Kuantum Üstünlüğü Olası Değildir, Bilim Diyor


Google duyurdu bu düşüşte "kuantum üstünlüğü" gösterdiği düşünüldü – yani, en iyi klasik bilgisayarların elde edebileceğinden çok daha hızlı belirli bir kuantum hesaplaması yapıldı. IBM derhal talebi eleştirdikendi klasik süper bilgisayarının hesap yapabildiğini söyleyerek çok daha yüksek doğrulukla neredeyse aynı hızda ve bu nedenle, Google’ın duyurusu “büyük bir şüphecilikle” yapılmalıdır.

Bu ilk kez bir kişinin kuantum hesaplama konusunda şüphe duymasına neden oldu. Geçen yıl, Michel DyakonovFransa'daki Montpellier Üniversitesi'ndeki teorik fizikçi, bir takım teknik nedenler sundu pratik kuantum süper bilgisayarları neden inşa edilmeyecek IEEE Spectrum'daki bir makalede, amiral gemisi elektrik ve bilgisayar mühendisliği dergisi.

Peki neler olup bittiğini nasıl anlayabilirsin?

Üzerinde çalışmış biri olarak kuantum hesaplama için uzun yıllar, Donanımdaki rastgele hataların kaçınılmazlığı nedeniyle, faydalı kuantum bilgisayarların şimdiye kadar yapılmış olma ihtimallerinin düşük olduğuna inanıyorum.

İlgili: 18 Kez Kuantum Fiziği Zihnimizi Patlattı

Kuantum bilgisayar nedir?

Nedenini anlamak için, klasik bilgisayarlardan temelde farklı olduklarından, kuantum bilgisayarların nasıl çalıştığını anlamanız gerekir.

Klasik bir bilgisayar veri depolamak için 0 ve 1'ler kullanır. Bu sayılar bir devredeki farklı noktalardaki gerilimler olabilir. Ancak kuantum bilgisayar, kubit olarak da bilinen kuantum bitleri üzerinde çalışır. Onları genlik ve faz ile ilişkili dalgalar olarak hayal edebilirsiniz.

Qubitler özel özelliklere sahiptir: Aynı anda hem 0 hem de 1 oldukları süperpozisyonda bulunabilirler ve büyük mesafelerle ayrılsalar bile fiziksel özellikleri paylaşırlarsa dolaşmış olabilirler. Klasik fizik dünyasında olmayan bir davranış. deneyci etkileşime girdiğinde üst üste kaybolma kaybolur kuantum haliyle.

Süperpozisyon nedeniyle, 100 bitlik bir kuantum bilgisayar aynı anda 2100 çözümü temsil edebilir. Bazı problemler için, bu üssel paralellik, muazzam bir hız avantajı yaratmak için kullanılabilir. Bazı kod kırma sorunları kuantum bir makinede katlanarak daha hızlı çözülebilirdi, Örneğin.

Kuantum hesaplamaya, daha dar bir yaklaşım denir. kuantum tavlamaQubitlerin optimizasyon problemlerini hızlandırmak için kullanıldığı yerler. Kanada merkezli D-Wave Sistemleri, bu amaç için litreleri kullanan optimizasyon sistemleri kurdu, ancak eleştirmenlerin de bu sistemler olduğunu iddia ediyor klasik bilgisayarlardan daha iyi değil.

Ne olursa olsun, şirketler ve ülkeler kuantum hesaplamaya büyük miktarda para yatırıyorlar. Çin geliştirdi 10 milyar dolar değerinde yeni kuantum araştırma tesisiAvrupa Birliği ise 1 milyar Euro (1,1 milyar dolar) geliştirmiştir. kuantum ana planı. Birleşik Devletler' Ulusal Kuantum Girişimi Yasası beş yıllık bir süre boyunca kuantum bilgi bilimini desteklemek için 1,2 milyar dolar sağlıyor.

Şifreleme algoritmalarını kırmak birçok ülke için güçlü bir motive edici faktördür – başarılı bir şekilde yapabilselerdi, onlara büyük bir istihbarat avantajı verirdi. Ancak bu yatırımlar fizik alanındaki temel araştırmaları da teşvik ediyor.

Birçok şirket kuantum bilgisayarları kurmaya çalışıyor, Google ve IBM’e ek olarak Intel ve Microsoft dahil. Bu şirketler klasik bilgisayarların devre modelini taklit eden donanımlar üretmeye çalışıyorlar. Bununla birlikte, mevcut deneysel sistemlerde 100 litreden az var. Kullanışlı hesaplama performansı elde etmek için, muhtemelen yüzbinlerce litrelik makinelere ihtiyacınız var.

Google'ın Çınar camı, kuantum kriyostatlarında serin tutuluyor.

Google'ın Çınar camı, kuantum kriyostatlarında serin tutuluyor. (Resim kredisi: Eric Lucero / Google, Inc.)

Gürültü ve hata düzeltme

Kuantum algoritmalarının temelini oluşturan matematik iyi bir şekilde oluşturulmuştur, ancak geriye kalan göz korkutucu mühendislik zorlukları vardır.

Bilgisayarların düzgün çalışması için tüm küçük rasgele hataları düzeltmeleri gerekir. Kuantum bir bilgisayarda, bu tür hatalar ideal olmayan devre elemanlarından ve kubitlerin etraflarındaki çevre ile etkileşimlerinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, pençeler saniyenin bir kesirinde tutarlılığını kaybedebilir ve bu nedenle hesaplama daha kısa sürede tamamlanmalıdır. Herhangi bir fiziksel sistemde kaçınılmaz olan rastgele hatalar düzeltilmezse, bilgisayarın sonuçları değersiz olur.

Klasik bilgisayarlarda, eşik olarak bilinen bir kavramdan yararlanılarak küçük gürültü düzeltilmiştir. Sayıların yuvarlanması gibi çalışır. Böylece, hatanın 0,5'ten küçük olduğu bilinen tamsayıların iletilmesinde, eğer alınanlar 3.45 ise, alınan değer 3 olarak düzeltilebilir.

İlgili: En Güzel 11 Matematiksel Denklem

Fazlalık getirilerek başka hatalar düzeltilebilir. Böylece, eğer 0 ve 1 000 ve 111 olarak iletilirse, iletim sırasında en fazla bir bit hatası kolayca düzeltilebilir: Alınan bir 001, 0 olarak yorumlanır ve alınan bir 101, 1 olarak yorumlanır.

Kuantum hata düzeltme kodları klasik kodların bir genellemesidir, ancak çok önemli farklılıklar vardır. Birincisi, bilinmeyen boşluklar, fazlalığı hata düzeltme tekniği olarak kullanmak için kopyalanamaz. Ayrıca, hata düzeltme kodlaması yapılmadan önce gelen verilerde mevcut olan hatalar düzeltilemez.

Kuantum şifrelemesi

Gürültü sorunu, kuantum bilgisayarlarının uygulanmasında ciddi bir zorluk olsa da, insanların tek bir litre ile uğraştığı kuantum şifrelemede öyle değil, çünkü tek bir litre, ortamdan önemli bir süre boyunca izole kalabilir. Kuantum şifrelemesi kullanarak, iki kullanıcı, anahtar değişim sistemini kırabilecek hiç kimse olmadan, verileri güvende tutan, anahtar olarak bilinen çok büyük sayıları değiştirebilir. Bu tür anahtar değişimi, uydular ve deniz gemileri arasındaki iletişimi güvenceye alabilir. Ancak anahtar değiştirildikten sonra kullanılan gerçek şifreleme algoritması klasik kalır ve bu nedenle şifreleme teorik olarak klasik yöntemlerden daha güçlü değildir.

Kuantum şifrelemesi, ticari olarak, yüksek değerli bankacılık işlemlerinde sınırlı bir anlamda kullanılmaktadır. Ancak iki tarafın klasik protokoller kullanılarak onaylanması gerektiğinden ve bir zincir sadece en zayıf halkası kadar güçlü olduğundan, mevcut sistemlerden farklı değildir. Bankalar hala genel güvenlik kaybı olmadan anahtar değişimi yapmak için kullanılabilecek klasik bir kimlik doğrulama işlemi kullanıyor.

Kuantum şifreleme teknolojisi odağını bilginin kuantum aktarımına kaydırmalı eğer mevcut şifreleme tekniklerinden önemli ölçüde daha güvenli olacaksa.

Ticari ölçekli kuantum hesaplama zorlukları

Kuantum kriptografisi, kuantum aktarım sorunları çözülebiliyorsa, bazı sözler verse de, aynı kuantum hesaplama için de aynı durumun geçerli olduğundan şüpheliyim. Çok amaçlı bir bilgisayar için temel olan hata düzeltmesi, kuantum bilgisayarlarda, ticari ölçekte inşa edileceklerine inanmayacaklarını düşündüğüm önemli bir zorluktur.

(Zekisin ve dünyayı merak ediyorsun. Öyleyse, Konuşmanın yazarları ve editörleri. Her hafta sonu olaylarımızı görebilirsiniz.)

Bu makale başlangıçta yayınlandı Konuşma. Bu yayın makaleyi Live Science’a Uzman Sesleri: Op-Ed & Insights.