Paradoks dan misteri fisika kuantum menggairahkan pikiran para ilmuwan untuk waktu yang lama. Saat ini, berdasarkan sifat-sifat yang tidak biasa dari partikel kuantum, instrumen dan perangkat baru sedang dibangun yang dapat berkali-kali unggul dalam karakteristiknya dibandingkan analog klasik.
Sebuah kisah tentang peristiwa di "Industri Kuantum" ditujukan kepada staf Acronis oleh Alexey Fedorov, Direktur Ilmiah Grup Teknologi Informasi Quantum di RCC. Dalam posting ini, kami memberikan transkrip kuliahnya tentang teknologi kuantum dengan tambahan untuk berbagi data yang berguna dan menarik dengan pelanggan Acronis di Habrahabr.
Proyek skala besar sedang dilaksanakan di AS, Eropa, Cina dan Rusia. Minat terbesar adalah komputer kuantum - tidak hanya universitas yang terlibat dalam perlombaan untuk konstruksinya, tetapi juga perusahaan besar, termasuk Google, IBM, Microsoft dan Intel. Diprediksi bahwa komputer kuantum dapat merevolusi dalam sejumlah cara, misalnya, dalam melindungi informasi, kecerdasan buatan, dan memodelkan materi baru.
Dalam konteks modern, teknologi kuantum adalah metode untuk mengendalikan objek kuantum individu, seperti atom, foton, elektron, ion, dan sebagainya. Tidak seperti sistem klasik, yang selalu berada di salah satu keadaan yang mungkin, sistem kuantum dapat berada dalam keadaan superposisi kuantum: untuk secara bersamaan di semua keadaan yang diizinkan. Contoh perbedaan antara dunia klasik dan dunia kuantum dapat berupa koin. Sebuah koin dapat mendefinisikan dua status - elang atau ekor - dan menyandikannya sebagai 0 dan 1. Kemudian koin klasik dapat berupa status 0 atau status 1. Dua koin - dalam salah satu dari 4 status yang mungkin sekaligus. Empat koin berada di salah satu dari 16 negara. Sepuluh koin berada di salah satu dari 1024 negara.
Prinsip superposisi memungkinkan satu "koin kuantum" menjadi tidak hanya semata-mata elang atau ekor, tetapi juga berada di salah satu dari jumlah "perantara" tak terbatas antara elang dan ekor. Akan lebih akurat untuk mengatakan bahwa koin kuantum dapat dalam keadaan elang dan ekor pada saat yang sama. Dalam hal ini, dua alternatif yang tidak kompatibel dari sudut pandang klasik (koin dijatuhkan oleh elang dan koin dijatuhkan oleh ubin) tampaknya saling tumpang tindih dalam satu keadaan kuantum. Inilah yang oleh para ilmuwan disebut superposisi kuantum, dan fakta bahwa otak kita, yang tumbuh di dunia klasik, bahkan tidak dapat membayangkannya - Anda hanya dapat terbiasa dengannya. Selain itu, untuk menggambarkan sepenuhnya superposisi kuantum seperti itu, diperlukan dua bilangan kompleks yang sesuai dengan masing-masing alternatif yang dapat dibedakan secara klasik. Dua "koin kuantum" dapat berada di superposisi 4 negara. Dan 10 "koin kuantum" berada di superposisi 1024 negara. "Koin kuantum" semacam itu disebut qubit - analog kuantum dari bit informasi. Untuk menggambarkan sistem n qubit, 2 ^ n bilangan kompleks diperlukan.
Fitur utama komputasi kuantum adalah ini: dengan peningkatan jumlah qubit, jumlah parameter yang kami operasikan dalam penghitungan tumbuh secara eksponensial. Jika bahkan ada 50 qubit, jumlah bilangan kompleks yang diperlukan untuk menggambarkan keadaan mereka - 2 ^ 50 - akan sangat besar sehingga tidak mungkin untuk secara akurat memodelkan sistem seperti itu bahkan pada komputer super yang paling kuat. Ambang seperti itu adalah salah satu penjelasan yang mungkin untuk fenomena yang disebut supremasi kuantum (supremasi kuantum atau keunggulan kuantum): kemampuan untuk menggunakan komputer kuantum untuk menyelesaikan tugas-tugas yang tidak mampu komputer klasik yang ada.
Pencarian kuantum dan ras kuantumNamun, membangun komputer seperti itu tidak mudah. Untuk melakukan ini, Anda perlu menyelesaikan "pencarian" keseluruhan untuk mengelola materi kuantum. Saat ini, banyak laboratorium di dunia sedang mengembangkan metode baru untuk mengelola objek kuantum. Perlombaan kuantum berlangsung baik di antara perusahaan dan di komunitas ilmiah. Pengembang terkemuka memperkenalkan semakin banyak solusi baru. Tetapi ras kuantum sangat penting secara mendasar - di luar ambang batas supremasi kuantum, penemuan-penemuan baru menanti kita dalam bidang fisika yang sangat berbeda: dari fisika suhu rendah hingga fisika energi tinggi. Selain itu, komputer kuantum juga memiliki potensi besar untuk memecahkan masalah praktis, oleh karena itu, perusahaan telah bergabung dalam pengembangannya.
Apa pencarian untuk mengelola materi kuantum? Di satu sisi, perlu untuk memiliki jumlah qubit yang cukup besar untuk menyediakan ruang yang luas dari negara, tetapi, di sisi lain, perlu untuk mengontrol setiap qubit secara individual. Jelas bahwa semakin besar sistem, semakin sulit untuk mengelola di tingkat masing-masing komponen individu. Ini sangat penting untuk fisika kuantum, tetapi, jika Anda memikirkannya, ini berlaku untuk bidang aktivitas manusia lainnya. Misalnya, jika Anda ingin membuat perusahaan besar dan keren, Anda harus merekrut banyak orang berbakat. Tetapi semakin banyak orang-orang ini, semakin sulit interaksi mereka, dan semakin sulit untuk mengendalikan mereka :-)
Di dunia kuantum, mencapai keseimbangan antara skala dan kepastian adalah tantangan terbesar saat ini. Tetapi, setelah mengatasinya, kita akan dapat mengembangkan komputer kuantum yang kuat yang dapat memecahkan masalah yang menarik. Misalnya, IBM menggunakan volume kuantum jangka - ini adalah jumlah qubit per jumlah kesalahan dalam operasi. Ini adalah ukuran yang sangat jelas, ini menunjukkan bahwa tidak cukup hanya dengan mengatakan berapa banyak qubit dalam sistem, tingkat kontrol atas mereka juga penting, yang membantu menghindari kesalahan. Untuk pertumbuhan volume kuantum, pertumbuhan kuantitas dan "kualitas" qubit diperlukan.
Harus selalu diingat bahwa probabilitas kesalahan adalah properti integral dari "besi" kuantum. Oleh karena itu, berbicara tentang qubit, perlu untuk memisahkan qubit fisik dan qubit logis. Qubit fisik adalah atom nyata atau rantai superkonduktor, yang disebut elemen "dicap". Qubit logis adalah objek yang memiliki kontrol nyata, dan dapat diakses dengan parameter tetap tanpa kesalahan. Kemampuan komputasi komputer kuantum pada akhirnya ditentukan oleh jumlah qubit logis yang bekerja dengan sempurna. Dalam hal volume kuantum, ini dapat dipahami sebagai berikut: jika tingkat kesalahan adalah nol, maka kemampuan komputasi (volume kuantum) meningkat karena peningkatan jumlah qubit logis.
Jika kita berbicara tentang kemajuan di bidang komputer kuantum yang berfungsi, kita tidak bisa tidak menyebutkan komputer IBM pada 50 qubit. Dia menjadi salah satu komputer kuantum pertama sebesar ini. "Pekerja keras" IBM dari komputer kuantum adalah qubit superkonduktor, yang harus didinginkan hingga suhu yang sangat rendah untuk pekerjaan mereka. Dalam prosesor kuantum IBM, kontrol individu atas setiap qubit tidak diterapkan dan tingkat kesalahan cukup tinggi, tetapi chip itu sendiri sudah ada. IBM juga memiliki komputer kuantum 5-qubit dan 16-qubit terbuka yang dapat digunakan oleh semua orang melalui Internet. Selain itu, dalam beberapa tahun, perusahaan berencana untuk membuat sistem 100-qubit. Baru-baru ini, IBM mengumumkan komputer kuantum terintegrasi IBM System One, yang merupakan perangkat lengkap yang tidak memerlukan, menurut pengembang, setiap kondisi khusus untuk bekerja - ini secara signifikan membawa sistem seperti itu lebih dekat ke pengguna, namun, menyelesaikan tugas-tugas yang praktis dan menuntut secara praktis dengan menggunakan komputer tersebut. sulit untuk berbicara.
Intel berada di ambang tonggak sejarah yang sama yaitu 50 qubit, tetapi menggunakan teknologi yang berbeda untuk membuat qubit. Dan ini bagus, karena jika salah satu perusahaan menghadapi masalah dalam menerapkan pendekatannya, yang kedua akan terus bergerak menuju kemajuan.
Pemimpin perlombaan kuantum saat ini adalah Google, yang mendemonstrasikan komputer kuantum 72-qubit. Teknologi inti Google sama dengan IBM - superkonduktor qubit. Sekelompok ilmuwan dan pengembang dari Google juga telah menerbitkan sejumlah artikel ilmiah yang menggambarkan pendekatan untuk mencapai keunggulan kuantum. Jadi dalam waktu dekat, perusahaan dapat diharapkan untuk menunjukkan keunggulan kuantum dengan bantuan prosesor kuantum yang dikembangkan.
Suatu sistem 51 qubit juga diciptakan dalam komunitas akademik - ini dimungkinkan bagi kelompok Mikhail Lukin (lulusan Fiztekh dan kepala Dewan Penasihat Internasional dari Pusat Kuantum Rusia) berdasarkan pada atom netral lewat dingin, serta sistem 53 qubit dari kelompok Christopher Monroe dari University of Maryland, yang juga Dia adalah pendiri IonQ, sebuah perusahaan yang mengembangkan komputer kuantum komersial berdasarkan ion. Omong-omong, IonQ bukan satu-satunya contoh startup di bidang komputasi kuantum - sekarang ada lebih dari selusin di antaranya.
Jelas, Cina memiliki potensi besar di bidang kuantum. "Celestial" menanggung rencana muluk, berencana untuk membangun komputer kuantum terbesar, dan pengembang sudah memiliki $ 12 miliar untuk ini untuk membuat Laboratorium Quantum Nasional.
Agak terpisah adalah perusahaan D-Wave. Prosesor D-Wave memiliki ribuan qubit, tetapi mereka bekerja dalam mode yang berbeda - mode anil kuantum. Ini memungkinkan Anda untuk menyelesaikan dengan bantuan komputer seperti itu, pada kenyataannya, hanya satu tugas. Terlepas dari kenyataan bahwa perusahaan seperti Google dan Volkswagen sudah bekerja dengan D-Wave, ada perdebatan sengit tentang keunggulan komputer kuantum tersebut.
Sisi terapan dari masalah ini
Terlepas dari semua upaya, komputer kuantum saat ini tidak menyelesaikan banyak masalah praktis, tetapi potensi terlihat mengesankan. Sekarang pengembangan komputasi kuantum berjalan dalam dua arah:
- Komputer kuantum khusus yang ditujukan untuk menyelesaikan satu masalah spesifik tertentu, misalnya, masalah pengoptimalan. Contoh produk adalah komputer kuantum D-Wave.
- Komputer kuantum universal - yang mampu menerapkan algoritma kuantum acak. Saat ini, hanya ada prototipe kecil komputer kuantum universal - Google, IBM dan Intel bekerja ke arah ini. Mereka meletakkan fondasi, tetapi sejauh ini tidak memungkinkan melakukan sesuatu dalam skala besar dan tidak tahu bagaimana cara mengatasi kesalahan.
Dalam kasus apa pun, komputer kuantum memungkinkan untuk beroperasi dengan ruang status yang luas, dan ini dapat bermanfaat, misalnya, untuk menyelesaikan masalah pencarian, mengoptimalkan berbagai proses, dan memodelkan sistem yang kompleks.
Karena fakta bahwa IBM menawarkan semua orang untuk menggunakan komputer kuantum, programmer kuantum modern sudah dilatih dalam merakit tugas dan menjalankannya pada komputer kuantum kecil. Misalnya, untuk mencari melalui database yang tidak teratur, algoritma kuantum memiliki keunggulan kuadratik. Dalam tugas seperti itu, basis data yang tidak berurutan dapat direpresentasikan sebagai semacam "kotak hitam", di mana permintaan dikirim (alamat elemen dalam database ini), dan kotak hitam menjawabnya "ya" atau "tidak" (adalah elemen yang terletak di alamat yang diberikan, persyaratan permintaan). Bayangkan dalam beberapa basis data alamat setiap elemen terdiri dari n bit, dan dalam database ini hanya ada satu elemen yang memenuhi kondisi tertentu. Untuk menemukan elemen ini, rata-rata, kita membutuhkan sekitar 2 ^ n query (lebih tepatnya, 2 ^ (n-1)), karena karena gangguan pada basis data, yang tersisa bagi kita adalah memilah-milah semua alamat yang mungkin (yang 2 potong) secara berurutan sampai kita akhirnya beruntung dan sampai ke elemen yang tepat. Jika kita memiliki analog kuantum dari kotak hitam (itu juga disebut "oracle kuantum"), untuk mendapatkan jawaban, kita membutuhkan sekitar 2 ^ (n / 2) permintaan. Keuntungan dari "algoritma enumerasi kuantum", dinamai L. Grover, adalah karena kemampuan untuk mengajukan banyak pertanyaan ke kotak kuantum pada saat yang sama - untuk membentuk superposisi kueri.
Penting untuk dicatat bahwa tugas pencarian dalam database yang tidak teratur bersifat universal - hampir semua tugas lain (termasuk NP-complete) dapat dikurangi. Namun, untuk menyelesaikannya, jumlah kueri akan perlu tumbuh secara eksponensial dengan kompleksitas tugas (dalam contoh yang dipertimbangkan, parameter n terkait dengannya). Dengan demikian, Anda tidak boleh memperlakukan komputer kuantum sebagai alat mahakuasa yang mampu memecahkan masalah komputasi sewenang-wenang dengan akselerasi eksponensial. Dalam beberapa kasus, kemampuannya akan jauh lebih sederhana.
Namun demikian, potensi yang besar sudah terbukti hari ini untuk masalah di bidang kimia kuantum. Misalnya, dalam industri, perhitungan parameter senyawa kimia dan pemodelan reaksi kimia sangat dibutuhkan. Saat menggunakan komputer klasik, kami kekurangan kemampuan dan seringkali harus berkompromi dengan akurasi. Komputer kuantum dapat membantu menentukan secara rinci rantai reaksi, dinamika proses, menemukan katalis untuk reaksi yang diinginkan - semua ini sangat berguna! Salah satu masalah yang paling banyak dibahas saat ini adalah produksi amonia. Senyawa ini secara aktif digunakan dalam pupuk untuk tanaman, dan 1-2% dari seluruh energi di bumi dihabiskan untuk produksinya (data dari Quantum Computing Report dan BP). Jika dengan bantuan komputer kuantum akan dimungkinkan untuk mengoptimalkan proses produksi amonia karena pengetahuan yang akurat dari semua parameter, maka itu sudah akan membayar kembali semua investasi yang dilakukan dalam pengembangan teknologi (ingat, 1-2% dari energi dunia).
Baru-baru ini, di persimpangan fisika kuantum dan pembelajaran mesin, arah baru telah muncul - pembelajaran mesin kuantum atau, seperti yang sering mereka katakan, Quantum AI. Penting bahwa keunggulan komputer kuantum daripada yang klasik dalam masalah pembelajaran mesin tidak memerlukan komputer kuantum penuh dan multi-qubit. Menggunakan komputer kuantum, misalnya, akan mungkin untuk mempercepat elemen individu dari algoritma pembelajaran mesin, serta mempercepat proses belajar mereka. Di Google dalam beberapa tahun terakhir, pembelajaran mesin kuantum dianggap sebagai salah satu area teratas di seluruh bidang teknologi kuantum.
Ini bukan hanya tentang perangkat keras
Untuk terobosan berikutnya, bagaimanapun, tidak hanya besi diperlukan, tetapi juga algoritma kuantum cepat baru. Ada kemajuan nyata. Misalnya, untuk mempelajari senyawa Fe2S2 menggunakan algoritma kimia kuantum, butuh tiga puluh tahun sebelumnya ketika dianalisis pada komputer kuantum. Dengan mencari algoritma yang lebih optimal, kali ini dikurangi menjadi 2 menit, dengan mempertimbangkan penggunaan besi yang sama.
Namun, algoritma kuantum masih belum cukup. Meskipun masih ada beberapa lusin, dan untuk pengembangan penuh bidang komputasi kuantum, harus ada lebih banyak algoritma.
Ketakutan dan teknologi keamanan informasi
Komputer kuantum memiliki dua sisi: gelap dan terang. Sejauh ini, kita telah berbicara tentang sisi baiknya - menyelesaikan tugas-tugas praktis yang diminta yang tidak dapat diselesaikan dengan bantuan komputer klasik. Tetapi ada sisi gelap: komputer kuantum memecahkan masalah faktorisasi jauh lebih baik daripada yang klasik. Kompleksitas tugas ini, seperti yang Anda ketahui, adalah salah satu dasar untuk memastikan persistensi algoritma kriptografi kunci publik yang umum. Masalah faktorisasi sangat sulit untuk komputer klasik, dan pada kuantum dapat diselesaikan secara efektif menggunakan algoritma Shore. Misalnya, memecahkan kunci RSA 1024-bit akan membutuhkan jutaan tahun komputasi berkelanjutan pada komputer klasik, sedangkan pada komputer kuantum tugas ini akan selesai dalam 10 jam (dengan asumsi bahwa setiap operasi kuantum adalah 10 ns dan bahwa komputer tersedia dari jumlah qubit logis yang cukup). Sejauh ini, komputer kuantum tidak mengizinkan apa pun untuk diretas - bagaimanapun juga, kriptanalisis RSA membutuhkan beberapa ribu qubit yang terkontrol. Dan meskipun komputer yang berpotensi berbahaya belum ada, komunitas sudah berpikir untuk melindunginya dari kemungkinan masalah di masa depan.
Salah satu solusinya adalah penggunaan teknologi distribusi kunci kuantum, yang memungkinkan dua pihak untuk bertukar kunci kriptografi untuk enkripsi simetris. Seperti yang Anda ketahui, satu foton tidak dapat dipisahkan, dan keadaan kuantum tidak dapat disalin - ini adalah batasan mendasar dari mekanika kuantum. Pada prinsip ini - perlindungan data yang ditransmisikan oleh hukum fisik mendasar - perangkat baru dibangun. Di daerah ini, Cina memimpin arena dunia. Di Rusia, teknologi distribusi kunci kuantum sedang dikembangkan oleh beberapa kelompok, misalnya, di RCC, Universitas Negeri Moskow M.V. Lomonosov dan ITMO. Perangkat yang dikembangkan di RCC telah diuji di Sberbank dan Gazprombank.
Dengan tingkat kesalahan dalam saluran, Anda dapat mengetahui apakah kunci itu dikompromikan. Jika tingkat kesalahan di bawah ambang kritis, maka Anda dapat memperbaiki kesalahan dan mengecualikan informasi yang berpotensi diakses oleh penyerang menggunakan algoritma klasik dan, dengan demikian, menghasilkan kunci rahasia akhir. Pada saat yang sama, informasi yang dilindungi tetap tidak dapat diakses oleh penyerang.
, - — . , .
— . , , , .
, . , . , . .
, . , , — . - — .