XNUMX년 후, 아무도 모릅니다

내용

D-Wave 개척자
큐비트 또는 중첩과 얽힘
실리콘 또는 이온 트랩
폐허 및 기타 결과에 있는 암호의 거점
금잔화법

양자 컴퓨터에 대한 많은 출판물을 읽은 정보가 부족한 사람은 양자 컴퓨터가 일반 컴퓨터와 동일한 방식으로 작동하는 "기성품" 기계라는 인상을 받을 수 있습니다. 더 이상 잘못된 것은 없습니다. 일부는 아직 양자 컴퓨터가 없다고 생각합니다. 그리고 제로원 시스템을 대체하도록 설계되지 않았기 때문에 어떤 용도로 사용할지 궁금해하는 사람들도 있습니다.

우리는 약 XNUMX년 안에 최초의 실제적이고 제대로 작동하는 양자 컴퓨터가 나타날 것이라는 말을 자주 듣습니다. 그러나 Linley Group의 수석 애널리스트 Linley Gwennap은 기사에서 "사람들이 XNUMX년 후에 양자 컴퓨터가 나타날 것이라고 말할 때 언제 일어날지 모른다"고 지적했습니다.

이런 막연한 상황에도 불구하고 소위 말하는 경쟁 분위기. 양자 지배. 양자 작업과 중국의 발전을 우려한 미 행정부는 지난해 XNUMX월 국가양자이니셔티브법(National Quantum Initiative Act)을 통과시켰다.1). 이 문서는 양자 컴퓨팅 및 기술의 연구, 개발, 시연 및 적용에 대한 연방 지원을 제공하기 위한 것입니다. 마법 같은 1년 안에 미국 정부는 양자 컴퓨팅 인프라, 생태계 구축 및 인력 채용에 수십억 달러를 지출할 것입니다. D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft 및 Rigetti와 같은 양자 컴퓨터의 모든 주요 개발자와 양자 알고리즘 XNUMXQBit 및 Zapata의 제작자는 이를 환영했습니다. 국가 양자 이니셔티브.

D-Wave 개척자

2007년 D-Wave Systems는 128큐비트 칩(2)라고 합니다. 세계 최초의 양자 컴퓨터. 그러나 그것이 그렇게 불릴 수 있는지 확실하지 않았습니다. 그의 건축에 대한 세부 사항없이 그의 작품 만 보여졌습니다. 2009년 D-Wave Systems는 Google용 "양자" 이미지 검색 엔진을 개발했습니다. 2011년 XNUMX월 Lockheed Martin은 D-Wave Systems로부터 양자 컴퓨터를 인수했습니다. D-웨이브 원 10만 달러에 관련 알고리즘 운영 및 개발을 위한 다년 계약을 체결했습니다.

2012년에 이 기계는 에너지가 가장 낮은 나선형 단백질 분자를 찾는 과정을 시연했습니다. D-Wave Systems의 연구원들은 서로 다른 번호의 시스템을 사용합니다. 큐비트, 여러 수학적 계산을 수행했으며 그 중 일부는 기존 컴퓨터의 기능을 훨씬 뛰어 넘었습니다. 그러나 2014년 초에 John Smolin과 Graham Smith는 D-Wave Systems 기계가 기계가 아니라고 주장하는 기사를 발표했습니다. 얼마 지나지 않아 Physics of Nature는 D-Wave One이 여전히 ...

2014년 2017월에 실시된 또 다른 테스트에서는 클래식 컴퓨터와 D-Wave Systems 컴퓨터 간에 차이가 없었지만 회사는 테스트에서 해결된 것보다 더 복잡한 작업에서만 차이가 눈에 띈다고 응답했습니다. XNUMX년 초에 회사는 표면적으로 다음과 같이 구성된 기계를 공개했습니다. 2천 큐비트가장 빠른 기존 알고리즘보다 2500배 더 빠릅니다. 그리고 다시 두 달 후, 과학자 그룹이 이 비교가 정확하지 않다는 것을 증명했습니다. 많은 회의론자들에게 D-Wave 시스템은 여전히 양자 컴퓨터가 아니지만 시뮬레이션 고전적인 방법을 사용합니다.

XNUMX세대 D-Wave 시스템은 양자 어닐링큐비트의 상태는 초전도 양자 회로(소위 조셉슨 접합에 기반)에 의해 실현됩니다. 절대 영도에 가까운 환경에서 작동하며 2048큐비트 시스템을 자랑합니다. 2018년 말, D-Wave가 시장에 출시되었습니다. 되튐즉, 당신의 실시간 양자 응용 환경 (카에). 클라우드 솔루션을 사용하면 외부 클라이언트가 실시간으로 양자 컴퓨팅에 액세스할 수 있습니다.

2019년 XNUMX월 D-Wave는 차세대 페가수스. 큐비트당 XNUMX개가 아닌 XNUMX개의 연결을 가진 "세계에서 가장 광범위한 상용 양자 시스템"이라고 발표되었습니다. 5큐비트 이상 이전에 알려지지 않은 수준에서 노이즈 감소를 켭니다. 이 장치는 내년 중반에 판매될 예정입니다.

큐비트 또는 중첩과 얽힘

표준 컴퓨터 프로세서는 패킷 또는 정보 조각에 의존하며 각각은 하나의 예 또는 아니오 대답을 나타냅니다. 양자 프로세서는 다릅니다. 제로원 세상에서는 작동하지 않습니다.. 팔꿈치 뼈, 양자 정보의 가장 작고 불가분의 단위는 설명된 XNUMX차원 시스템입니다. 힐베르트 공간. 따라서 클래식 비트와 다를 수 있다는 점에서 어떤 중첩 두 개의 양자 상태. 큐비트의 물리적 모델은 전자와 같이 스핀이 ½인 입자 또는 단일 광자의 분극화의 예로 가장 자주 제공됩니다.

큐비트의 힘을 활용하려면 큐비트라는 프로세스를 통해 큐비트를 연결해야 합니다. 착란. 큐비트가 추가될 때마다 프로세서의 처리 능력 더블스 그들 자신얽힘의 수는 프로세서에서 이미 사용 가능한 모든 상태와 함께 새로운 큐비트의 얽힘을 수반하기 때문에(3). 그러나 큐비트를 만들고 결합한 다음 복잡한 계산을 수행하도록 지시하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 그들은 머물러 외부 영향에 매우 민감이는 계산 오류로 이어질 수 있으며 최악의 경우 얽힌 큐비트의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 결맞음양자 시스템의 진정한 저주입니다. 추가 큐비트가 추가될수록 외부 힘의 악영향이 증가합니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 추가 기능을 활성화하는 것입니다. 큐비트 "제어"그의 유일한 기능은 출력을 확인하고 수정하는 것입니다.

3. 50큐비트 IBM 시스템의 상징적 표현

그러나 이것은 단백질 분자가 접히는 방식을 결정하거나 원자 내부의 물리적 과정을 시뮬레이션하는 것과 같은 복잡한 문제를 해결하는 데 유용한 더 강력한 양자 컴퓨터가 필요하다는 것을 의미합니다. 많은 큐비트. 네덜란드 델프트 대학교의 톰 왓슨은 최근 BBC 뉴스에 다음과 같이 말했습니다.

요컨대, 양자 컴퓨터가 도약하려면 크고 안정적인 큐비트 프로세서를 생산할 수 있는 쉬운 방법을 찾아야 합니다.

큐비트는 불안정하기 때문에 많은 큐비트로 시스템을 만드는 것은 매우 어렵습니다. 따라서 결국 양자 컴퓨팅의 개념으로서의 큐비트가 실패한다면 과학자들은 대안으로 큐비트 양자 게이트를 사용할 수 있습니다.

Purdue University의 한 팀이 npj Quantum Information에 그들의 생성을 자세히 설명하는 연구를 발표했습니다. 과학자들은 감사합니다큐비트와 달리 0개 이상의 상태(예: 1, 2, XNUMX)로 존재할 수 있으며 추가된 각 상태에 대해 하나의 큐딧의 계산 능력이 증가합니다. 즉, 동일한 양의 정보를 인코딩하고 처리해야 합니다. 덜 영광 큐비트보다

qudits를 포함하는 양자 게이트를 만들기 위해 Purdue 팀은 주파수와 시간 측면에서 20개의 qudits를 XNUMX개의 얽힌 광자로 인코딩했습니다. 팀은 환경에 쉽게 영향을 미치지 않고 더 적은 수의 광자로 더 많은 얽힘을 허용하는 여러 도메인을 사용하기 때문에 광자를 선택했습니다. 완성된 게이트는 XNUMX 큐비트의 처리 능력을 가졌지만 XNUMX 큐디트만 필요했고 광자를 사용하여 안정성이 추가되어 미래의 양자 컴퓨터를 위한 유망한 시스템이 되었습니다.

실리콘 또는 이온 트랩

모든 사람이 이 의견에 동의하는 것은 아니지만, 양자 컴퓨터를 만들기 위해 실리콘을 사용하는 것은 엄청난 이점이 있는 것 같습니다. 실리콘 기술이 잘 확립되어 있고 대규모 산업이 이미 관련되어 있기 때문입니다. 실리콘은 매우 낮은 온도로 냉각되지만 Google 및 IBM 양자 프로세서에 사용됩니다. 양자 시스템에 이상적인 물질은 아니지만 과학자들이 연구하고 있습니다.

네이처(Nature)의 최근 간행물에 따르면 연구팀은 마이크로웨이브 에너지를 사용하여 실리콘에 떠 있는 두 개의 전자 입자를 정렬한 다음 일련의 테스트 계산을 수행하는 데 사용했습니다. 특히 위스콘신-매디슨 대학의 과학자들이 포함된 이 그룹은 실리콘 구조에서 단일 전자 큐비트를 "중단"했으며, 그 스핀은 마이크로파 방사선의 에너지에 의해 결정되었습니다. 중첩에서 전자는 서로 다른 두 축을 중심으로 동시에 회전합니다. 그런 다음 두 개의 큐비트를 결합하고 테스트 계산을 수행하도록 프로그래밍한 후 연구원은 시스템에서 생성된 데이터를 동일한 테스트 계산을 수행하는 표준 컴퓨터에서 수신한 데이터와 비교했습니다. 데이터를 수정한 후 프로그래밍 가능한 XNUMX비트 양자 실리콘 프로세서.

오류의 비율은 여전히 소위 이온 트랩(이온, 전자, 양성자와 같은 하전된 입자를 일정 시간 동안 저장하는 장치) 또는 컴퓨터보다 훨씬 높지만 D-Wave와 같은 초전도체를 기반으로 한 큐비트를 외부 노이즈로부터 분리하는 것이 매우 어렵기 때문에 이러한 성과는 여전히 주목할 만합니다. 전문가는 시스템을 확장하고 개선할 수 있는 기회를 봅니다. 기술 및 경제적인 관점에서 실리콘을 사용하는 것이 여기에서 매우 중요합니다.

그러나 많은 연구자들에게 실리콘은 양자 컴퓨터의 미래가 아닙니다. 작년 XNUMX월, 미국 기업 IonQ의 엔지니어들이 이터븀을 사용하여 D-Wave와 IBM 시스템을 능가하는 세계에서 가장 생산적인 양자 컴퓨터를 만들었다는 정보가 나타났습니다.

그 결과 이온 트랩에 단일 원자를 포함하는 기계가 탄생했습니다(4)는 인코딩을 위해 단일 데이터 큐비트를 사용하며 큐비트는 특수 레이저 펄스를 사용하여 제어 및 측정됩니다. 컴퓨터에는 160큐비트의 데이터를 저장할 수 있는 메모리가 있습니다. 또한 79큐비트에서 동시에 계산을 수행할 수 있습니다.

4. IonQ 이온 트랩의 구조

IonQ의 과학자들은 소위 표준 테스트를 수행했습니다. Bernstein-Waziraniego 알고리즘. 기계의 임무는 0에서 1023 사이의 숫자를 추측하는 것이었습니다. 고전적인 컴퓨터는 10비트 숫자에 대해 100번의 추측을 합니다. 양자 컴퓨터는 73% 확실하게 결과를 추측하기 위해 두 가지 접근 방식을 사용합니다. 첫 번째 시도에서 IonQ 양자 컴퓨터는 주어진 숫자의 평균 1%를 추측했습니다. 1023에서 0,2 사이의 숫자에 대해 알고리즘을 실행하면 일반 컴퓨터의 성공률은 79%인 반면 IonQ의 성공률은 XNUMX%입니다.

IonQ 전문가들은 이온 트랩을 기반으로 하는 시스템이 Google 및 기타 회사가 구축하고 있는 실리콘 양자 컴퓨터보다 우수하다고 믿습니다. 79큐비트 매트릭스는 Google의 Bristlecone 양자 프로세서를 7큐비트 능가합니다. IonQ 결과는 시스템 가동 시간 측면에서도 놀랍습니다. 기계 제작자에 따르면 단일 큐비트의 경우 오류율이 99,97%인 0,03%로 유지되는 반면 경쟁의 최고 결과는 평균 약 0,5%였습니다. IonQ 장치의 99,3비트 오류율은 95%여야 하지만 대부분의 경쟁 제품은 XNUMX%를 초과하지 않습니다.

Google 연구원에 따르면 추가할 가치가 있습니다. 양자 우위 즉, 양자 컴퓨터가 사용 가능한 다른 모든 기계를 능가하는 지점은 49큐비트 게이트의 오류율이 0,5% 미만인 경우 XNUMX큐비트 양자 컴퓨터로 이미 도달할 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨팅의 이온 트랩 방법은 여전히 극복해야 할 주요 장애물에 직면해 있습니다. 느린 실행 시간과 거대한 크기, 기술의 정확성과 확장성입니다.

폐허 및 기타 결과에 있는 암호의 거점

2019년 2019월 CES XNUMX에서 IBM CEO Ginni Rometty는 IBM이 이미 상업용 통합 양자 컴퓨팅 시스템을 제공하고 있다고 발표했습니다. IBM 양자 컴퓨터5) 시스템의 일부로 물리적으로 뉴욕에 위치 IBM Q 시스템 원. Q Network 및 Q Quantum Computational Center를 사용하여 개발자는 Qiskit 소프트웨어를 쉽게 사용하여 양자 알고리즘을 컴파일할 수 있습니다. 따라서 IBM 양자 컴퓨터의 컴퓨팅 성능은 다음과 같이 사용할 수 있습니다. 클라우드 컴퓨팅 서비스, 합당한 가격의.

D-Wave도 한동안 이러한 서비스를 제공해 왔으며 다른 주요 업체(예: Amazon)도 유사한 양자 클라우드 제공을 계획하고 있습니다. Microsoft는 도입으로 한 걸음 더 나아갔습니다. Q# 프로그래밍 언어 (like로 발음) Visual Studio에서 작동하고 랩톱에서 실행할 수 있습니다. 프로그래머는 양자 알고리즘을 시뮬레이션하고 고전 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅 사이의 소프트웨어 다리를 만드는 도구를 가지고 있습니다.

그러나 문제는 컴퓨터와 컴퓨팅 성능이 실제로 무엇에 유용할 수 있는가 하는 것입니다. 지난 XNUMX월 사이언스 저널에 발표된 연구에서 IBM, 워털루 대학교, 뮌헨 공과 대학교의 과학자들은 양자 컴퓨터가 해결하기에 가장 적합해 보이는 문제 유형을 추정하려고 시도했습니다.

연구에 따르면 이러한 장치는 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다. 선형 대수 및 최적화 문제. 모호하게 들릴 수 있지만 현재 많은 노력, 자원 및 시간이 필요하고 때로는 우리의 손이 닿지 않는 문제에 대해 더 간단하고 저렴한 해결책을 찾을 수 있는 기회가 있을 수 있습니다.

5. IBM 양자 컴퓨터

유용한 양자 컴퓨팅 암호화 분야를 정반대로 변경. 덕분에 암호화 코드를 빠르게 해독할 수 있었고, 블록체인 기술은 파괴될 것이다. RSA 암호화는 이제 전 세계 대부분의 데이터와 통신을 보호하는 강력하고 파괴 불가능한 방어 수단으로 보입니다. 그러나 충분히 강력한 양자 컴퓨터는 쉽게 RSA 암호화 크랙 를 통해 알고리즘 쇼라.

그것을 방지하는 방법? 일부는 공개 암호화 키의 길이를 양자 복호화를 극복하는 데 필요한 크기로 늘리는 것을 옹호합니다. 다른 사람들에게는 보안 통신을 보장하기 위해 단독으로 사용해야 합니다. 양자 암호화 덕분에 데이터를 가로채는 행위 자체가 데이터를 손상시킬 수 있으며, 그 후에 입자를 방해하는 사람은 유용한 정보를 얻을 수 없으며 수신자는 도청 시도에 대해 경고를 받게 됩니다.

양자 컴퓨팅의 잠재적 응용 분야도 자주 언급됩니다. 경제 분석 및 예측. 양자 시스템 덕분에 복잡한 시장 행동 모델이 이전보다 더 많은 변수를 포함하도록 확장되어 더 정확한 진단과 예측이 가능합니다. 양자 컴퓨터가 수천 개의 변수를 동시에 처리하면 개발에 드는 시간과 비용도 줄일 수 있다. 신약, 운송 및 물류 솔루션, 공급망, 기후 모델거대한 복잡성의 다른 많은 문제를 해결하기 위해.

금잔화법

오래된 컴퓨터의 세계에는 고유한 무어의 법칙이 있었지만 양자 컴퓨터는 소위 말하는 법칙에 따라야 합니다. 금잔화법. 그의 이름은 Google에서 가장 저명한 양자 전문가 중 한 사람에게 빚지고 있습니다. 하르트무트 네베나 (6), 양자 컴퓨팅 기술의 발전이 현재 이루어지고 있음을 나타냅니다. 이중 지수 속도.

이는 고전 컴퓨터와 무어의 법칙의 경우처럼 연속적인 반복으로 성능을 두 배로 높이는 대신 양자 기술이 훨씬 더 빠르게 성능을 향상시킨다는 것을 의미합니다.

전문가들은 양자 컴퓨터의 우월성뿐만 아니라 다른 방식으로도 유용한 양자 컴퓨터 시대의 시작으로 해석될 수 있는 양자 우월성의 도래를 예측합니다. 이것은 화학, 천체물리학, 의학, 보안, 통신 등에서 획기적인 발전을 위한 길을 열 것입니다.

그러나 적어도 가까운 미래에는 그러한 우월성이 결코 존재하지 않을 것이라는 의견도 있습니다. 회의론의 온화한 버전은 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터를 대체하도록 설계되지 않았기 때문에 결코 기존 컴퓨터를 대체하지 않을 것입니다. 테니스화를 핵 항공모함으로 대체할 수 없듯이 iPhone이나 PC를 양자 기계로 대체할 수 없습니다.. 클래식 컴퓨터를 사용하면 게임을 하고, 이메일을 확인하고, 웹 서핑을 하고, 프로그램을 실행할 수 있습니다. 대부분의 경우 양자 컴퓨터는 컴퓨터 비트에서 실행되는 이진 시스템에 대해 너무 복잡한 시뮬레이션을 수행합니다. 즉, 개별 소비자는 자신의 양자 컴퓨터로부터 거의 이익을 얻지 못하지만, 본 발명의 진정한 수혜자는 예를 들어 NASA 또는 Massachusetts Institute of Technology가 될 것입니다.

IBM 또는 Google 중 어떤 접근 방식이 더 적절한지는 시간이 알려줄 것입니다. Neven의 법칙에 따르면 한 팀 또는 다른 팀이 양자 우위를 완전히 시연하는 데 몇 달 밖에 남지 않았습니다. 그리고 이것은 더 이상 "XNUMX년 후, 즉 언제인지 아무도 모르는" 전망이 아닙니다.