量子计算成为现实

量子计算将开始推出越来越有用的方式在未来几年内,为最终可能导致重组最终在高性能计算和云。

量子计算一直被视为一些未来研究项目可能的商业应用。它通常需要在接近绝对零度的温度下运行,这意味着大多数人从未真正将这项技术,这可能是件好事,因为量子计算机今天仍然是一个粗略的连接电缆。到目前为止,已经被证明很难创造足够的量子位元足够长的一段时间是有用的。这次浪潮似乎是转折点,如何扩展的生命周期量子比特,也被称为量子比特,以及可用量子位的数量。

一个量子位量子信息的单位,相当于二进制位在经典计算。是什么让量子位如此有趣的是1和0可以叠加,这意味着它可以执行许多并行计算在同一时间。所以与二进制计算机,要么是0或1,量子计算机有三个基本states-0, 1, 0或1。大大简化了的条款,允许操作可以同时使用不同的值。再加上构建良好的算法,量子计算机至少会和今天一样强大的超级计算机,在未来他们将数量级更强大。

“第一个应用程序可能会在量子化学、量子模拟,”杰夫说六须鲇,副总裁兼实验室主任IBM阿尔马登研究。“人们正在寻找新材料、分子模拟等药物分子,为此你可能只需要大约100个量子位。今天我们在50个量子位。所以我们不遥远。它会发生在接下来的一两年。我给的例子是咖啡因分子,因为它是一个分子我们都爱。这是一个相当小的分子有95个电子。模拟分子,你模拟电子的状态。但是如果你要完全模拟实际算出的95电子的能量状态配置,需要10⁴⁸经典比特。有10⁵⁰原子在地球,所以没有办法你会建立一个系统,10⁴⁸经典比特。它是坚果。它只需要160量子位来做这些,因为量子比特可以正确所有的量子态和纠缠。”

图1:IBM的50问系统。来源:IBM

具体的数字和时间会有点模糊。虽然几乎每个人都同意在量子计算的潜力,量子位的推出时间表和所需数量还远不清楚。并不是所有的量子比特都是一样的,并不是所有的算法都是平等的。

“有两个因素推动这一技术,”说Jean-Eric Michellet,高级的创新和技术总监Leti。“一个量子位的质量。另一种是量子位的数量。你需要实现质量、数量,这是一个比赛,现在是怎么回事。”

这两个因素是紧密交织在一起的,因为也有两种不同类型的量子位,逻辑和物理。逻辑量子位可以用于编程,而物理量子位量子位的实际实现。根据量子位的质量,测量精度和相干时间(一个量子位持续多久),逻辑和物理量子位的比率将会改变。质量越低,越需要物理量子位。

另一块是量子算法的质量,这里有很多工作要做。“我们仍然在软件的开始,“Michellet说。“这是一个做算法的新方法。”

然而即使相对粗糙算法和量子位技术今天,量子计算开始显示重大进展在经典计算方法。

“性能(用于量子计算)指数的行为,”詹姆斯·克拉克说,量子硬件主管英特尔实验室。“非常小的问题,你可能有相当多的开销。当我们测量传统算法,有交叉点。量子算法将是成倍增长的更快。在社区有讨论这个交叉点将50个量子位。我们认为它更像是一千年左右的某些类型的优化算法。

英特尔正在两个量子位technologies-superconducting量子位和自旋量子比特互补金属氧化物半导体。该公司最近展示了一种49-qubit计算机,基于超导技术代号为纠结湖。

图2:英特尔49-qubit纠结湖处理器,其中包括108黄金射频连接器的微波信号。来源:英特尔

更快的所有恐惧
量子计算背后的一个关键因素是担心,它可以用来休息使用传统的电脑密码,要花很长时间。安全专家普遍认为,所有密码可以有足够的时间和精力,但在最安全的操作,可能需要几年甚至几十年。与一个强大的量子计算机,时间可以减少到几分钟,如果不是秒。

这催生了大规模投资由政府、大学、工业、和团体组成的实体。

“加密确实驱动研究世界各地的政府层面,”克拉克说。“认为安全会妥协可能是担心但也许像量子计算机的目标。在这个空间中,这实际上需要一个非常强大的量子计算机,可能是多年了。”

更为紧迫的问题涉及到今天的安全措施。

“一些,并不是所有的,加密算法与量子计算,”Paul Kocher说,一个独立的密码学和计算机安全专家。“我们可能不是东西被打破的风险在未来五年。但如果你现在记录一些东西,在30年发生了什么?与卧底行动你期望他们秘密很长一段时间。类似AES 56不是易碎的量子计算机的速度比传统电脑。这同样适用于长键。但像RSA公钥和diffie - hellman密钥交换,这些可能被打破。我们仍然远离建立量子计算机可以这样做,但这可能颠覆整个游戏的PKI(公钥基础设施)。这些事情是突然处于危险之中。“

挑战依然存在
今天的量子位远非完美。不像古典一些,他们不存在很久,他们并不完全准确。

“这是量子计算的主要焦点,”IBM的六须鲇说。”这不仅是如何增加量子位的数量,我们知道怎么做只要继续建造更多。但是您如何构建,错误率下降,并增加相干时间,这样你可以有时间来操纵这些量子位,让他们一起互动吗?如果你有100个量子位,但相干时间只有100微秒,你不能让他们有效地互动做一个实际的算法之前,他们都有一个错误。为了前进,我们谈论所谓的量子体积,然后考虑量子位的数量,相干时间,他们保持稳定的时间长度,数量,可以纠缠在一起。这些因素提供我们认为是最好的方法来比较量子计算机。”

IBM是专注于量子体积最好的前进道路,但这一点是当今学术界争论的话题。“很明显,获得相干时间长是很重要的,“六须鲇说。”,但即使在我们现在在水平,我们在7-qubit模拟three-atom分子机器和显示,它的工作原理。他们是容易出错,但他们获得正确的答案。你只是运行模拟几千次,花很少的时间做的一切,然后你把出来的概率,你在地图上标出你的答案。”

这里的关键指标之一,是经典的旅行商问题。如果一个推销员一定路线覆盖涉及多个城市,不在一条直线,最有效的方式来管理旅游是什么?这个问题没有简单的答案,这是棘手的数学家,因为它是在1930年首先提出的。甚至有一些生物比较基于蜜蜂授粉的植物,因为蜜蜂非常有效。但蜜蜂的研究得出结论,完成精度并不重要,只要它足够好。

并且提出了一些有趣的问题如何计算应该做。而非精确计算问题的答案,焦点转向分布。需要更少的力量,提高了性能,结果不错,等大问题的财务估值建模。

六须鲇表示,银行已经开始探索量子计算空间。“他们想要现在就开始着手找出正确的算法,和理解这些系统如何运行以及如何将它们集成在与其他所有的模拟。但是他们会继续使用高性能计算系统,。”

经济效率
权力/扩展经典计算芯片的性能优势递减在每个节点后28 nm,和最新开发芯片的成本上升过程节点,量子计算开辟了一个全新的机会。这一事实还没有在公司如IBM、英特尔、微软、谷歌和递波系统,所有这些都想实现该项技术的商业化。

图3:递波量子芯片。来源:递波

最大的问题是这是否都可以使用硅生产的规模效益,已到位并证明。

说:“这些都是大的芯片,英特尔的克拉克。“对于一个小芯片,2量子比特,这些我们可以wirebond包。任何比,我们开始做倒装芯片键合。任何大于17,我们添加超导tsv。”

这是一种接近量子位制造业,但肯定不是唯一的方法。“我们还在研究自旋量子比特硅,”克拉克说。“基本上,我们所做的是创建一个硅电子晶体管。而不是电流通过你的渠道,我们陷阱一个电子渠道。我们把磁铁放在冰箱里。所以一个电子在磁场中旋转或旋转。这两个州的量子位。为什么这有吸引力?其中一个量子位元比超导量子位小一百万倍的面积。你可以扩展这大量可能是更可行的。”

有不同的商业模式的新兴硬件。英特尔的一种方法,它的发展和销售量子芯片的,今天的计算机芯片。IBM和递波构建完整的系统。和微软和谷歌正在开发的算法。

质量控制
剩余的一大挑战是找出作品,没有什么,为什么。这听起来还不够明显,但随着量子计算这不是那么简单。因为结果通常分布而不是确切答案,5%的误差可能产生足够好的结果在一个案例中,但在另一个有缺陷的结果。

此外,量子计算是对环境变化高度敏感。这些系统需要保持在一个恒定的温度接近绝对零度,和噪音任何可能导致中断。这些系统是如此之大的原因之一是它们提供绝缘和隔离,这使得它很难做对比不同的机器。

最重要的是,量子位质量参差不齐。“因为你使用一个量子位一旦在一个特定的配置中,会表现相同的另一个吗?能影响什么是真,什么是假,“Leti的Michellet说。“即使你有完全相同的状态,你下次运行相同的算法吗?我们需要一些工具在这里。”

最后,今天所使用的算法是如此基本,他们无疑会改变。虽然这通常是一个简单的过程与机器学习和人工智能修剪和重量这些算法更准确地说,当涉及到量子计算的算法可以利用量子比特的叠加功能,添加多个维度。它不是完全清楚这些算法将如何演变,但每个人都参与这个空间也有大的变化。

结论
量子计算。有多快还不清楚,尽管这项技术的第一个版本预计将开始出现在接下来的几年里,与更多的市场推广和应用程序预期在未来十年。

虽然量子计算是不可能出现在一个便携设备,这是一个颠覆性技术,可以广泛的影响对于云计算和边缘设备连接到电脑。尤其是芯片行业,它提供了另一个前进道路以外的设备扩展,巨大的性能提升不基于填鸭式更多的晶体管到硅片上。鉴于在3 nm芯片制造商面临的技术挑战,时机再好不过了。

马克LaPedus对此报道亦有贡献。

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