Calculatoare care exploatează regulile ciudate ale mecanica cuantică poate rezolva în curând probleme care nu sunt rezolvate folosind tehnologia existentă. Mașinile de astăzi sunt încă departe de a reuși asta, dar domeniul de calculul cuantic a făcut progrese dramatice de la începuturi.
Calculul cuantic a trecut de la o curiozitate academică la o industrie de mai multe miliarde de dolari în mai puțin de jumătate de secol și nu dă semne de oprire. Iată 12 dintre cele mai importante repere ale acelei călătorii.
1980: S-a născut calculatorul cuantic
În anii 1970, oamenii de știință începuseră să se gândească la potențialele încrucișări între noile domenii ale mecanicii cuantice și teoria informației. Dar era un fizician american Paul Benioff care a cristalizat multe dintre aceste idei când a publicat primul descriere a unui calculator cuantic. El a propus o versiune cuantică a unei „mașini Turing” – un model teoretic al unui computer, conceput de renumitul informatician britanic Alan Turing, care este capabil să implementeze orice algoritm. Arătând că un astfel de dispozitiv ar putea fi descris folosind ecuațiile mecanicii cuantice, Benioff a pus bazele noului domeniu al calculului cuantic.
1981: Richard Feynman popularizează calculul cuantic
Atât Benioff, cât și un fizician legendar Richard Feynman a ținut discuții despre calculul cuantic la început Conferința de fizică a calculului în 1981. a lui Feynman discurs principal a fost pe tema folosirii computerelor pentru a simula fizica. El a subliniat că, deoarece lumea fizică este de natură cuantică, simularea ei necesită exact computere care funcționează în mod similar pe baza regulilor mecanicii cuantice. El a introdus conceptul de „simulator cuantic”, care nu poate implementa niciun program ca o mașină Turing, dar poate fi folosit pentru a simula fenomene mecanice cuantice. Discuția este adesea creditată pentru interesul declanșat pentru calculul cuantic ca disciplină.
1985: „calculatorul cuantic universal”
Unul dintre conceptele de bază în informatică este ideea mașinii universale Turing. Introdus de omonim în 1936, acesta este un anumit tip de mașină Turing care poate simula comportamentul oricărei alte mașini Turing, permițându-i să rezolve orice problemă care este calculabilă. Cu toate acestea, David Deutschun profesor în teoria cuantică a calculului, a subliniat în o lucrare din 1985 că, deoarece computerul universal descris de Turing s-a bazat pe fizica clasică, ar fi incapabil să simuleze un computer cuantic. El a reformulat munca lui Turing folosind mecanica cuantică pentru a concepe un „calculator cuantic universal”, care este capabil să simuleze orice proces fizic.
1994: Primul caz de utilizare ucigaș pentru calculatoarele cuantice
În ciuda promisiunii teoretice ale computerelor cuantice, cercetătorii nu au găsit încă aplicații practice clare pentru tehnologie. matematician american Peter Shor a devenit primul care a făcut acest lucru când a introdus un algoritm cuantic care putea factoriza eficient numere mari. Factorizarea este procesul de găsire a celui mai mic set de numere care poate fi combinat pentru a crea unul mai mare. Acest proces devine din ce în ce mai dificil pentru un număr mai mare și este baza pentru mulți principalele scheme de criptare. Cu toate acestea, algoritmul lui Shor poate rezolva aceste probleme exponențial mai rapid decât computerele clasice, stârnind temeri că computerele cuantice ar putea fi folosite pentru a sparge criptarea modernă și stimulând dezvoltarea criptografiei post-cuantice.
1996: Calculul cuantic preia căutarea
Nu a durat mult până să apară o altă aplicație promițătoare. Informaticianul Bell Labs Iubitor Grover propus un algoritm cuantic pentru căutare nestructurată, care se referă la căutarea de informații în baze de date fără un sistem evident de organizare. Este ca și cum ai căuta acul proverbial într-un car de fân și este o problemă comună în informatică, dar chiar și cei mai buni algoritmi de căutare clasici pot fi lenți atunci când se confruntă cu cantități mari de date. Algoritmul Grover, așa cum a devenit cunoscut, exploatează fenomenul cuantic de suprapunere pentru a accelera dramatic procesul de căutare.
1998: Prima demonstrație a unui algoritm cuantic
Visarea unor algoritmi cuantici pe o tablă este un lucru, dar implementarea lor pe hardware s-a dovedit mult mai dificilă. În 1998, o echipă condusă de un cercetător IBM Isaac Chuang au făcut o descoperire când ei a aratat că ar putea rula algoritmul lui Grover pe un computer cu doi qubiți — echivalentul cuantic al biților. Doar trei ani mai târziu, Chuang a condus și el prima implementare a algoritmului lui Shor pe hardware cuantic, factorizarea numărului 15 folosind un procesor de șapte qubiți.
1999: Nașterea computerului cuantic supraconductor
Elementele fundamentale ale unui computer cuantic, cunoscut sub numele de qubitspoate fi implementat pe o gamă largă de sisteme fizice diferite. Dar în 1999, fizicienii companiei de tehnologie japoneză NEC au ajuns la o abordare care va deveni cea mai populară abordare a calculului cuantic de astăzi. Într-o hârtie în Natureau arătat că ar putea folosi circuite supraconductoare pentru a crea qubiți și că pot controla acești qubiți electronic. Qubiții supraconductori sunt acum utilizați de multe dintre companiile de calcul cuantică de top, inclusiv Google și IBM.
2011: A fost lansat primul computer cuantic comercial
În ciuda progreselor considerabile, calculul cuantic era încă în primul rând o disciplină academică. The lansa a primului computer cuantic disponibil comercial de compania canadiană D-Wave în mai 2011 a anunțat începutul industriei de calcul cuantic. D-Wave One al start-up-ului a prezentat 128 de qubiți supraconductori și a costat aproximativ 10 milioane de dolari. Cu toate acestea, dispozitivul nu era un computer cuantic universal. A folosit o abordare cunoscută sub numele de recoacere cuantică pentru a rezolva un anumit tip de problemă de optimizare și au existat puține dovezi că a oferit vreo creștere a vitezei în comparație cu abordările clasice.
2016: IBM face disponibil computerul cuantic prin cloud
În timp ce mai multe companii mari de tehnologie dezvoltau computere cuantice universale interne, majoritatea academicilor și dezvoltatorilor cuantici aspiranți nu aveau cum să experimenteze tehnologia. În mai 2016, IBM și-a fabricat procesorul de cinci qubiți disponibil pe cloud pentru prima dată, permițând oamenilor din afara companiei să ruleze joburi de calcul cuantic pe hardware-ul acesteia. În două săptămâni, peste 17.000 de oameni s-au înscris pentru serviciul IBM Quantum Experience al companiei, oferindu-le multora prima experiență practică cu un computer cuantic.
2019: Google revendică „supremația cuantică”
În ciuda promisiunilor teoretice de „accelerare” masivă, nimeni nu a demonstrat încă că un procesor cuantic ar putea rezolva o problemă mai rapid decât un computer clasic. Dar în septembrie 2019, au apărut știri că Google a folosit 53 de qubiți pentru a efectua un calcul în 200 de secunde despre care susținea că va dura un supercalculator aproximativ 10.000 de ani până la finalizare. Problema în cauză nu a avut nicio utilitate practică: procesorul Google a efectuat pur și simplu operații aleatorii și apoi cercetătorii au calculat cât timp ar dura să simuleze acest lucru pe un computer clasic. Dar rezultatul a fost salutat ca fiind primul exemplu de „supremație cuantică”, denumită acum „avantaj cuantic”.
2022: Un algoritm clasic pune capăt afirmației de supremație
Afirmația Google de supremație cuantică a fost întâmpinată cu scepticism din unele colțuri, în special din partea rivalului IBM, care a susținut că accelerarea a fost exagerată. Un grup de la Academia Chineză de Științe și alte instituții au arătat în cele din urmă că acesta a fost cazul, prin conceperea unui algoritm clasic care ar putea simula operațiunile cuantice ale Google în doar 15 ore pe 512 cipuri GPU. Ei au susținut că, cu acces la unul dintre cele mai mari supercomputere din lume, ar fi putut face acest lucru în câteva secunde. Știrea a fost un memento că computerul clasic are încă mult loc de îmbunătățire, astfel încât avantajul cuantic este probabil să rămână o țintă în mișcare.
2023: QuEra bate recordul pentru majoritatea qubiților logici
Una dintre cele mai mari bariere pentru calculatoarele cuantice de astăzi este faptul că hardware-ul de bază este foarte predispus la erori. Datorită particularităților mecanicii cuantice, remedierea acestor erori este dificilă și se știe de mult timp că va fi nevoie de mulți qubiți fizici pentru a crea așa-numiții „qubiți logici” care sunt imuni la erori și capabili să efectueze operațiuni în mod fiabil. În decembrie anul trecut, cercetătorii de la Harvard care lucrează cu start-up-ul QuEra au doborât recorduri, generând 48 de qubiți logici simultan – de 10 ori mai mult decât a obținut oricine anterior. Echipa a reușit să ruleze algoritmi pe acești qubiți logici, marcând o piatră de hotar majoră pe drumul către calculul cuantic tolerant la erori.