“คอมพิวเตอร์คลาสสิกจะแบ่งตัวเลขออกเป็น 2,048 บิตใน 1,000,000,000,000 ปี คอมพิวเตอร์ควอนตัม - ใน 10 วินาที "
—
— การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นหนึ่งในปัญหาพื้นฐานของฟิสิกส์ของศตวรรษที่ XXI เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว นักฟิสิกส์ยังมอบรางวัลโนเบลให้กับนักฟิสิกส์เพื่อแสดงให้เห็นถึงการพัวพันกับควอนตัม ซึ่งเป็นหลักการเบื้องหลังคอมพิวเตอร์ควอนตัม หากคุณรู้เกี่ยวกับกฎของมัวร์ (จำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปวงจรรวมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ สองปี - ed.) จากนั้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาก็หยุดที่จะปฏิบัติตามและแม้แต่ผู้ผลิตไมโครโปรเซสเซอร์ก็ย้ายออกจากสิ่งที่เป็นเทคนิค กระบวนการ. นาโนเมตรที่ทุกคนพูดถึงตอนนี้เป็นเรื่องของการตลาดมากกว่า
ขณะนี้มีสาขาการพัฒนาใหม่ในการพิมพ์หิน -รังสีอัลตราไวโอเลตสุดขั้ว ซึ่งฉายแสงที่ความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร นี่คือความยาวคลื่นที่บันทึกไว้ซึ่งสามารถรับได้อย่างเสถียรและสร้างชิปในขีดจำกัด 2-3 นาโนเมตร ซึ่งช่วยลดขีดจำกัดการเลี้ยวเบนด้วยกลเม็ดแสงต่างๆ แต่จะทำอย่างไรต่อไปไม่ชัดเจน ทางตันเป็นไปได้ในการลดทรานซิสเตอร์บนขอบฟ้า 5-10 ปี
Danila Shaposhnikov
นี่คือจุดที่ความแตกต่างพื้นฐานสามารถช่วยได้ควอนตัมและการคำนวณแบบคลาสสิก แบบคลาสสิกเป็นแบบต่อเนื่อง และแบบควอนตัมช่วยให้คุณสามารถคำนวณแบบขนานได้อย่างสมบูรณ์ นั่นคือแต่ละควอนตัมบิตสามารถคำนวณควบคู่ไปกับควอนตัมบิตอื่น ๆ ของระบบ ในกรณีนี้ บิตสามารถมีหลายสถานะพร้อมกันได้ - เป็นทั้งศูนย์และหนึ่ง หรือแม้แต่ระบบหลายระดับแต่กระแสหลักตอนนี้เป็นแบบ qubit มันมีสองระดับ พลังการประมวลผลเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณด้วยการเพิ่ม qubits ลงในระบบ (2n) และในระบบปกติ มันเติบโตเป็นกำลังสอง (n2)
วิทยาศาสตร์สมัยใหม่อยู่ในขั้นตอนของความเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมคืออะไร กฎของอนุภาคทั้งหมด ปฏิกิริยาของอะตอมซึ่งกันและกันนั้นอธิบายโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ศาสตร์นี้แตกต่างจากที่มาก่อน ตัวอย่างเช่น ในกลศาสตร์ควอนตัม มีหลักการของการทับซ้อน เนื่องจากมิติของพื้นที่สถานะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ
คอมพิวเตอร์คลาสสิกไม่สามารถทำได้จำลอง คอมพิวเตอร์ควอนตัมสร้างขึ้นจากปรากฏการณ์ดังกล่าวและสามารถทำงานกับระบบดังกล่าวได้ นอกจากนี้ ในระบบกลควอนตัมยังมีแอมพลิจูดของความน่าจะเป็นที่มีจำนวนเชิงซ้อน - คอมพิวเตอร์ทั่วไปไม่มีสิ่งนี้
หากเรานำปัญหาการขยายจำนวนออกมาเป็น2048 บิต จากนั้นอัลกอริธึมแบบคลาสสิกจะย่อยสลายเป็นพันขั้นตอนและใน 1,000,000,000,000 ปี และอัลกอริธึมของ Shor ถ้ามีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีจำนวน qubit ที่ถูกต้อง จะทำใน 107 ขั้นตอน - ประมาณ 10 วินาที จนถึงขณะนี้ยังไม่มีคอมพิวเตอร์ควอนตัมดังกล่าว แต่มีคอมพิวเตอร์ที่สามารถทำสิ่งที่คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกต้องใช้เวลาเป็นจำนวนมาก
- คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะพิสูจน์ความหวังที่มีอยู่แล้วหรือไม่?
ก่อนอื่นมาทำความเข้าใจกับสิ่งที่ต้องใช้เพื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม นักฟิสิกส์ David di Vincenzo ระบุเกณฑ์พื้นฐานห้าประการอย่างถูกต้อง:
- กำหนดว่า qubit คืออะไร พวกเขาแตกต่างกันวันนี้มีแพลตฟอร์มที่รู้จักกันดีหลายแห่ง - บนอะตอม, ไอออน, ตัวนำยิ่งยวด, โฟตอน
- สามารถแนะนำ qubit ในการซ้อนทับได้ทำความเข้าใจวิธีทำให้ qubit เป็นทั้งศูนย์และหนึ่งในเวลาเดียวกัน ในแต่ละแพลตฟอร์ม การแนะนำการซ้อนทับเป็นงานที่แยกจากกัน และสามารถทำได้โดยหลักการทางกายภาพที่แตกต่างกัน
- จำเป็นต้องสร้าง qubits และควอนตัมพัวพันระหว่างกันเพื่อให้สามารถควบคุมได้เพื่อสร้างประตูตามพวกเขา
- รักษาสถานะที่สอดคล้องกันนี้ให้นานที่สุด
- ทำการวัดบนคอมพิวเตอร์ควอนตัมของเรา
ตัวอย่างเช่นหากคุณวัดคิวบิตสถานะของมันจะเปลี่ยนไปและไม่สามารถโคลนได้หรือเสียงรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอนุภาคมีผลเสียต่อระบบดังนั้นแพลตฟอร์มส่วนใหญ่จึงเย็นลงระบบทั้งหมดถึงอุณหภูมิต่ําเพื่อลดผลกระทบของเสียงรบกวนและฝุ่นทั้งหมดนี้ มีความซับซ้อนในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมดังนั้นตอนนี้มีประมาณ 130 คิวบิตมากที่สุดตัวอย่างเช่น IBM ได้เปิดตัวระบบ 128-qubit
มีความซับซ้อนทางวิศวกรรมมากมายที่อยู่เบื้องหลังทุกขั้นตอนในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม
แต่ไม่เพียง แต่ทางกายภาพเท่านั้น แต่ยังมีเหตุผลด้วยคิวบิต อะไรคือความแตกต่าง? ความแม่นยำของการคำนวณควอนตัมควรอยู่ที่ 99.9999999999999% - จากนั้นเราถือว่าสูงมาก แต่วันนี้ลอยจาก 90 เป็น 99% ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่ต่ำมากเป็นเรื่องยากที่จะคำนวณอย่างแม่นยำด้วยความช่วยเหลือเปอร์เซ็นต์ของข้อผิดพลาดจะสูง เพื่อให้ได้ระดับที่ต้องการพวกเขาสร้าง qubit เชิงตรรกะนั่นคือสร้างหนึ่ง qubit เชิงตรรกะจาก qubit จริงจำนวนมากโปรโตคอลการแก้ไขข้อผิดพลาดของโปรแกรมอัลกอริทึมในนั้นและปรากฎว่านี่คือหนึ่ง qubit ที่มีความแม่นยำสูง ประเมินค่า.
ดังนั้นหากเรากลับไปที่คิวบิตทางกายภาพที่ควรจะสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมอุตสาหกรรมนั้นอยู่ในช่วงเริ่มต้น ประมาณสิบคิวบิตเชิงตรรกะในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเราคาดหวังว่าระดับของคิวบิตเชิงตรรกะหนึ่งร้อยรายการจะสามารถทําได้สิ่งนี้จะทําให้สามารถทําสิ่งที่น่าสนใจได้เช่นการเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการทดสอบทางคลินิกการสร้างข้อมูลทางคลินิกสังเคราะห์การจําลองควอนตัมและการเพิ่มประสิทธิภาพพอร์ตการลงทุนทางการเงินสําหรับการเปรียบเทียบจะใช้เวลาประมาณ 1,000 คิวบิตเชิงตรรกะในการถอดรหัสอัลกอริทึม RSA
ณ จุดนี้เราจําเป็นต้องพูดนอกเรื่องเล็ก ๆ น้อย ๆ และบอกว่าวันนี้มีอีกหนึ่งความยากลําบาก ในการคํานวณควอนตัม: หน่วยความจําควอนตัมยังไม่ได้ถูกคิดค้นดังนั้นในอีก 10 ปีข้างหน้าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะทํางานร่วมกับคอมพิวเตอร์คลาสสิก
เป้าหมายระยะยาวเชิงกลยุทธ์คือการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล สิ่งนี้ต้องการลอจิคัลคิวบิตมากกว่า 10,000 รายการ การควบคุมเกทหลายคิวบิตที่เชื่อถือได้ และหน่วยความจำควอนตัม
คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเปลี่ยนไปอย่างไร
"พวกเขาสามารถแก้ปัญหาได้หลากหลาย เช่น สําหรับวิทยาศาสตร์ชีวภาพตอนนี้เราไม่สามารถสร้างแบบจําลองสารประกอบโมเลกุลที่ซับซ้อนปานกลางได้ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์กําลังสร้างโมเลกุลสังเคราะห์และทดลองอย่างต่อเนื่องการจําลองถูก จํากัด อย่างรุนแรงโดยขนาดของระบบโมเลกุลและพารามิเตอร์ความแม่นยําด้วยเหตุนี้จึงใช้เวลาประมาณสิบปีในการสร้างยาใหม่และคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถจําลองระบบกลไกควอนตัมจะเร่งความเร็วขึ้นอย่างมากแปรรูป
หรือตอนนี้พวกเขากำลังพยายามพับโปรตีนอยู่เอกซเรย์ คลื่นสนามแม่เหล็กที่ซับซ้อน และถ้ามีคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็จะสามารถจำลองระบบนี้และเราจะทำให้ชีวิตของเราง่ายขึ้นในการสร้างยา การพัฒนาวัสดุใหม่สำหรับเที่ยวบินในอวกาศ เครื่องยนต์ และระบบตัวนำยิ่งยวดก็จะเร่งขึ้นเช่นกัน จะมีอิเล็กโทรไลต์ใหม่สำหรับแบตเตอรี่ซึ่งอยู่ที่ระดับ 200-250 Wh ต่อกิโลกรัมในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานต่อมวลเป็นเวลา 20 ปี เราไม่สามารถทำได้ดีกว่านี้ เพราะเรายังไม่ได้เป็นแบบอย่างที่ดี
เป็นไปไม่ได้ที่จะแสดงรายการแอปพลิเคชันทั้งหมดของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถคิดค้นได้ในการสัมภาษณ์ครั้งเดียวแม้ว่าจะสามารถเร่งกระบวนการดําเนินการที่สําคัญบางอย่างได้ (เช่นการแปลงฟูริเยร์) แต่ก็จะเป็นอยู่แล้วและนี่เป็นเพียงขั้นตอนเดียวในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลนั่นเป็นเหตุผลที่มีการโฆษณาเช่นนี้
"แต่สามารถใช้ได้ภายในขอบเขตของวิทยาศาสตร์เท่านั้น?"
- ไม่ ในการปรับให้เหมาะสมทุกประเภท - ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ทฤษฎีกราฟ สิ่งเหล่านี้ถูกใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพอร์ตการลงทุนทางการเงิน เส้นทาง และอัลกอริธึม AI ที่ปรับให้เหมาะสม
“การเลิกใช้เป็นเรื่องที่ดี แต่ไม่ได้หมายถึงความเร็วและความแม่นยำของการคำนวณ”
- มีปัญหาอื่น ๆ ที่ไม่ชัดเจนว่าจะแก้ไขอย่างไร? อะไรจะหยุดความก้าวหน้า?
- สิ่งสำคัญคือการสร้าง qubits ในขนาดใหญ่จำนวนและการผูกมัด อายุการใช้งานของทั้งระบบ ตัวอย่างเช่น หากอายุการใช้งานของระบบคือ 0.001 วินาที คุณอาจไม่มีเวลาคำนวณสิ่งที่สำคัญ เราต้องคิดถึงวิธีการรักษาคุณภาพของการคำนวณและปรับขนาด
เอาบริษัท IonQ มาลงทุนกันเถอะกองทุนที่ลงทุนที่เคารพนับถือจากทั่วทุกมุมโลกได้เผยแพร่สู่สาธารณะ พวกเขาสร้างระบบด้วยไอออนและปัญหาคือมีกับดักไอออน แต่มีจำนวนไอออนที่สามารถจับได้ จำกัด และเราจำเป็นต้องมีกลไกในการเชื่อมโยงกับดักเข้าด้วยกัน ยังมีปัญหาใหญ่ในเรื่องนี้ ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการปรับขนาดของระบบอย่างมาก แพลตฟอร์มอื่นๆ มีปัญหาร้ายแรงที่คล้ายคลึงกัน
ยังมีปัญหากับอุปกรณ์ - บางครั้งก็ต่ำกว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจำเป็นต้องประดิษฐ์อุปกรณ์ใหม่ ตัวอย่างเช่น เลนส์พิเศษ, เลเซอร์, อุปกรณ์สูญญากาศ, ห้องแช่แข็ง มีปัญหามากมาย แต่นี่คือเส้นทางของการพัฒนา - ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ผ่านไปแล้ว นี่เป็นเรื่องปกติ: อุตสาหกรรมปรับให้เข้ากับแต่ละกระบวนการใหม่ และประดิษฐ์โลหะนำไฟฟ้าใหม่และการค้นพบอื่นๆ เพียงแต่ว่าทั้งระบบยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการเติบโต
ปัญหาหลักในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมคือการสร้างคิวบิตจำนวนมากและมีผลผูกพัน อายุการใช้งานของระบบทั้งหมด
- ในฐานะที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญที่สนใจคอมพิวเตอร์ควอนตัมเพื่อทำความเข้าใจว่าการค้นพบใหม่เป็นก้าวสำคัญของอุตสาหกรรมนี้หรือข่าวอื่นเพื่อการคลิกหรือไม่? สิ่งที่ต้องใส่ใจ? ตัวอย่างเช่น จำนวน qubits เป็นตัวบ่งชี้หรือไม่
- ดีกว่าที่จะลองคิดให้มากขึ้นระดับลึก. หากคุณไม่เข้าใจเลย การวัดประสิทธิภาพเหล่านี้จะเปิดเผยสาระสำคัญของความคืบหน้าอย่างผิวเผิน และบางครั้งอาจทำให้คุณเข้าใจผิด ตัวอย่างเช่นด้วยจำนวน qubits - อันที่จริงนี่เป็นสิ่งที่ดี แต่ไม่ได้บอกว่าระบบสามารถคำนวณได้มากแค่ไหนและแม่นยำแค่ไหน
สำหรับฉัน จำนวนคิวบิตเชิงตรรกะที่เชื่อมต่อถึงกัน ความแม่นยำในการคำนวณ อายุการใช้งานของระบบ และความสามารถในการคำนวณอัลกอริธึมที่ใช้งานได้จริงมีความสำคัญ
— การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นเวลานานราคาแพงและยาก ดังนั้น ดูเหมือนว่ามีองค์กรจำนวนจำกัดที่ทำสิ่งนี้ นี่ไม่ได้หมายความว่าอุปกรณ์ดังกล่าวจะทำงานเพื่อประโยชน์ขององค์กรและรัฐเท่านั้นใช่หรือไม่
- บรรดาผู้ที่ทำเครื่องทำงานมากหรือน้อยมักจะเปิดให้เข้าถึงระบบคลาวด์ และคุณสามารถเขียนวงจรควอนตัมของคุณเองและคำนวณอัลกอริทึมได้ นักพัฒนาแต่ละรายสนใจที่จะเพิ่มจำนวนงานเชิงปฏิบัติที่สามารถทำได้บนคอมพิวเตอร์ควอนตัมของตน ดังนั้นต้นทุนจึงลดลง
ตัดสินจากจํานวนการลงทุนในภาคเราสามารถสรุปได้ว่ามีความคืบหน้านี่เป็นพารามิเตอร์ทางอ้อม - หากนักลงทุนหลายร้อยคนกําลังลงทุนและอุตสาหกรรมกําลังเติบโตสิ่งนี้กล่าวว่าและตั้งแต่ปี 2019 จํานวนการลงทุนเพิ่มขึ้นจาก$ 300 ล้านถึง $ 2.3 พันล้านปฏิบัติ
แต่ในขณะเดียวกันมีเพียง 80 องค์กรที่ทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่ตัวเลขดังกล่าวระบุว่ามีการลงทุน 1.5 พันล้านครั้งในฮาร์ดแวร์ ในจำนวนนี้มี 12 บริษัทที่เข้าถือหุ้นใหญ่ ต้องการผู้เชี่ยวชาญในสาขาฟิสิกส์ควอนตัม คณิตศาสตร์ วิศวกร เป็นที่ต้องการอย่างมาก ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: โรงเรียนโซเวียตถือว่าแข็งแกร่ง เราได้พูดคุยกับบริษัทที่ดำเนินการอยู่ 260 แห่งในสาขานี้ โดย 20% มีวิศวกร นักฟิสิกส์ หรือนักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย
“จำนวน qubits ไม่ได้บอกว่าระบบคำนวณได้เท่าไหร่และแม่นยำแค่ไหน”
“นักวิทยาศาสตร์รัสเซียล้าหลังนักวิทยาศาสตร์โลก 3-5 ปี”
— แล้วเทคโนโลยีควอนตัมในรัสเซียล่ะ?
- ไม่เชิง.รัสเซียมีโครงการและแผนงานสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมด้วยงบประมาณประมาณ 1 พันล้านดอลลาร์จนถึงปี 2567 โปรแกรมแบ่งออกเป็นแผนงานหลายอย่าง - การคำนวณควอนตัม (ดูแลโดย Rosatom) การสื่อสาร (การรถไฟรัสเซียและศูนย์มาตรวิทยา) และเซ็นเซอร์ (Rostec) Gazprombank ก็อยู่ในเกมนี้เช่นกันเพราะพวกเขาเป็นนักลงทุนหลักในศูนย์ควอนตัม ตัวอย่างเช่น สายการสื่อสารควอนตัมพิเศษระหว่างมอสโกและเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กได้ปรากฏขึ้นแล้ว ซึ่งเป็นโปรโตคอลหลักสำหรับการเข้ารหัสควอนตัมในปัจจุบัน
ผู้เล่นหลักในการคำนวณควอนตัมอาจเป็น RCC, FIAN และมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก
พวกเขามีพัฒนาการอะไรที่น่าพูดถึง?
- ตามแผนงาน พวกเขาสร้างควอนตัมคอมพิวเตอร์บนแพลตฟอร์มต่างๆ - อะตอม ไอออน โฟตอน ตัวนำยิ่งยวด ตามความรู้สึกของฉัน พวกเขาตามหลังบริษัทระดับโลก 3-5 ปี แต่พวกเขามีพนักงานและแนวทางที่จริงจัง - พวกเขาจะพัฒนาสิ่งที่มีประโยชน์อย่างแน่นอน
— นักวิจัยกลัวว่าเทคโนโลยีจะควบคุมไม่ได้? พวกเขากำลังพยายามที่จะควบคุมมันอยู่แล้ว?
- เรายังอยู่ในระเบียบ ขณะที่ทุกคนเป็นห่วงการสร้างฮาร์ดแวร์ ทันทีที่มีสิ่งร้ายแรงปรากฏขึ้น ก็จะเข้าสู่ข้อจำกัด แต่ทุกคนกลัวข้อมูลของพวกเขา ตัวอย่างเช่น ขณะนี้สามารถรักษาความปลอดภัยข้อมูลด้วยการเข้ารหัสควอนตัม และลดโอกาสที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสามารถถอดรหัสได้ แต่ถ้ามีคนคัดลอกข้อมูลและกำลังรอให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมปรากฏขึ้น เขาจะสามารถถอดรหัสได้ในภายหลัง ตอนนี้เป็นข้อกังวลหลัก
อ่านเพิ่มเติม:
หนังสติ๊กส่งดาวเทียม NASA ขึ้นสู่ท้องฟ้า
พายุแม่เหล็กขนาดยักษ์กำลังเข้าใกล้โลก
สร้างดวงอาทิตย์ขึ้นใหม่บนโลก: นักฟิสิกส์แก้ปัญหาหลักของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นได้อย่างไร