Lūk, ko kvantu pārākums nozīmē un ko nedomā skaitļošanā

Google kvantu dators Google

Tiek ziņots, ka Google pirmo reizi ir pierādījis, ka kvantu dators spēj veikt uzdevumu, kas nav sasniedzams pat jaudīgākajam parastajam superdatoram jebkurā praktiskā laika posmā, un tas ir pagrieziena punkts skaitļošanas pasaulē kā kvantu pārākums. ( Atjaunināt : Tas apstiprināja ziņas 23. oktobrī.)

Drausmīgi izklausošais termins, ko 2012. gadā ieviesa teorētiskais fiziķis Džons Preskils, rada priekšstatu, ka Dārtam Veideram līdzīgas mašīnas valda pār citiem datoriem. Un šīs ziņas jau ir radījušas dažus dīvainus virsrakstus, piemēram, vienu Infowars vietnē, kas kliedza Google “Kvantu pārākums”, lai padarītu visu kriptogrāfiju un militāros noslēpumus uzlaužamus. Histērijā ir nonākušas arī politiskās figūras: prezidenta kandidāts Endrjū Jans tviterī paziņoja, ka Google panākt kvantu skaitļošanu ir milzīgs darījums. Tas cita starpā nozīmē, ka neviens kods nav nesalaužams.

Muļķības. Tas nemaz to nenozīmē. Google sasniegums ir nozīmīgs, taču kvantu datori nav pēkšņi kļuvuši par skaitļošanas kolosiem, kas atstātu parastās iekārtas putekļos. Tuvākajā nākotnē viņi arī neizmantos parasto kriptogrāfiju — lai gan ilgtermiņā tie var radīt draudus, kas mums jāsāk gatavoties jau tagad.

Lūk, ceļvedis par to, ko Google, šķiet, ir sasniedzis, un kā pretlīdzeklis ažiotāžai, kas saistīta ar kvantu pārākumu.

Ko mēs zinām par Google eksperimentu?

Mēs joprojām neesam saņēmuši apstiprinājumu no Google par paveikto. Informācija par eksperimentu nāk no papīra ar nosaukumu Kvantu pārākums, izmantojot programmējamu supravadītāju procesoru, kas pirms noņemšanas tika īsi ievietots NASA tīmekļa vietnē. Tās esamība tika atklāta ziņojumā Financial Times, un var atrast papīra kopiju šeit .

Eksperiments ir diezgan noslēpumains, taču tas prasīja lielu skaitļošanas piepūli. Google komanda izmantoja kvantu procesoru ar koda nosaukumu Sycamore, lai pierādītu, ka nejaušo skaitļu ģeneratora izsūknētie skaitļi patiešām bija nejauši. Pēc tam viņi aprēķināja, cik ilgs laiks būs vajadzīgs Summit, pasaulē jaudīgākajam superdatoram, lai veiktu to pašu uzdevumu. Atšķirība bija satriecoša: lai gan kvantu mašīna to noslīpēja 200 sekundēs, pētnieki lēsa, ka klasiskajam datoram būtu nepieciešami 10 000 gadu.

Kad dokuments tiks oficiāli publicēts, citi pētnieki var sākt bāzt caurumus metodoloģijā, taču šobrīd šķiet, ka Google vispirms ir ieguvis skaitļošanu, parādot, ka kvantu mašīna patiešām var apsteigt pat jaudīgākos mūsdienu superdatorus. Tagad ir mazāk šaubu, ka kvantu datori var būt augstas veiktspējas skaitļošanas nākotne, saka Niks Farina, kvantu aparatūras starta EeroQ izpilddirektors.

Kāpēc kvantu datori ir tik daudz ātrāki par klasiskajiem?

Klasiskā datorā biti, kas nes informāciju, apzīmē vai nu a viens vai a 0 ; bet kvantu biti jeb kubiti, kas izpaužas kā subatomiskas daļiņas, piemēram, fotoni un elektroni, var būt sava veida kombinācija viens un 0 tajā pašā laikā stāvoklis, kas pazīstams kā superpozīcija. Atšķirībā no bitiem, kubiti var ietekmēt viens otru arī ar fenomenu, kas pazīstams kā sapīšanās, kas samulsināja pat Einšteinu, kurš to sauca par spokainu darbību no attāluma.

Pateicoties šīm īpašībām, kas ir sīkāk aprakstītas mūsu kvantu skaitļošanas skaidrojumā, tikai dažu papildu kubitu pievienošana sistēmai palielina tās apstrādes jaudu eksponenciāli. Būtiski, ka kvantu mašīnas var paralēli pārspēt lielus datu apjomus, kas palīdz tām apsteigt klasiskās iekārtas, kas apstrādā datus secīgi. Tāda ir teorija. Praksē pētnieki gadiem ilgi ir strādājuši, lai pārliecinoši pierādītu, ka kvantu dators spēj paveikt kaut ko pat visspējīgākais parastais. Google centienus vadīja Džons Martiniss, kurš ir veicis novatorisku darbu supravadītāju ķēžu izmantošanā kubitu ģenerēšanai.

Vai šis paātrinājums nenozīmē, ka kvantu mašīnas tagad var apsteigt citus datorus?

Nē. Google izvēlējās ļoti šauru uzdevumu. Kvantu datoriem joprojām ir tāls ceļš ejams, lai tie varētu sasniegt labākos klasiskos datorus lielākajā daļā lietu, un tie var nekad to sasniegt. Taču pētnieki, ar kuriem esmu runājis kopš raksta parādīšanās tiešsaistē, apgalvo, ka Google eksperiments joprojām ir nozīmīgs, jo ilgu laiku ir bijušas šaubas, vai kvantu mašīnas jebkad spēs pārspēt klasiskos datorus.

Līdz šim pētniecības grupas ir spējušas reproducēt kvantu mašīnu rezultātus ar aptuveni 40 kubitiem klasiskajās sistēmās. Google Sycamore procesors, kas eksperimentam izmantoja 53 kubitus, liecina, ka šāda emulācija ir sasniegusi savas robežas. Mēs ieejam laikmetā, kurā, lai izpētītu, ko var darīt kvantu dators, tagad būs nepieciešams fizisks kvantu dators... Jūs vairs nevarēsit ticami reproducēt rezultātus, izmantojot parasto emulatoru, skaidro Saimons Bendžamins, Oksfordas universitātes kvantu pētnieks. .

Vai Endrjū Jangam nav taisnība, ka mūsu kriptogrāfiskā aizsardzība tagad var tikt sagrauta?

Atkal, nē. Tas ir mežonīgs pārspīlējums. Google dokumentā ir skaidri norādīts, ka, lai gan tā komanda ir spējusi parādīt kvantu pārākumu šaurā izlases uzdevumā, mēs joprojām esam tālu no tāda kvantu datora izstrādes, kas spēj ieviest Šora algoritmu, kas tika izstrādāts 90. gados, lai palīdzētu kvantu mašīnām. faktoru masveida skaitļi. Mūsdienu populārākās šifrēšanas metodes var izjaukt, tikai ierēķinot šādus skaitļus — šis uzdevums tradicionālajām iekārtām prasītu daudzus tūkstošus gadu.

Taču šai kvantu plaisai nevajadzētu būt par iemeslu pašapmierinātībai, jo tādas lietas kā finanšu un veselības uzskaites dati, kas tiks glabāti gadu desmitiem, galu galā var kļūt neaizsargāti pret hakeriem ar mašīnu, kas spēj palaist kodu atdalīšanas algoritmu, piemēram, Šora. Pētnieki jau tagad smagi strādā pie jaunām šifrēšanas metodēm, kas spēs izturēt šādus uzbrukumus (sīkāku informāciju skatiet mūsu skaidrojumā par postkvantu kriptogrāfiju).

Kāpēc kvantu datori nav tik izcili, cik kvantu pārākums liek tiem izklausīties?

Galvenais iemesls ir tas, ka tie joprojām pieļauj daudz vairāk kļūdu nekā klasiskās. Kubitsa smalkais kvantu stāvoklis ilgst tikai sekundes daļas, un to var viegli izjaukt pat vismazākās vibrācijas vai niecīgas temperatūras izmaiņas — parādības, ko sauc par troksni kvantu runā. Tas liek aprēķinos iezagties kļūdām. Kubitiem ir arī Tinder līdzīga tendence vēlēties savienoties ar daudziem citiem. Šāda šķērsruna starp tām var radīt arī kļūdas.

Google dokuments liecina, ka tas ir atradis jaunu veidu, kā samazināt šķērsrunu, kas varētu palīdzēt sagatavot ceļu uzticamākām iekārtām. Taču mūsdienu kvantu datori joprojām atgādina agrīnos superdatorus pēc aparatūras apjoma un sarežģītības, kas nepieciešama, lai tie darbotos, un tie var tikt galā tikai ar ļoti ezotēriskiem uzdevumiem. Mēs vēl neesam pat tādā līmenī, kas līdzvērtīgs ENIAC — IBM pirmajam universālajam datoram, kas tika nodots darbam 1945. gadā.

Tātad, kāds ir nākamais kvantu pavērsiens, uz kuru jātiecas?

Parasto datoru izmantošana reālās pasaules problēmas risināšanā — varoņdarbs, ko daži pētnieki dēvē par kvantu priekšrocībām. Cerams, ka kvantu datoru milzīgā apstrādes jauda palīdzēs atklāt jaunas zāles un materiālus, uzlabos mākslīgā intelekta lietojumprogrammas un novedīs pie sasniegumiem citās jomās, piemēram, finanšu pakalpojumos, kur tos varētu izmantot tādām lietām kā riska pārvaldība.

Ja pētnieki drīzumā nevarēs demonstrēt kvantu priekšrocības vismaz vienā no šāda veida lietojumiem, uzpūsto cerību burbulis, kas uzliesmo kvantu skaitļošanas jomā, var ātri pārsprāgt.

Kad pagājušajā gadā intervijā par to jautāju Google Martinisam, viņš skaidri apzinājās risku. Tiklīdz mēs nonāksim pie kvantu pārākuma, viņš man teica, ka mēs vēlēsimies parādīt, ka kvantu mašīna var darīt kaut ko patiešām noderīgu. Tagad viņa komandai un citiem pētniekiem ir pienācis laiks risināt šo neatliekamo izaicinājumu.

paslēpties