Kvantinis pranašumas: dabartinių apribojimų atskleidimas

Terminas „kvantinis pranašumas“ (kartais vadinamas „kvantiniu privalumu“) patraukė mokslininkų, inžinierių ir plačiosios visuomenės vaizduotę. Jis žymi tašką, kuriame kvantinis kompiuteris gali atlikti skaičiavimą, kurio joks klasikinis kompiuteris, nepriklausomai nuo jo dydžio ar galios, praktiškai negali atlikti per protingą laiką. Nors kvantinio pranašumo pasiekimas yra svarbus etapas, būtina suprasti dabartinius apribojimus ir laukiančius iššūkius. Šiame tinklaraščio įraše gilinamasi į šiuos apribojimus, pateikiant subalansuotą požiūrį į kvantinės kompiuterijos būklę ir jos ateities potencialą.

Kas yra kvantinis pranašumas? Trumpa apžvalga

Kvantinis pranašumas nereiškia, kad kvantiniai kompiuteriai yra visuotinai geresni už klasikinius kompiuterius. Juo siekiama parodyti, kad jie gali išspręsti konkrečias, aiškiai apibrėžtas problemas, kurios yra neįveikiamos net galingiausiems superkompiuteriams. Garsiausia demonstracija įvyko 2019 m., kai „Google“, naudodama savo procesorių „Sycamore“, atliko atrankos užduotį. Nors šis pasiekimas buvo novatoriškas, svarbu atkreipti dėmesį į siaurą demonstracijos apimtį.

Dabartiniai kvantinio pranašumo apribojimai

Nepaisant su kvantiniu pranašumu susijusio jaudulio, keli apribojimai neleidžia kvantiniams kompiuteriams tapti visuotinai taikomais problemų sprendimo įrankiais:

1. Algoritmo specifiškumas

Algoritmai, kurie demonstruoja kvantinį pranašumą, dažnai yra specialiai sukurti naudojamo kvantinio kompiuterio architektūrai ir konkrečiai sprendžiamai problemai. Šie algoritmai gali būti sunkiai pritaikomi kitiems kvantiniams kompiuteriams ar kitokio tipo problemoms. Pavyzdžiui, „Google“ naudota atsitiktinių grandinių atrankos užduotis nėra tiesiogiai taikoma daugeliui realaus pasaulio problemų, tokių kaip vaistų atradimas ar medžiagų mokslas.

Pavyzdys: Shoro algoritmas, nors ir perspektyvus faktoringuojant didelius skaičius (ir taip pažeidžiant daugelį dabartinių šifravimo metodų), reikalauja gedimams atsparaus kvantinio kompiuterio su žymiai didesniu kubitų skaičiumi, nei šiuo metu yra prieinama. Panašiai, Groverio algoritmas, siūlantis kvadratinį pagreitį ieškant nerūšiuotose duomenų bazėse, taip pat reikalauja didelių kvantinių resursų, kad pranoktų klasikinius paieškos algoritmus dideliuose duomenų rinkiniuose.

2. Kubitų koherentiškumas ir stabilumas

Kubitai, pagrindiniai kvantinių kompiuterių statybiniai blokai, yra itin jautrūs savo aplinkai. Bet kokia sąveika su išoriniu pasauliu gali priversti juos prarasti kvantines savybes (koherentiškumą) ir sukelti klaidų. Kubitų koherentiškumo palaikymas pakankamai ilgai, kad būtų galima atlikti sudėtingus skaičiavimus, yra didelis technologinis iššūkis.

Pavyzdys: Skirtingos kubitų technologijos (superlaidūs, įkalinti jonai, fotoniniai) turi skirtingą koherentiškumo laiką ir klaidų dažnį. Superlaidūs kubitai, panašūs į tuos, kurie naudojami „Google“ procesoriuje „Sycamore“, siūlo didelį vartų greitį, tačiau yra jautresni triukšmui. Įkalintų jonų kubitai paprastai pasižymi ilgesniu koherentiškumo laiku, bet lėtesniu vartų greičiu. Tyrėjai visame pasaulyje tiria hibridinius metodus, siekdami sujungti skirtingų kubitų tipų privalumus.

3. Mastelio keitimas ir kubitų skaičius

Kvantiniams kompiuteriams reikia didelio skaičiaus kubitų, kad būtų galima išspręsti sudėtingas, realaus pasaulio problemas. Dabartiniai kvantiniai kompiuteriai turi palyginti nedidelį kubitų skaičių, o kubitų skaičiaus didinimas, išlaikant koherentiškumą ir mažą klaidų dažnį, yra didelė inžinerinė kliūtis.

Pavyzdys: Nors tokios kompanijos kaip IBM ir „Rigetti“ nuolat didina kubitų skaičių savo kvantiniuose procesoriuose, šuolis nuo dešimčių iki tūkstančių ir milijonų kubitų, reikalingų gedimams atspariai kvantinei kompiuterijai, reiškia eksponentinį sudėtingumo padidėjimą. Be to, vien kubitų pridėjimas negarantuoja geresnio našumo; kubitų kokybė ir jų jungiamumas yra vienodai svarbūs.

4. Kvantinių klaidų taisymas

Kadangi kubitai yra labai trapūs, kvantinių klaidų taisymas (QEC) yra būtinas norint sukurti patikimus kvantinius kompiuterius. QEC apima kvantinės informacijos kodavimą taip, kad ji būtų apsaugota nuo klaidų. Tačiau QEC reikalauja didelių papildomų sąnaudų, kalbant apie fizinių kubitų skaičių, reikalingą vienam loginiam (klaidų atžvilgiu ištaisytam) kubitui pavaizduoti. Fizinių kubitų ir loginių kubitų santykis yra lemiamas veiksnys, nustatant QEC praktiškumą.

Pavyzdys: Paviršiaus kodas, viena iš pagrindinių QEC schemų, reikalauja tūkstančių fizinių kubitų, kad būtų galima užkoduoti vieną loginį kubitą su pakankamomis klaidų taisymo galimybėmis. Tam reikia masiškai padidinti fizinių kubitų skaičių kvantiniame kompiuteryje, kad būtų galima patikimai atlikti net vidutiniškai sudėtingus skaičiavimus.

5. Algoritmų kūrimas ir programinės įrangos įrankiai

Kvantinių algoritmų ir reikalingų programinės įrangos įrankių kūrimas yra didelis iššūkis. Kvantinis programavimas reikalauja kitokio mąstymo ir įgūdžių, palyginti su klasikiniu programavimu. Trūksta kvantinių programuotojų ir reikia geresnių programinės įrangos įrankių, kad kvantinė kompiuterija taptų prieinamesnė platesniam vartotojų ratui.

Pavyzdys: Tokios sistemos kaip „Qiskit“ (IBM), „Cirq“ („Google“) ir „PennyLane“ („Xanadu“) suteikia įrankius kvantiniams algoritmams kurti ir simuliuoti. Tačiau šios sistemos vis dar tobulinamos, ir reikia patogesnių vartotojo sąsajų, patikimesnių derinimo įrankių ir standartizuotų programavimo kalbų kvantinei kompiuterijai.

6. Patvirtinimas ir patikrinimas

Patikrinti kvantinių skaičiavimų rezultatus yra sudėtinga, ypač sprendžiant problemas, kurios yra neįveikiamos klasikiniams kompiuteriams. Tai kelia iššūkį užtikrinant kvantinių kompiuterių tikslumą ir patikimumą.

Pavyzdys: Nors „Google“ procesorius „Sycamore“ atliko skaičiavimą, kuris, kaip teigiama, buvo neįmanomas klasikiniams kompiuteriams per protingą laiką, pačių rezultatų patikrinimas buvo skaičiavimams imli užduotis. Tyrėjai toliau kuria kvantinių skaičiavimų patvirtinimo metodus, įskaitant metodus, pagrįstus klasikine simuliacija ir kryžminiu patvirtinimu su kitais kvantiniais įrenginiais.

7. „Kvantinio tūrio“ metrika

Kvantinis tūris yra vieno skaičiaus metrika, kuria bandoma apimti kelis svarbius kvantinio kompiuterio našumo aspektus, įskaitant kubitų skaičių, jungiamumą ir klaidų dažnį. Tačiau Kvantinis tūris turi apribojimų, nes jis nevisiškai atspindi našumą visų tipų kvantiniams algoritmams. Jis labiau tinka našumui vertinti tam tikrų tipų grandinėse. Kuriamos kitos metrikos, siekiant pateikti išsamesnį kvantinių kompiuterių našumo vaizdą.

8. Praktinis taikymas ir lyginamoji analizė

Nors kvantinis pranašumas buvo pademonstruotas konkrečioms užduotims, atotrūkio iki praktinio taikymo panaikinimas tebėra iššūkis. Daugelis algoritmų, rodančių teorinį kvantinį pranašumą, vis dar turi būti pritaikyti ir optimizuoti realioms problemoms spręsti. Be to, reikia sukurti tinkamas lyginamąsias problemas, kurios tiksliai atspindėtų konkrečių pramonės šakų poreikius.

Pavyzdys: Taikymas vaistų atradimo, medžiagų mokslo ir finansinio modeliavimo srityse dažnai minimas kaip perspektyvios kvantinės kompiuterijos sritys. Tačiau norint sukurti kvantinius algoritmus, kurie akivaizdžiai pranoktų klasikinius algoritmus šiose konkrečiose srityse, reikia didelių mokslinių tyrimų ir plėtros pastangų.

Pasaulinis kvantinės kompiuterijos tyrimų peizažas

Kvantinės kompiuterijos tyrimai yra pasaulinė pastanga, su didelėmis investicijomis ir veikla Šiaurės Amerikoje, Europoje, Azijoje ir Australijoje. Skirtingos šalys ir regionai daugiausia dėmesio skiria skirtingiems kvantinės kompiuterijos aspektams, atspindintiems jų stipriąsias puses ir prioritetus.

• Šiaurės Amerika: Jungtinės Valstijos ir Kanada turi stiprias pozicijas kvantinės kompiuterijos tyrimų srityje, su didelėmis investicijomis iš vyriausybinių agentūrų (pvz., NIST, DOE JAV, NSERC Kanadoje) ir privačių bendrovių (pvz., „Google“, IBM, „Microsoft“, „Rigetti“, „Xanadu“).
• Europa: Europos Sąjunga pradėjo „Quantum Flagship“ – didelio masto iniciatyvą, skirtą kvantinių technologijų plėtrai remti. Tokios šalys kaip Vokietija, Prancūzija, Jungtinė Karalystė ir Nyderlandai aktyviai dalyvauja kvantinės kompiuterijos tyrimuose.
• Azija: Kinija daug investavo į kvantinės kompiuterijos tyrimus ir siekia tapti lydere šioje srityje. Japonija, Pietų Korėja ir Singapūras taip pat aktyviai vykdo kvantinės kompiuterijos tyrimus.
• Australija: Australija turi stiprią mokslinių tyrimų bendruomenę kvantinės kompiuterijos srityje, ypač silicio kubitų ir topologinių kubitų srityse.

Kelias pirmyn: apribojimų įveikimas

Norint įveikti kvantinio pranašumo apribojimus, reikalingas daugialypis požiūris:

• Kubitų technologijos tobulinimas: Būtina kurti stabilesnius ir koherentiškesnius kubitus su mažesniu klaidų dažniu. Tam reikia tyrinėti naujas medžiagas, gamybos metodus ir valdymo būdus.
• Kvantinių klaidų taisymo tobulinimas: Norint sukurti gedimams atsparius kvantinius kompiuterius, būtina kurti efektyvesnes QEC schemas, kurioms reikia mažiau fizinių kubitų vienam loginiam kubitui.
• Kvantinių algoritmų kūrimas: Norint realizuoti praktinį kvantinį pranašumą, būtina kurti naujus kvantinius algoritmus, pritaikytus konkrečioms problemoms ir optimizuotus konkrečioms kvantinių kompiuterių architektūroms.
• Programinės įrangos įrankių tobulinimas: Norint, kad kvantinė kompiuterija taptų prieinamesnė platesniam vartotojų ratui, labai svarbu kurti patogesnius ir patikimesnius programinės įrangos įrankius kvantiniam programavimui.
• Bendradarbiavimo skatinimas: Tyrėjų, inžinierių ir pramonės ekspertų bendradarbiavimas yra būtinas norint paspartinti kvantinės kompiuterijos plėtrą.

Poveikis postkvantinei kriptografijai

Kvantinių kompiuterių potencialas pažeisti dabartinius šifravimo algoritmus paskatino postkvantinės kriptografijos (PQC) tyrimus. PQC tikslas – sukurti kriptografinius algoritmus, atsparius tiek klasikinių, tiek kvantinių kompiuterių atakoms. Kvantinių kompiuterių plėtra, net ir su dabartiniais apribojimais, pabrėžia perėjimo prie PQC svarbą.

Pavyzdys: NIST (Nacionalinis standartų ir technologijų institutas) šiuo metu standartizuoja PQC algoritmus, kurie ateityje bus naudojami jautriems duomenims apsaugoti. Tai apima algoritmų, kurie yra ir saugūs, ir efektyvūs naudoti klasikiniams kompiuteriams, vertinimą ir atranką.

Kvantinės kompiuterijos ateitis: realistinis požiūris

Nors kvantinis pranašumas yra reikšmingas pasiekimas, svarbu išlaikyti realistinį požiūrį į kvantinės kompiuterijos ateitį. Kvantiniai kompiuteriai greitai nepakeis klasikinių kompiuterių. Vietoj to, jie greičiausiai bus naudojami kaip specializuoti įrankiai konkrečioms problemoms, kurios yra neįveikiamos klasikiniams kompiuteriams, spręsti. Kvantinės kompiuterijos plėtra yra ilgalaikė pastanga, kuri pareikalaus nuolatinių investicijų ir inovacijų.

Pagrindinės išvados:

• Kvantinis pranašumas buvo pademonstruotas, tačiau jis priklauso nuo konkretaus algoritmo ir nereiškia visuotinio pranašumo prieš klasikinius kompiuterius.
• Kubitų koherentiškumas, mastelio keitimas ir kvantinių klaidų taisymas tebėra dideli iššūkiai.
• Praktinių kvantinių algoritmų ir programinės įrangos įrankių kūrimas yra labai svarbus norint realizuoti kvantinės kompiuterijos potencialą.
• Postkvantinė kriptografija yra būtina siekiant apsisaugoti nuo ateities kvantinių grėsmių.
• Kvantinės kompiuterijos plėtra yra ilgalaikė pasaulinė pastanga.

Kelionė link praktinės kvantinės kompiuterijos yra maratonas, o ne sprintas. Nors pradinis jaudulys dėl kvantinio pranašumo yra pagrįstas, norint realizuoti visą šios transformuojančios technologijos potencialą, būtina suprasti dabartinius apribojimus ir sutelkti dėmesį į jų įveikimą.