Hype und Bargeld sind ein schlammiges öffentliches Verständnis von Quantencomputer

Calling All Cars: The Blood-Stained Wrench / Unconquerable Mrs. Shuttle / The Lesson in Loot (Juli 2019).

Anonim

Es ist keine Überraschung, dass Quantencomputer zur Medienbesessenheit geworden sind. Ein funktioneller und nützlicher Quantencomputer würde eine der tiefsten technischen Errungenschaften des Jahrhunderts darstellen.

Für Forscher wie mich ist die Aufregung willkommen, aber einige Behauptungen, die in populären Verkaufsstellen erscheinen, können verwirrend sein.

Eine kürzliche Infusion von Geld und Aufmerksamkeit von den Technologiegiganten hat das Interesse von Analysten geweckt, die nun eifrig einen Durchbruch in der Entwicklung dieser außergewöhnlichen Technologie verkünden wollen.

Quantum Computing wird als "gleich um die Ecke" beschrieben und wartet nur auf die technische Leistungsfähigkeit und den Unternehmergeist des Tech-Sektors, um sein volles Potenzial auszuschöpfen.

Was ist die Wahrheit? Sind wir wirklich nur ein paar Jahre davon entfernt, Quantencomputer zu haben, die alle Online-Sicherheitssysteme durchbrechen können? Nun, da die Technologie-Giganten beschäftigt sind, lehnen wir uns zurück und warten auf ihre Auslieferung? Ist es jetzt alles "nur Engineering"?

Warum kümmern wir uns so sehr um Quantencomputer?

Quantencomputer sind Maschinen, die die Regeln der Quantenphysik - mit anderen Worten die Physik sehr kleiner Dinge - verwenden, um Informationen auf neue Weise zu kodieren und zu verarbeiten.

Sie nutzen die ungewöhnliche Physik, die wir auf diesen winzigen Skalen finden, eine Physik, die sich unserer täglichen Erfahrung entzieht, um Probleme zu lösen, die für "klassische" Computer eine besondere Herausforderung darstellen. Denken Sie nicht nur an Quantencomputer als schnellere Versionen der heutigen Computer - denken Sie an sie als Computer, die auf völlig neue Weise funktionieren. Die beiden sind so verschieden wie ein Abakus und ein PC.

Sie können (im Prinzip) harte, wirkungsvolle Fragen in Bereichen wie Codebreaking, Suche, Chemie und Physik lösen.

Das wichtigste unter ihnen ist das "Factoring": die beiden Primzahlen zu finden, die nur durch eins und sich selbst teilbar sind, die, wenn sie miteinander multipliziert werden, eine Zielzahl erreichen. Zum Beispiel sind die Primfaktoren von 15 3 und 5.

So einfach es aussieht, wenn die zu faktorierende Zahl groß wird, sagen wir 1000 Stellen, ist das Problem für einen klassischen Computer praktisch unmöglich. Die Tatsache, dass dieses Problem für jeden herkömmlichen Computer so schwierig ist, ist, wie wir die meisten Internet-Kommunikationen sichern, beispielsweise durch Public-Key-Verschlüsselung.

Es ist bekannt, dass einige Quantencomputer das Faktorisieren exponentiell schneller ausführen als jeder klassische Supercomputer. Aber im Wettbewerb mit einem Supercomputer wird immer noch ein ziemlich großer Quantencomputer benötigt.

Geld verändert alles

Quantum Computing begann als eine einzigartige Disziplin in den späten 1990er Jahren, als die US-Regierung, die sich des neu entdeckten Potenzials dieser Maschinen für Codebreaking bewusst war, begann, in universitäre Forschung zu investieren

Das Feld zog Teams aus der ganzen Welt zusammen, darunter auch Australien, wo wir jetzt zwei Exzellenzzentren für Quantentechnologie haben (der Autor ist Teil des Exzellenzzentrums für Engineered Quantum Systems).

Aber der akademische Fokus verlagert sich jetzt zum Teil auf die Industrie.

IBM hat seit langem ein Grundlagenforschungsprogramm in diesem Bereich. Es wurde kürzlich von Google, die in ein Team der Universität von Kalifornien investiert, und Microsoft, die mit Akademikern weltweit, einschließlich der Universität von Sydney eine Partnerschaft eingegangen ist.

Im Blut riecht es nach Blut, Silicon Valley-Risikokapitalgeber investieren seit kurzem auch in neue Startups, die an der Entwicklung von Quantencomputern arbeiten.

Die Medien haben irrtümlicherweise den Eintritt kommerzieller Spieler als die Genese der jüngsten technologischen Beschleunigung und nicht als Antwort auf diese Fortschritte gesehen.

So finden wir nun eine Vielzahl von konkurrierenden Behauptungen über den Stand der Technik auf dem Feld, wohin das Feld geht, und wer zuerst zum Endziel - einem großen Quantencomputer - kommt.

Der Stand der Technik in den seltsamsten Technologien

Herkömmliche Computer-Mikroprozessoren können mehr als eine Milliarde fundamentale Logikelemente aufweisen, die als Transistoren bekannt sind. In Quantensystemen sind die fundamentalen quantenlogischen Einheiten als Qubits bekannt, und im Moment sind sie meist im Bereich von einem Dutzend nummeriert.

Solche Geräte sind für Forscher außergewöhnlich aufregend und stellen einen großen Fortschritt dar, aber sie sind wenig mehr als Spielzeug aus einer praktischen Perspektive. Sie sind nicht in der Nähe, was für Factoring oder eine andere Anwendung erforderlich ist - sie sind zu klein und leiden zu viele Fehler, trotz der hektischen Schlagzeilen versprechen.

Zum Beispiel ist es nicht einfach, die Frage zu beantworten, welches System gerade die besten Qubits hat.

Betrachten Sie die zwei dominierenden Technologien. Teams, die gefangene Ionen verwenden, haben Qubits, die fehleranfällig, aber relativ langsam sind. Teams, die supraleitende Qubits verwenden (einschließlich IBM und Google), haben relativ fehleranfällige Qubits, die viel schneller sind und in naher Zukunft einfacher repliziert werden können.

Welches ist besser? Es gibt keine einfache Antwort. Ein Quantencomputer mit vielen Qubits, die viele Fehler aufweisen, ist nicht notwendigerweise nützlicher als eine sehr kleine Maschine mit sehr stabilen Qubits.

Da Quantencomputer auch verschiedene Formen annehmen können (allgemeiner Zweck oder auf eine Anwendung zugeschnitten), können wir uns nicht einmal darüber einigen, welches System derzeit die besten Fähigkeiten aufweist.

Ebenso gibt es scheinbar endlose Konkurrenz um vereinfachte Metriken wie die Anzahl der Qubits. Fünf, 16, bald 49! Die Frage, ob ein Quantencomputer nützlich ist, wird von viel mehr als diesem definiert.

Wohin von hier?

In letzter Zeit wurde in den Medien der Schwerpunkt auf "Quantenhoheit" gelegt. Dies ist der Punkt, an dem ein Quantencomputer sein bestes klassisches Gegenstück übertrifft, und dieses Erreichen würde einen wichtigen konzeptionellen Fortschritt im Quantencomputing bedeuten.

Aber verwechseln Sie die "Quantenhoheit" nicht mit "Nützlichkeit".

Einige Quantencomputerforscher versuchen, leicht geheimnisvolle Probleme zu entwickeln, die es ermöglichen, die Quantenhoheit mit etwa 50-100 Qubits zu erreichen - Zahlen, die innerhalb der nächsten Jahre erreicht werden können.

Das Erreichen der Quantenhoheit bedeutet nicht, dass diese Maschinen nützlich sind oder dass der Weg zu Großmaschinen klar wird.

Außerdem müssen wir noch herausfinden, wie wir mit Fehlern umgehen. Klassische Computer erleiden nur selten Hardwarefehler - der "blaue Bildschirm des Todes" kommt im Allgemeinen von Softwarefehlern und nicht von Hardwarefehlern. Die Wahrscheinlichkeit eines Hardwarefehlers ist normalerweise geringer als etwa eins in einer Billiarde Billiarde oder 10 -24 in wissenschaftlicher Notation.

Die beste Quantencomputer-Hardware erreicht andererseits typischerweise nur etwa eines von 10.000 oder 10 -4. Das ist 20 Größenordnungen schlechter.

Ist das alles nur Engineering?

Wir sehen ein langsames Anwachsen der Anzahl der Qubits in den fortschrittlichsten Systemen, und kluge Wissenschaftler denken über Probleme nach, die mit kleinen Quantencomputern, die nur ein paar Hundert Qubits enthalten, sinnvoll angegangen werden könnten.

Aber wir stehen immer noch vor vielen grundlegenden Fragen, wie wir die Leistung der großen Systeme, die wir manchmal hören, gleich um die Ecke bauen, betreiben oder sogar validieren können.

Wenn wir zum Beispiel einen vollständig "fehlerkorrigierten" Quantencomputer in der Größenordnung von Millionen von Qubits bauen, die für ein nützliches Faktorisieren erforderlich sind, würde das, soweit wir das beurteilen können, einen völlig neuen Zustand der Materie darstellen. Das ist ziemlich grundlegend.

In diesem Stadium gibt es keinen klaren Weg zu den Millionen von fehlerkorrigierten Qubits, von denen wir glauben, dass sie notwendig sind, um eine nützliche Factoring-Maschine zu bauen. Aktuelle globale Bemühungen (an denen der Autor beteiligt ist) versuchen, nur ein fehlerkorrigiertes Qubit zu bauen, das in etwa fünf Jahren geliefert werden soll.

Am Ende des Tages wird wahrscheinlich keines der oben genannten Teams einen nützlichen Quantencomputer im Jahr 2017 bauen

.

oder 2018. Aber das sollte keine Sorge machen, wenn so viele spannende Fragen auf dem Weg zu beantworten sind.

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