Auteur Ariel Bleicher
Tang Xu compilé à partir Quanta Magazine
Qubit produit | Numéro public QbitAI
Dans le calcul quantique, il y a un malentendu populaire: que le potentiel et les limites de l'informatique quantique doivent provenir du matériel.
À l'ère numérique, nous sommes habitués à une fréquence d'horloge et la mémoire d'amplitude au progrès de la marque. Ainsi, Intel et IBM ont lancé 50 un ordinateur déclenché quantique nous sommes proches de la soi-disant « hégémonie quantique » de la spéculation - qui est, les ordinateurs quantiques commencé à faire des ordinateurs classiques ne peuvent pas faire.
50 qubit ordinateur quantique IBM
En fait, la mise en place d'une « hégémonie quantique » n'est pas la bataille décisive, du jour au lendemain, il est plus comme une étincelle, nécessite une concurrence constante entre les algorithmes quantiques et par des méthodes traditionnelles, une par une mise en uvre sur des questions différentes.
« Avec l'ordinateur quantique, Les progrès ne peut pas simplement utiliser la « vitesse » pour mesurer . "Quantum UTS Michael Bremner a dit," le plus souvent, Nous examinons la complexité de son exécution de l'algorithme . "
Ironie du sort, les médias tant vantés pour les ordinateurs quantiques, mais pour le rendre plus difficile d'obtenir un avantage.
« La plupart du temps quand les gens parlent de l'informatique quantique, le calcul classique a été méprisée, il semble avoir le crépuscule. » Mathématicien de l'Université d'Auckland, un informaticien Cristian Calude dit, « mais les choses ne sont pas comme ça. C'est un concours en cours ".
Est à la fois un concours, il est à peu près la vitesse du progrès dans l'informatique quantique. « Pour discuter du seuil quantique de l'hégémonie dans laquelle, premier regard sur la limite supérieure de la méthode traditionnelle. » Physicien théorique John Preskill de l'Institut de technologie de Californie, a déclaré: « Avec les algorithmes traditionnels de mieux en mieux, et nous devons régler deux la ligne entre ceux ".
« Il ne semble pas un simple »
Avant les années 1980, rêve de former un ordinateur quantique, les informaticiens pensent généralement que l'informatique classique est la solution ultime. Pionniers dans le domaine conviennent que le concept d'un outil de machine de Turing dans l'ordinateur classique existant devrait être en mesure de remplir tous les problèmes calculables qui existent dans l'univers physique, de l'arithmétique de base, à la bourse, à l'explosion du trou noir.
Cependant, les ordinateurs classiques ne peuvent pas faire tous les calculs semblables efficacement. Par exemple, vous voulez comprendre le comportement chimique d'une molécule, et ce comportement dépend du comportement des électrons intramoléculaire, les états multiples Youyi électroniques sous forme superposée existe. Plus chaotique, parce que l'enchevêtrement quantique, chaque état quantique d'électrons dépend de tous les autres états électroniques quantiques. Dans l'informatique classique, même enchevêtrement dans une molécule très simple, vous pouvez transformer en une complexité augmente de façon exponentielle cauchemar.
En revanche, un ordinateur quantique peut résoudre ces problèmes en superposant et en enroulant leurs qubits, qui permettent aux ordinateurs ont la capacité de traiter encore plus quantité d'informations. Chaque qubit supplémentaire fera l'état du système peut être stocké simultanément doubler: deux qubits peuvent stocker quatre états, trois bits peuvent être stockés huit états quantiques, et ainsi de suite.
Par conséquent, vous pouvez seulement besoin de 50 qubits états intriqués, sera en mesure d'états quantiques de modèle, contraste, les besoins informatiques classiques à faire des temps de quadrillions 1125 bits classique de codage pour compléter le même calcul.
Un ordinateur quantique peut résoudre quantique à grande échelle les problèmes de simulation de systèmes mécaniques pour les ordinateurs classiques sans solution, il est devenu aussi la raison pour problème informatique quantique.
Feynman
« La nature n'est pas un classique, mon oncle, si vous voulez la nature Simuler, vous feriez mieux de le mettre dans une simulation de la mécanique quantique. » Physicien Richard Feynman une fois plaisanté en 1981, « Mon Dieu c'est vraiment un exquis question, mais il ne semble pas si facile ".
David Deutsch
Avant que les gens creusent la tête pour développer le matériel quantique, les théoriciens ont commencé à étudier dur logiciel. Dès le début, Feynman et physicien David Deutsch de l'Université d'Oxford ont constaté qu'ils peuvent être contrôlés par une information quantique en tirant sur les mathématiques de l'algèbre linéaire, ils appelleront ce processus « porte ».
A partir analogique à portes logiques classiques, portes quantiques dans une variété de façons de manipuler les qubits - pour les guider dans la superposition et l'enchevêtrement continu, puis la mesure de leur sortie. La ligne est formée en mélangeant une correspondance entre la « porte », le physicien peut être assemblé facilement algorithmes quantiques.
Les faits ont prouvé que le développement de ces algorithmes plus difficile. Au début des années 2000, les mathématiciens sont venus avec un nombre limité d'algorithmes. La plus célèbre histoire, en 1994, Bell Labs, un jeune homme du nom de Peter Shaw a fait un entiers d'affacturage indexer tout l'ordre connu de grandeur plus rapide que l'algorithme de l'algorithme quantique, ce qui peut le rendre facile à briser beaucoup programme de cryptage populaire.
Deux ans plus tard, Shaw collègues chez Bell Labs Gelu Fu mis au point un algorithme qui permet d'accélérer le calcul traditionnel du long processus de recherche d'une base de données non classifiées.
« Il existe de nombreux exemples similaires montrent que l'énergie informatique quantique doit être supérieure à l'informatique classique. » Les scientifiques de l'information quantique Cambridge Richard Jozsa dit.
Cependant Jôzsa et d'autres chercheurs ont aussi trouvé beaucoup d'exemples négatifs pour ce point de vue.
« Beaucoup de belle apparence de processus quantique très compliqué » et donc difficile d'être une simulation informatique classique. dit Jozsa, « mais en fait, passer quelques techniques mathématiques intelligentes, subtiles, vous serez en mesure de les comprendre à faire. »
Jozsa et ses collègues ont découvert qu'ils pouvaient utiliser ces techniques pour efficacement Simuler - ou seront très en ligne quantique « à la quantification. » Par exemple, ceux de l'intrication quantique est omis, seulement qubits intriqués limité ou seulement un enchevêtrement de ligne de grille de mise au point spécifique peut être résolu cette méthode.
Ce à la fin est ce qui rend ce type d'algorithmes comme Shaw développé si forte qu'elle?
« Ceci est une question très ouverte. » Dit Jozsa, « Nous ne avons jamais eu à comprendre pourquoi certains algorithmes facilement tandis que d'autres ne sont pas. De toute évidence, l'enchevêtrement est une simulation très importante, mais que cette histoire n'a pas fini. »
Les experts commencent à se demander si de nombreux algorithmes quantiques avant qu'ils ont vraiment respecté la différence « avancée » et probablement peu et l'algorithme général.
lutte échantillonnage
Jusqu'à récemment, la recherche de l'informatique quantique est encore un problème quelque peu illusoire.
« Pour la mise en uvre de leurs algorithmes, en fait, nous ne sommes pas vraiment très inquiet, parce que personne ne crois vraiment que dans un proche avenir, nous aurons un ordinateur quantique. » Dit Jôzsa.
Par exemple, l'algorithme Shaw fonctionnant sur un entier suffisamment grand, pour casser une clé de 128 bits standard, nous avons besoin des milliers de bits quantiques - pourrait également ajouter des milliers à nouveau pour corriger l'erreur.
L'automne 2011, lors d'un forum à Bruxelles, Preskill prévu, nous « être en mesure d'effectuer au-delà de l'algorithme classique des systèmes quantiques contrôlables de jour » peut-être loin. Il a dit les résultats de laboratoire récents, dans l'avenir proche sera de favoriser l'émergence de 100 ordinateurs quantiques, qui permettent à ces ordinateurs pour résoudre certains des « super classique » Le problème est pas tout à fait impossible (bien que les systèmes D-Wave dans le processeur quantique commercial qui avant d'atteindre 128 qubits, mais il ne peut faire face à des problèmes d'optimisation spécifiques, le doute même de nombreux experts si elle va vraiment au-delà des ordinateurs classiques.).
« Je viens de souligner que nous nous approchons et loin nous pouvons enfin franchir cette étape - la technologie quantique dans l'histoire humaine pour devenir le plus puissant », a déclaré Preskill. Il a appelé l'étape « hégémonie quantique. » Il a dit: « Il a été développé dans une certaine mesure, je ne doute pas. »
Ces chatteurs ennuyeux sur l'hégémonie quantique, ce qui reflète l'excitation ne cachent pas dans le domaine. Tout cela découle probablement de 2004, après une série de papier théorique par le physicien IBM Barbara Terhal et David DiVincenzo percée publiée: les efforts de deux personnes qui tentent de comprendre le monde quantique, les deux vont se tourner l'un des plus puzzle quantique de base - problèmes d'échantillonnage.
Échantillonnage d'essayer d'exploiter la nature ésotérique de l'information quantique. Par exemple, vous serez appliqué à une série de portes 100 qubits. Cette ligne peut être entraîné par une qubits balle devient mathématiquement équivalent au 100ème monstre classique 2 bits. Une fois que vous pouvez mesurer le système, sa complexité que l'effondrement dans une chaîne de 100 bits. Le système imprime une chaîne particulière, ou un échantillon, la probabilité de votre décision de ligne.
L'objectif est de créer un problème d'échantillonnage ressemble à une série d'échantillons de la ligne, il est comme retourner constamment une pièce de monnaie, pour prouver qu'il finira par une moyenne des résultats négatifs positifs 50% et 50% apparaissent. En seulement un problème d'échantillonnage, chaque « jeter » le résultat n'est pas un simple « positif » ou « anti ». Mais une valeur de chaîne, chaque valeur peut être affectée par l'autre partie des valeurs (ou tous).
Pour un ordinateur quantique lisse, ce processus est très facile, car il a toujours été un tel travail. Mais pour les ordinateurs classiques, ce qui est très difficile. Dans le pire des cas, ils doivent être calculés pour tous les résultats (les espèces) 2100 e de chaîne de sortie possible, et en sélectionnant l'échantillon de leur distribution aléatoire.
Terhal et DiVincenzo prouvé, même pour une partie d'une ligne quantique très simple, en utilisant la méthode d'échantillonnage classique est encore très difficile. Cela devient alors un seuil: Si l'expérimentateur pour faire une sortie du système quantique de ces échantillons, ils ont des raisons de croire qu'ils ont fait certaines choses que les méthodes traditionnelles ne peuvent pas égaler.
Cette idée rapidement théoriciens étendue à d'autres types de problèmes d'échantillonnage. L'un des plus prometteurs une hypothèse est venu de l'informaticien Massachusetts Institute of Technology Scott Aaronson et son étudiant au doctorat Alex Arkhipov. Dans leur 2010 Arxiv publié au préalable sur le papier, elles décrivent un photon émis par un circuit optique d'ordinateur quantique, et il convertit la lumière est séparée au moyen de la mécanique quantique, et puis générer le mode de sortie comprend une probabilité spécifique .
Le processus de copie de modes deviennent bosons sont échantillonnés. Aaronson et Arkhipov inférence ordinateur classique peut simuler boson problèmes d'échantillonnage avec environ 30 photons, ce qui semble une cible de test raisonnable.
De même ligne attrayante, aussi appelé IQP (polynôme quantique instantanée). IQP portes à l'intérieur d'une gamme complète de « commutation » (Commute), à savoir sans changer la sortie peuvent être disposées dans un ordre quelconque, comme 5 + 2 + 2 = 5, ce qui est souhaitable pour d'autres principes mathématiques.
« Parce qu'ils sont très faciles à analyser, donc nous avons effectué la recherche. », A déclaré Bremner. Mais il a constaté que cette méthode a d'autres avantages. Dans un travail a commencé en 2010 et a atteint un sommet en 2016, le papier Montanaro et Dan Shepherd publié dans, Bremner explique pourquoi la ligne IQP peut être très puissant: Car même avec des centaines de qubits, peut pour la mise en uvre du système, de manière classique pour résoudre le problème d'échantillonnage deviendra très difficile.
En 2016, l'échantillonnage de Higgs ne peut pas dépasser six photons. Cependant, l'équipe Google et IBM a développé près de 50 bits quantiques de la puce. Août de cette année, Google a publié tranquillement un projet de ci-dessus montre l'hégémonie quantique dans la feuille de route, apparaît « récemment » sur l'appareil.
équipe Google ne considère être échantillonné par ligne IQP. Mais Bremner et ses collègues de l'étude a également constaté que la ligne peut prendre quelques corrections de bugs - et cela nécessite porte supplémentaire, et deux cents qubits supplémentaires peuvent sans aucun doute le meilleur du classique complètement défait algorithme.
Par conséquent, cette équipe a utilisé les mêmes arguments similaires Aaronson et Bremner prouver que: Bien plus difficile à construire et à analyser, mais une ligne de portes non commutatives d'équipement pour classique et plus difficiles à modéliser.
Pour calculer les obstacles plus de jeu classique, l'équipe a proposé une idée de la ligne d'échantillonnage choisi au hasard. De cette manière, il est difficile de trouver la méthode classique de toute structure de ligne caractéristique approximative, il ne peut pas deviner mieux le comportement.
IBM Quantum Computing Center
Cependant, la méthode traditionnelle d'attirer des ressources supplémentaires tendance est toujours imparable. En effet, en Octobre 2017, une équipe IBM a montré (la porte est pas trop couche beaucoup) dans la prochaine profondeur de la ligne générale, passer juste un peu techniques traditionnelles, un calcul intensif peut simuler 56 qubits ligne d'échantillonnage stochastique. De même, un boson algorithme récent sera échantillonné par des méthodes classiques pour repousser les limites d'environ 50 photons.
Cependant, ces efforts sont encore inefficaces. Par exemple, l'analogue d'IBM a passé deux jours complets pour faire un ordinateur quantique est attendu dans un dixième de milliseconde pour terminer le travail. Et puis augmenter le nombre de bits quantiques, ou multi-couches de la porte, l'ère de l'hégémonie quantique peut être juste autour du coin.
« En général, si le système est un haut degré d'enchevêtrement de la simulation, il n'y a pas de réel changement peut se produire la situation classique d'une percée. » Dit Preskill, « Nous venons eu du mal un peu à la frontière, mais pas vraiment à l'élargir ".
Bien sûr, cela ne signifie pas que la victoire est en vue.
« Où est la frontière, c'est la personne qui devra discuter de la question. », A déclaré Bremner. Imaginez ce scénario: les chercheurs d'une certaine profondeur, à la fin de la ligne d'échantillonnage avec 50 qubits, et prétendent avoir une suprématie quantique. Mais la ligne peut être rempli de bruit, qubit peut exécuter de manière incorrecte, ou la porte peut être en mauvaises conditions de travail - puis, quelques-uns des théoriciens classiques dans la foule sera en mesure de simuler sans effort cette ligne quantique ......
« Quand il y a du bruit, vous pensez que les choses difficiles du point de vue de la méthode classique de regarder est vraiment pas difficile. » Bremner explique: « Cela peut se produire. »
Nous sommes plus en mesure de déterminer est qu'une fois la première génération de l'ordinateur quantique « hégémonie » apparaît, ils ne seront pas utilisés pour casser les mots de passe ou simulé des molécules de médicaments.
« Il est question intéressant l'hégémonie. » Dit Montanaro, « Nous résolvons le problème de la première vague, nous soin de ne jamais vraiment la réponse à cette question. »
Dans tous les cas, la victoire de l'informatique quantique est fait, si humble, ont fait des scientifiques plus confiants qu'ils sont sur la bonne voie - pour calculer la nouvelle émergence de la zone dominante est tout à fait possible. La prochaine vague, qui ne savent pas quand cela arriverait.
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