supremacja kwantowa oznacza – a czego nie – dla obliczeń

Komputer kwantowy Google Google

Google podobno po raz pierwszy zademonstrowało, że komputer kwantowy jest w stanie wykonać zadanie wykraczające poza zasięg nawet najpotężniejszego konwencjonalnego superkomputera w dowolnym czasie praktycznym – kamień milowy znany w świecie informatyki jako supremacja kwantowa. ( Aktualizacja : Potwierdził wiadomość 23 października .)

Złowrogo brzmiący termin, który został ukuty przez fizyka teoretycznego Johna Preskill w 2012 roku, przywołuje obraz maszyn podobnych do Dartha Vadera, panujących nad innymi komputerami. Wiadomość ta przyniosła już pewne dziwaczne nagłówki, takie jak jeden na stronie Infowars, który krzyczał: „Kwantowa supremacja” Google, aby złamać wszystkie kryptografie i tajemnice wojskowe. W histerię wpadły również postacie polityczne: Andrew Yang, kandydat na prezydenta, napisał na Twitterze, że osiągnięcie przez Google obliczeń kwantowych to wielka sprawa. Oznacza to między innymi, że żaden kod nie jest nie do złamania.

Nonsens. To wcale tak nie znaczy. Osiągnięcie Google jest znaczące, ale komputery kwantowe nie zamieniły się nagle w komputerowe kolosy, które pozostawią konwencjonalne maszyny w tyle. Nie będą też niszczyć konwencjonalnej kryptografii w najbliższej przyszłości – chociaż w dłuższej perspektywie mogą stanowić zagrożenie, na które musimy zacząć przygotowywać się już teraz.

Oto przewodnik po tym, co Google wydaje się osiągnąć – i antidotum na szum wokół kwantowej supremacji.

Co wiemy o eksperymencie Google?

Nadal nie otrzymaliśmy potwierdzenia od Google, co to zostało zrobione. Informacje o eksperymencie pochodzą z artykułu zatytułowanego Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor, który został krótko opublikowany na stronie internetowej NASA, zanim został usunięty. Jego istnienie zostało ujawnione w raporcie w Financial Times – a kopię gazety można znaleźć tutaj .

Eksperyment jest dość tajemniczy, ale wymagał ogromnego wysiłku obliczeniowego. Zespół Google użył procesora kwantowego o nazwie kodowej Sycamore, aby udowodnić, że liczby wypompowane przez generator liczb losowych rzeczywiście były naprawdę losowe. Następnie ustalili, ile czasu zajmie Summit, najpotężniejszemu superkomputerowi na świecie, wykonanie tego samego zadania. Różnica była oszałamiająca: podczas gdy maszyna kwantowa wypolerowała ją w 200 sekund, naukowcy oszacowali, że klasyczny komputer potrzebowałby 10 000 lat.

Kiedy artykuł zostanie formalnie opublikowany, inni badacze mogą zacząć dziurawić metodologię, ale na razie wydaje się, że Google jako pierwszy zdobył obliczenia, pokazując, że maszyna kwantowa może rzeczywiście prześcignąć nawet najpotężniejsze dzisiejsze superkomputery. Nie ma teraz wątpliwości, że komputery kwantowe mogą być przyszłością obliczeń o wysokiej wydajności, mówi Nick Farina, dyrektor generalny startupu sprzętu kwantowego EeroQ.

Dlaczego komputery kwantowe są o wiele szybsze niż klasyczne?

W klasycznym komputerze bity przenoszące informacje reprezentują albo jeden lub 0 ; ale bity kwantowe lub kubity – które przybierają postać cząstek subatomowych, takich jak fotony i elektrony – mogą być rodzajem kombinacji jeden oraz 0 jednocześnie stan zwany superpozycją. W przeciwieństwie do bitów, kubity mogą również wpływać na siebie nawzajem poprzez zjawisko znane jako splątanie, które zdumiało nawet Einsteina, który nazwał to upiornym działaniem na odległość.

Dzięki tym właściwościom, które są bardziej szczegółowo opisane w naszym objaśnieniu obliczeń kwantowych, dodanie kilku dodatkowych kubitów do systemu wykładniczo zwiększa jego moc obliczeniową. Co najważniejsze, maszyny kwantowe mogą przetwarzać duże ilości danych równolegle, co pomaga im wyprzedzić klasyczne maszyny, które przetwarzają dane sekwencyjnie. Taka jest teoria. W praktyce naukowcy pracowali od lat, aby ostatecznie udowodnić, że komputer kwantowy może zrobić coś, czego nie potrafi nawet najbardziej zaawansowany konwencjonalny komputer. Wysiłkami Google kierował John Martinis, który wykonał pionierską pracę w zakresie wykorzystania obwodów nadprzewodzących do generowania kubitów.

Czy to przyspieszenie nie oznacza, że ​​maszyny kwantowe mogą teraz wyprzedzić inne komputery?

Nie. Google wybrał bardzo wąskie zadanie. Komputery kwantowe mają jeszcze długą drogę do przebycia, zanim będą mogły w większości przypadków przewyższyć klasyczne komputery — i mogą nigdy się tam nie dostać. Ale badacze, z którymi rozmawiałem od czasu publikacji artykułu w Internecie, twierdzą, że eksperyment Google jest nadal istotny, ponieważ przez długi czas istniały wątpliwości, czy maszyny kwantowe kiedykolwiek będą w stanie prześcignąć klasyczne komputery w czymkolwiek.

Do tej pory grupy badawcze były w stanie odtworzyć wyniki maszyn kwantowych z około 40 kubitami w układach klasycznych. Procesor Google Sycamore, który wykorzystał 53 kubity do eksperymentu, sugeruje, że taka emulacja osiągnęła swoje granice. Wkraczamy w erę, w której zbadanie możliwości komputera kwantowego będzie wymagało fizycznego komputera kwantowego… Nie będziesz już w stanie wiarygodnie odtwarzać wyników na konwencjonalnym emulatorze, wyjaśnia Simon Benjamin, badacz kwantowy z Uniwersytetu Oksfordzkiego. .

Czy Andrew Yang nie ma racji, że naszą kryptograficzną ochronę można teraz rozwalić?

Znowu nie. To dzika przesada. Artykuł Google wyjaśnia, że ​​chociaż jego zespół był w stanie wykazać supremację kwantową w wąskim zadaniu próbkowania, wciąż jesteśmy dalecy od opracowania komputera kwantowego zdolnego do implementacji algorytmu Shora, który został opracowany w latach 90., aby pomóc maszynom kwantowym czynnik ogromne liczby. Najpopularniejsze obecnie metody szyfrowania można złamać tylko poprzez rozłożenie takich liczb na czynniki — zadanie, które zajęłoby konwencjonalnym maszynom wiele tysięcy lat.

Ale ta luka kwantowa nie powinna być powodem do samozadowolenia, ponieważ takie rzeczy, jak rejestry finansowe i zdrowotne, które będą przechowywane przez dziesięciolecia, mogą ostatecznie stać się podatne na ataki hakerów z maszyną zdolną do uruchomienia algorytmu łamania kodu, takiego jak Shora. Naukowcy już ciężko pracują nad nowatorskimi metodami szyfrowania, które będą w stanie wytrzymać takie ataki (więcej szczegółów znajdziesz w naszym objaśnieniu na temat kryptografii post-kwantowej).

Dlaczego komputery kwantowe nie są tak doskonałe, jak supremacja kwantowa sprawia, że ​​brzmią?

Głównym powodem jest to, że wciąż popełniają znacznie więcej błędów niż klasyczne. Delikatny stan kwantowy kubitów trwa zaledwie ułamki sekundy i może być łatwo zakłócony przez nawet najmniejsze wibracje lub niewielkie zmiany temperatury – zjawisko znane jako szum w mowie kwantowej. Powoduje to, że do obliczeń wkradają się błędy. Kubity mają również podobną do Tindera tendencję do łączenia się z wieloma innymi. Takie przesłuchy między nimi mogą również powodować błędy.

Artykuł Google sugeruje, że znalazł nowy sposób na ograniczenie przesłuchów, co może pomóc utorować drogę do bardziej niezawodnych maszyn. Ale dzisiejsze komputery kwantowe nadal przypominają wczesne superkomputery pod względem ilości sprzętu i złożoności potrzebnej do ich działania, i potrafią sprostać tylko bardzo ezoterycznym zadaniom. Nie doszliśmy jeszcze nawet do etapu odpowiadającego ENIACowi, pierwszemu komputerowi ogólnego przeznaczenia IBM, który został uruchomiony w 1945 roku.

Jaki jest więc kolejny kamień milowy, do którego należy dążyć?

Pokonywanie konwencjonalnych komputerów w rozwiązywaniu rzeczywistych problemów — wyczyn, który niektórzy badacze nazywają przewagą kwantową. Istnieje nadzieja, że ​​ogromna moc obliczeniowa komputerów kwantowych pomoże odkryć nowe farmaceutyki i materiały, udoskonalić zastosowania sztucznej inteligencji i doprowadzi do postępów w innych dziedzinach, takich jak usługi finansowe, gdzie można je zastosować do takich rzeczy, jak zarządzanie ryzykiem.

Jeśli naukowcy nie będą w stanie wkrótce wykazać przewagi kwantowej w przynajmniej jednej z tych aplikacji, bańka rozdmuchanych oczekiwań, która wybucha wokół obliczeń kwantowych, może szybko pęknąć.

Kiedy zapytałem o to Martinisa z Google w wywiadzie dla artykułu w zeszłym roku, wyraźnie zdawał sobie sprawę z ryzyka. Powiedział mi, że gdy tylko dojdziemy do supremacji kwantowej, będziemy chcieli pokazać, że maszyna kwantowa może zrobić coś naprawdę pożytecznego. Teraz nadszedł czas, aby jego zespół i inni badacze podjęli to pilne wyzwanie.

ukryć