Kuantum hesaplama çağındaki yeni fırsatları nasıl değerlendirebilirim?
Evrensel kuantum bilgisayar uygulandığında, iletişim güvenliği, navigasyon, görüntüleme, yapay zeka, biyofarmasötikler ve yeni malzeme araştırma ve geliştirme gibi birçok alanda yıkıcı bir etkiye sahip olacak ve ulusal güvenlik ile sosyal ve ekonomik kalkınmada büyük değişiklikler getirecektir.
Mevcut klasik bilgi işlem sistemi tüm sorunları çözemez.
Kuantum hesaplama, mevcut bilgi işlem teorilerine köklü değişiklikler getirecek ve insanın madde ve bilgi anlayışını büyük ölçüde derinleştirecek; mikrokozmosun hesaplanması için benzeri görülmemiş güçlü bir araç olacak.
Bu yarışmaya giriş giderek daha kalabalık hale geliyor. Boston Consulting Group, Amerika Birleşik Devletleri, Çin, Avrupa Birliği, İngiltere, Hollanda, Japonya, Kanada, Avustralya; Google, IBM, Microsoft, BASF, Volkswagen, Airbus, QxBranch, QC Ware, 1Qbit'in hepsinin Bu alanda bir oyuncudur.
Kuantum bilgisayara kim hakim olursa olsun, bir sonraki bilgi devrimine öncülük edebilir ve bu, bilimsel araştırmanın ilerlemesi ve onun üzerine inşa edilen ticari toplum üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır.
Bilim adamlarının yaptığı hesaplamalara göre, 64 bitlik bir kuantum bilgisayarın gelecekte tek işlem hızı, mevcut sıradan bilgisayar CPU'su (1GHz) seviyesine ulaşırsa, bu kuantum bilgisayarın veri işleme hızı teorik olarak dünyanın en hızlısı olacaktır. "Taihu Light" süper bilgisayarı (saniyede 930 milyon kez) 150 milyar kez.
Bir kuantum bilgisayar ne yapabilir?
Kimya ve eczacılık alanlarında, Moleküler simülasyon, çok sayıda elektron ve atomun kuantum davranışını çözmeyi içerir ve kuantum teknolojisi katlanarak ilaç keşfini teşvik edecektir. Sektördeki uzmanlar, kuantum teknolojisinin ilaç keşif oranlarını% 5 -% 10 ve verimliliği% 15 -% 20 artıracağını tahmin ediyor. Daha iyi moleküler tasarım sayesinde ilaçların onay oranı 1,5-2 kat artacaktır.
Yapay zeka alanında, Kuantum bilgisayarlar, büyük verileri sınıflandırmak için yüksek boyutlu vektörleri daha hızlı işleyebilir ve klasik bilgisayarlara kıyasla önemli hız avantajlarına sahiptir.
Günümüzde otomatik sürüş arabaları, doğal dil işleme, arama motorları, çevrimiçi reklamcılık, öneri sistemleri vb. Hepsi makine öğreniminin popüler alanlarıdır. Bu nedenle, kuantum hesaplamanın evrim süreci, BT endüstrisi devlerinin gelecekteki gelişme yönünü ve eğilimini kısmen belirleyecektir.
Kamusal alanda, Kuantum hesaplama, dünya çapında 6 milyar insanın yüz görüntülerini izleme veritabanında anında işleyebilir ve bir kişinin kimliğini gerçek zamanlı olarak belirleyebilir; karmaşık trafik koşullarını hızlı bir şekilde analiz edip tahmin edebilir, böylece entegre trafik sistemlerini planlayabilir ve yol tıkanıklığını büyük ölçüde önleyebilir.
Siber güvenlik alanında, Kuantum hesaplama, mevcut klasik bilgi işlem sistemi altında açık anahtarlı şifreleme sistemi için bir tehdit oluşturabilir. 1994 yılında, Bell Labs'da bir uzman olan Peter Shor, şifrelemeyi kırmak için bir kuantum bilgisayar kullanmanın, teorik olarak 1024 bitlik bir RSA anahtarını 160 günde kırabileceğini keşfetti. Şimdi, dünyanın en hızlı süper bilgisayarının aynı uzunluktaki RSA anahtarını kırması 5 milyon yıl alacak.
Shor'un bir şifreyi kırmak için algoritmasını çalıştırmak, en az milyonlarca kübit içeren genel amaçlı, hataya dayanıklı bir kuantum bilgisayar gerektirse de, kısa sürede elde edilemez. Bununla birlikte, kuantum bilgisayarların kıramayacağı "kuantum sonrası şifreleme teknolojisi" üzerine yapılan araştırmalar, tüm İnternet güvenliği üzerinde büyük bir etkisi olacak birçok sonuç üretti.
Kuantum bilişim araştırmalarına kim yatırım yapıyor veya bu araştırmalara derin bir şekilde dahil oluyor?
2017 yılında Amerika Birleşik Devletleri Kongre, "ABD'nin kuantum teknolojisi alanında lider konumunu" nasıl sağlayacağını tartışmak için bir duruşma düzenledi.
2018 yılında Avrupa Birliği "Quantum Flagship" programını uygulamak için 1 milyar euro yatırım yapın. Birleşik Krallık Oxford Üniversitesi gibi üniversitelerde kuantum araştırma merkezleri kurun ve yetenekleri geliştirmek için yaklaşık 250 milyon ABD doları yatırım yapın. Hollanda Delft Teknoloji Üniversitesi'ne kuantum hesaplama araştırmalarına 140 milyon ABD doları yatırım yaptı.
Japonya 10 yıl içinde kuantum hesaplamaya 360 milyon ABD doları yatırım yapmayı planlayın. Kanada Waterloo Üniversitesi'ndeki kuantum araştırmalarını finanse etmek için 210 milyon ABD doları yatırım yapıldı. Avustralya Hükümet, bankalar, vb., New South Wales Üniversitesi'nde bir kuantum hesaplama şirketi kurmak için 83 milyon Avustralya Doları yatırım yaptı. Çin Ayrıca geleceğe yönelik bu teknoloji yarışmasına aktif olarak katılın.
Süper iletken kuantum hesaplama açısından, Çinin Çin Bilimler Akademisi Kuantum Bilgi ve Kuantum Teknoloji İnovasyonu Enstitüsü, Google Kuantum Yapay Zeka Laboratuvarı, IBM Aynı zamanda dünyadaki en güçlü üç kurum olarak da adlandırılır. Şu anda Google lider konumdadır; IBM, kuantum hesaplama gibi yeni nesil yongaların geliştirilmesine 3 milyar ABD doları yatırım yaptı ve yapay zeka ve kuantum bilişimle ilgili araştırma çalışmaları için MIT ile işbirliği yaptı. Şimdiye kadar doğru bir şekilde simüle etmek için kuantum bilgisayarlarda ölçeklenebilir yöntemi kullandı. Şimdiye kadarki en büyük molekül-berilyum hidrit BeH2.
Ek olarak, Microsoft Ayrıca birçok üniversite ile kuantum laboratuvarları kurdu. Alman Kimya Şirketi BASF , halka açık , Airbus Diğer şirketler de kuantum hesaplama yetenekleri oluşturmak için yatırım yapmaya başladı. Aşağıdakiler gibi bazı yeni yazılım geliştirme ve danışmanlık şirketleri QxBranch , QC Ware ile 1Qbit Kuantum uygulamaları da geliştirilmektedir.
Kağıt üretimi ve patent çıktısı açısından bakıldığında, Çin ile Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa Birliği ve Japonya arasında hala büyük bir uçurum var. Örneğin, ilk 20 küresel kuantum hesaplama patent başvurusu temelde Amerikan ve Japon şirketleri tarafından işgal edilirken, Çinli bilimsel araştırma kurumları ve şirketleri listede yer almıyor. (Ayrıntılar için, lütfen International Institute of Technology and Economics tarafından yayınlanan genel hesap makalesine bakın: "2018 Kuantum Hesaplamaya Küresel Ar-Ge Genel Bakış" )
Küresel kuantum hesaplama patent başvurularının sıralaması (Kaynak: Uluslararası Teknoloji ve Ekonomi Enstitüsü)
Quantum Computing'in Getirdiği İş Fırsatları
Boston Consulting Group, 2030 yılına kadar kuantum hesaplama pazarının 50 milyar ABD dolarına ulaşacağını tahmin ediyor.
ABD ilaç endüstrisini bir örnek olarak ele alırsak, şu anda karmaşık atom düzeyinde kuantum simülasyonları gerçekleştirilebilirse ve şirketlerin% 10'u bu teknoloji için ödeme yapmaya istekli ise, kuantum hesaplamanın bu alanda 15-30 milyar ABD doları olduğu anlamına gelir. Pazar fırsatları. Karşılaştırıldığında, mevcut küresel yüksek performanslı bilgi işlem pazarı 10 milyar ABD dolarıdır (aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi).
ABD ilaç endüstrisindeki kuantum hesaplama pazarı fırsat tahmini (Kaynak: Boston Consulting Group)
İlaç endüstrisine ek olarak, kuantum hesaplama, arama görevlerini ve makine öğrenimi algoritmalarını hızlandırmak için de kullanılabilir. Günümüzün üstel veri büyümesinde ve on milyarlarca IoT cihazının bağlanacağı gelecekte, verilerin ticari değerinin kilidini açmak gittikçe daha önemli hale geliyor.
GPU, makine öğrenimini ve yapay zeka teknolojisini gerçeğe dönüştürse de, kuantum bilgisayarlar sinir ağlarının eğitimini önemli ölçüde hızlandırabilir.Bilim adamları ve mühendisler, makine öğrenimine uygun kuantum algoritmaları geliştiriyor. Daha fazla kuantum makine öğrenimi algoritması geliştirildikçe, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarlara göre temel avantajları, mevcut 20 milyar dolarlık yüksek performanslı makine öğrenimi bilgi işlem pazarının 2030 ile değiştirilmesine neden olabilir.
Genel olarak, kuantum hesaplamanın temsil ettiği şey Toplam pazar çok büyük, ancak belirli zaman düğümü, teknoloji uygulamasının ilerlemesi nedeniyle büyük dalgalanmalara neden olabilir. (Aşağıda gösterildiği gibi).
Kuantum bilişim pazarı salgın tahmini (Kaynak: Boston Consulting Group)
Muhafazakâr bir bakış açısına göre, 2035 yılına kadar kuantum hesaplama pazarı 2 milyar ABD dolarına ulaşacak. Benimseme oranı arttıkça, pazar büyüklüğü 2050 yılına kadar 260 milyar dolara yükselecek.
Ana faktör şu anda kuantum hesaplamanın gelişimini engellerse - fiziksel kübitlerin hata oranı - önemli ölçüde azaltılabilir. , Sonra cesurca tahmin edebiliriz 2035 yılına kadar kuantum hesaplama pazarı 60 milyar ABD dolarına ulaşacak ve 2050'de 295 milyar ABD dolarına yükselecek. Karşılaştırıldığında, bugünün küresel ticari ve tüketici pazarı 800 milyar ABD dolarıdır.
Kuantum hesaplama tam olarak nedir?
Sözde kuantum, maddeyi oluşturan çeşitli fiziksel niceliklerin en temel birimidir ve bölünemezdir. Moleküller, atomlar, elektronlar ve fotonlar gibi iyi bilinen mikroskobik parçacıkların tümü kuantumun tezahürüdür.
1950'lerden 1970'lere kadar fizikçiler, elektronların ve fotonların özelliklerini ve malzemelerdeki hareket yasalarını incelemek için kuantum mekaniğini kullandılar ve art arda yarı iletken transistörler, lazerler, entegre devreler, diskler ve optik fiberler gibi teknolojileri icat ettiler.
Buna dayanarak, 1980'lerden beri kişisel bilgisayarlar, cep telefonları ve İnternet birbiri ardına doğmuş, üçüncü teknolojik devrimi (bilgi devrimi olarak da bilinir) gerçekleştirerek insan uygarlığını bilgi çağına getirmiştir.
Geleneksel bilgisayarların doğuşu insanlığa daha fazla geliştirme fırsatı getirdi. Bununla birlikte, bazı görevler çok karmaşık ve hesaplama süresi çok uzun ve araştırmacılar ölüyor veya hatta ölüyor olabilir. Bir çalışma bunu henüz çözmedi. İnsanların açıkça yeni bir yüksek performanslı hesaplama teknolojisine ihtiyacı var.
1980'lerde, Nobel Ödülü sahibi Richard Phillips Feynman ve diğerleri, kuantum hesaplamayı inşa etmek için iki tuhaf kuantum özelliğine (kuantum süperpozisyonu ve kuantum dolaşıklığı) dayanan bir konsept geliştirdiler. ".
Geleneksel bilgisayarlar ikili algoritmalarda yalnızca "birini veya diğerini" yapabilir: 0 veya 1. Ancak kuantum bilgisayarların güçlü bir yeteneği vardır - "eşzamanlı varoluş", yani "kuantum süperpozisyonu".
Bir kübit (aynı anda 0 ve 1'in kuantum durumunda olabilir) şekilde Bloch küresini kullanabilir (kuantum mekaniğinde Bloch küresi, iki seviyeli bir kuantum mekanik sistemin saf hal uzayının geometrik bir temsilidir) Temsil etmek. Sadece iki noktası 0 ve 1 olan klasik bit (bilgi miktarının en küçük ölçü birimi) ile karşılaştırıldığında, bir kübitin değeri tüm küreye dağıtılır, yani küre üzerindeki herhangi bir nokta belirli bir kübitin değeri olabilir.
(Kaynak: Outlook Think Tank)
Bu nedenle, kuantum bilgisayarların hesaplama hızı klasik bilgisayarlardan çok daha fazla olabilir.
Kuantum hesaplama ne kadar hızlı?
Şu anda, yaygın olarak kullanılan klasik bilgisayarlarımızın doğru bilgiyi "bulmak" için tüm olasılıkları listelemesi ve çözülecek belirli bir sorunu çıkarırken bunları tek tek doğrulaması gerekiyor. Tıpkı iki eli olan bir kişinin aynı anda yalnızca bir şey yapabilmesi gibi.
Kuantum paralel hesaplama, 2N gücüne her iki elle de yapılabilecekleri aynı anda yapabilen "Bin Elli Avalokitesvara" ya eşdeğer olan ilgili bilgileri doğrudan hesaplayabilir ve çıkarabilir.
(Kaynak: Outlook Think Tank)
Örneğin, bir takımadaları birkaç adaya bağlamak için köprü kullanmak, ada sayısı arttıkça olası çözümlerin sayısı katlanarak artar. Bu soruna bir milyon çözüm olduğunu varsayarsak, ikili bir bilgisayarın doğru çözümü bulmak için 500.000 hesaplamaya ihtiyacı vardır, ancak Grover'ın algoritmasını çalıştıran bir kuantum bilgisayar bu sorunu ancak bin denemeyle çözebilir.Bu geleneksel bir hesaplamadır. 500 kat daha fazla.
Boston Consulting Group, bilgi işlem yükünün mevcut bilgi işlem gücünden çok daha yüksek olduğu bazı uygulamalar üzerinde araştırma yapmıştır. Problem üç kategoriye ayrılmıştır ve kuantum yönteminin ve geleneksel yöntemin gerektirdiği hesaplama zaman fonksiyonları ayrı ayrı çizilmiştir. (Aşağıda gösterildiği gibi)
Araştırmalar, farmasötik, kimya, enerji ve diğer endüstrilerde, kuantum bilgisayarların fiziksel sistemleri modellemek için kullanılmasının anında etkileri olabileceğini gösteriyor; arama, kriptografi ve makine öğrenimi gibi veri yoğun alanlarda, kuantum matematiği algoritmaları hızlandırabilir. Büyük ticari değeri ortaya çıkarın.
Üç tür problem için kuantum metotları ile geleneksel metotlar arasındaki zaman fonksiyonlarının karşılaştırılması (Kaynak: Boston Consulting Group)
Önemli hız avantajları olan vakalar (Yukarıdaki şekilde en soldaki koordinat sistemine karşılık gelir)
Geleneksel bilgisayarlar sıralı hesaplamalar kullanır, bu nedenle özellikle karmaşık problemlerle başa çıkamazlar. Örnek olarak "büyük bir sayıyı asal sayıların çarpımına çözümleme" problemini ele alalım Bilinen bir çözüm olmadığından, bilgisayarın bunu çözmek için deneylere ve tahminlere güvenmesi gerekir. Parçalanacak sayı ne kadar büyükse, hesaplama karmaşıklığı o kadar yüksek olur ve gereken süre geometrik olarak artar.
Kuantum hesaplama farklıdır, olası tüm çözümleri aynı anda atarak ve yanlış çözümleri filtreleyerek çalışır. Bu nedenle, bazı problemler için, kuantum işlemcinin çözümünün çalışma süresi, katlanarak değil, boyutsallıktaki artışla doğrusal olarak artar ve bu nedenle büyük bir hız avantajına sahiptir.
1994 yılında matematikçi Peter Williston Shor, büyük sayıların ayrıştırılması için bir kuantum algoritması olan Shor algoritmasını geliştirdi, böylece problem kabul edilebilir bir hesaplama süresi içinde çözülebilir.
Hız avantajı, büyük pazar potansiyeli anlamına gelir. Tıp ve kimya araştırma ve geliştirme alanında, makromoleküller arasındaki kimyasal reaksiyonları simüle etmek her zaman can sıkıcı bir problem olmuştur ve çözümünün karmaşıklığı, çok sayıda ayrışma problemine benzer. Richard Feynman'ın vizyonuna göre, bir kuantum işlemci aynı anda tüm olası kimyasal reaksiyonları hesaplayabilir ve reaksiyonun son durumunu anında hesaplayabilir.
Boston Consulting Group, 2030 yılına kadar kuantum simülasyon teknolojisinin 20 milyar dolarlık bir ilaç pazarını ve kimya, malzeme bilimi ve diğer malzeme yoğun endüstrileri içeren 7 milyar dolarlık bir pazarı doğuracağını tahmin ediyor.
Orta hız avantajı olan vakalar (Yukarıdaki şekildeki orta koordinat sistemine karşılık gelir)
Süreçte yapılandırılmamış arama ve makine öğrenimiyle ilgili görevleri içeren görevler için, kuantum hesaplamanın geleneksel hesaplama yöntemlerine kıyasla belirli bir hız avantajı vardır.
2008'de Aram Harrow, Avinatan Hassidim ve Seth Lloyd HHL algoritmasını önerdi: Bir dizi öncül altında, kuantum bilgisayarlar, çok sayıda uydurma, çıkarım ve optimizasyon problemi olan logaritmik karmaşıklık içindeki bazı özel doğrusal denklemleri çözebilir. temeli. HHL'nin çeşitli türev algoritmaları ile yapay zekanın birleşimi, kuantum makine öğrenimini mümkün kılar ve ayrıca kuantum bilgisayarların ilk kez ticari değeri olmasını sağlar.
Kara kutu işlevinin tek girişini yüksek olasılıkla bulabilen Grover algoritması gibi bazı kuantum algoritmaları, yapılandırılmamış arama görevini tamamlamak için gereken süre, geleneksel hesaplama yönteminin yalnızca kareköküdür. Günümüzde büyük ölçekli arama ve makine öğrenimi sorunları çoğunlukla GPU ile çözülmektedir. Boston Consulting Group, kuantum hesaplama yöntemlerinin GPU'ların yerini almasıyla, yapılandırılmamış arama ve makine öğrenimi alanının 20 milyar ABD dolarının üzerinde patlayacağını tahmin ediyor.
Bazı kuantum makine öğrenimi algoritmalarının, avantajlarını göstermek için yalnızca 50 ila 100 kübitlik küçük kuantum bilgisayarlara ihtiyaç duyduğunu belirtmek gerekir. 2011'den beri ve özellikle 2014'ten sonra, büyük ticari şirketler kuantum hesaplamaya dikkat etmeye başladılar. Boston Consulting Group, Google ve IBM gibi devlerin aramaları optimize edebilen kuantum bilişim platformlarıyla ilgilenmesinin nedenlerinden birinin bu olabileceğini tahmin ediyor.
Bir hız avantajı olup olmadığından emin değil (Yukarıdaki şekilde en sağdaki koordinat sistemine karşılık gelir)
Günümüzün klasik hesaplama yöntemleri, ulaşım ve lojistik alanlarındaki rota optimizasyonu sorunları gibi karmaşık operasyonlar ve ağ topolojisi optimizasyonu içeren sorunları tam olarak çözebilmiştir. Bu tür görevlerde, kuantum hesaplama yöntemlerinin geleneksel hesaplama yöntemlerinin hız eşiğini aşması beklense de, endüstri genellikle mevcut hesaplama yöntemlerinin yeterli olduğunu gösterir. Bu nedenle, kuantum hesaplamanın bu tür problemlerde yeni değerin kilidini açıp açamayacağı henüz net değil.
Kuantum bilişim teknolojisinin, önemli hız avantajlarına sahip bazı alanlarda PaaS biçiminde çıktı verilebileceği düşünüldüğünde, beş yıl içinde% 70'in üzerinde bir benimseme oranının görülmesi bekleniyor; bu, makine öğrenimi alanındaki GPU benimseme hızına yaklaşık olarak eşittir. Hız avantajının belirgin olmadığı alanlar için, SaaS hizmetlerinin geliştirme hızına benzer şekilde 15 yıl içinde% 50 benimsenme oranına ulaşması bekleniyor. Hız avantajının bilinmediği alanlara gelince, kuantum hesaplamanın benimsenme oranı 15 yıl sonra yalnızca% 25 veya daha düşük olabilir.
Kuantum hesaplama ne kadar uzakta?
Boston Consulting Group, kuantum hesaplamanın olgunluğunun önümüzdeki 25 yıl içinde üç dalga yaşayacağını öngörüyor.
İlk dalga, 2018-2028. Düşük karmaşıklık simülasyonu gibi özel görevler için evrensel olmayan bazı kuantum hesaplama platformları geliştirilecektir. Bu platformlar son yıllarda hızla çıkacak ve ikinci dalgaya kadar kullanılmaya devam edecek.
İkinci dalga, 2028-2039. Kuantum bilgisayarlar, kuantum hegemonyasını gerçekleştirerek 50 mantıksal kübite genişletilecek, yani adanmış kuantum bilgisayarlar, belirli problemler için klasik süper bilgisayarları geçme yeteneğine sahip olacak. Bu dönemde kuantum hesaplama, makromoleküler simülasyon, ilaç araştırma ve geliştirme ve yazılım geliştirme alanlarında yoğunlaşacak ve mevcut uygulamalar piyasaya girecek ve önemli bir ticari değer yaratacaktır. Aynı zamanda, Kuantum Bilgi İşleme ayrı bir alana dönüşecek ve ticari şirketler kuantum simülasyon yöntemlerine daha uyarlanabilir hale gelecektir.
Üçüncü dalga, 2031-2042. Şu anda, kuantum hesaplama yöntemleri, simülasyon, arama ve optimizasyon görevlerinin tüm yönlerinde geleneksel hesaplama yöntemlerini geride bırakacak. Moore Yasasının yarı iletken alanında yavaşlaması ve bazı özel uygulamalarda geleneksel hesaplamayı yakalamak için kuantum hesaplamanın düşük eşiği nedeniyle, ikinci ve üçüncü dalgalar bir süre üst üste gelecektir. Genel yörüngeye göre, kuantum hesaplama önümüzdeki on yıl içinde istikrarlı bir şekilde gelişecek ve 2030 civarında bir patlamayı başlatacak.
Kuantum bilgi işlem teknolojisinin geliştirme rotası (Kaynak: Outlook Think Tank)
Kasım 2017 ve Mart 2018'de IBM ve Google, sırasıyla 50 ve 72 kübit prototip elde ettiklerini duyurdu. Ancak ne IBM ne de Google "kuantum hegemonyasının" gerçekleştiğini duyurmadı, ilgili test sonuçlarını açıklamadı, bu da teknik olarak "kuantum hegemonyasından" belli bir mesafe olduğu anlamına geliyor.
Kuantum çipleri yarı iletken teknolojisiyle işlendiğinden, kübit sayısı keyfi olarak artırılabilir, ancak yalnızca kübit sayısındaki artış yeterli olmaktan uzaktır. Teknik olarak daha zor, birden çok kübiti tutarlı bir şekilde kontrol etme becerisidir. Bir çipin çoklu kübitlerin tutarlı kontrolü iyi test sonuçları elde etmezse, çipin bilimsel veya pratik değeri yoktur.
Titiz akademik makalelerin aksine, IBM ve Google'ın, büyük ölçüde ticari amaçlarla bu tür haberleri yayınlamak için herhangi bir teste ve meslektaş incelemesine ihtiyacı yoktur. Şu anda, uluslararası akademik dergilerde sıkı bir şekilde denetlenen ve resmi olarak yayınlanan en yüksek kaliteli test sonuçları, Google'ın 9 kübitlik süper iletken çipi ve Çin'in 10 kübitlik süper iletken çipidir.
Kuantum hesaplama nasıl yapılır?
Kuantum bilgisayarların başarısı ya da başarısızlığına dair iki gösterge vardır: kuantum eşevresizlik süresi ve ölçeklenebilirlik.
"Tutarsızlık", kuantum uyumlu durumunun (bir kuantum harmonik osilatörün kuantum mekaniğinde elde edebileceği özel bir kuantum durumuna atıfta bulunur), klasik bir duruma evrimleşmek için çevre ile etkileşime girdiği zamanı ifade eder. Kuantum hesaplama, bir kuantum süperpozisyon durumunda gerçekleştirilmelidir, bu nedenle, bir kuantum bilgisayarın eş evreleme süresi ne kadar uzun olursa, o kadar iyidir.
"Ölçeklenebilirlik", pratik kuantum bilgisayarlara geçmek için sisteme daha fazla kübit eklenebileceği gerçeğini ifade eder. Klasik bilgisayarlardaki basit bit eklenmesinden farklı olarak, kuantum bilgisayarların kübitleri dolaştırması gerekir, bu nedenle zorluk üsteldir.Her ek bit, zorluğu ikiye katlar.
Farklı fiziksel sistemler için kuantum hesaplama parametrelerinin karşılaştırılması (Kaynak: Outlook Think Tank)
Bu iki göstergeden yola çıkarak, dünyanın dört bir yanındaki ilgili alanlardaki bilim adamları, evrensel bir kuantum bilgisayara ulaşmak için farklı yönlerden aynı hedefe doğru çalışıyorlar. Şu anda kimin öleceği bilinmiyor.
İyon kapanı çözümü: Bu, kuantum bilgisayarlar için önerilen en eski çözümdür Teknik olarak olgunlaşmıştır, ancak ölçeklenebilirliği sınırlıdır, bu da gelişimini pratik kuantum bilgisayarlarla sınırlar. Bu doğrultuda Avusturya'daki Innsbruck Üniversitesi ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Colorado Üniversitesi dünyaya öncülük etmektedir.
Işık kuantum şeması: Tek fotonları kübit olarak kullanarak, hesaplamalar karmaşık bir optik yol sistemi aracılığıyla gerçekleştirilir. Foton emilmez ve dağılmazsa, tutarlılığı her zaman korunabilir. Mevcut optik bileşenleri kullanarak, fotonun eş evreli olma süresi yeterince uzun olabilir ve ölçeklenebilirliği, foton hat genişliği ve entegre optik yol teknolojisi ile sınırlıdır. Bu doğrultuda, Pan Jianwei'nin Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden ekibi dünyaya liderlik ediyor.
Nükleer manyetik rezonans programı: Mükemmel bir dekerans süresine sahiptir, ancak tek bir molekülün boyutu ölçeklenebilirliğini tamamen sınırlar. Kuantum bilgisayarları bu yönde keşfetme çabaları temelde durdu.
Süper iletken devre şeması: Bu şema kısa bir eş evreliğe sahip olmasına rağmen, ölçeklenebilirliği olağanüstüdür. IBM ve Google gibi bilgi devleri bu yönde yoğun bir yatırım yapıyor. Google, Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara'nın (UCSB) Martinis ekibine yatırım yaptı ve Google-UCSB ortak laboratuvarını kurdu; Alibaba Group, Akademisyen Pan Jianwei ekibine yatırım yaptı ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Şangay Araştırma Enstitüsü'nde Çin Bilimler Akademisi-Alibaba Quantum'u kurdu Ortak Bilgi İşlem Laboratuvarı, süperiletken programı ağırlık merkezi olarak destekler.
Elmas çözüm: Kübit yapmak için elmastaki renk merkezi kusurlarını kullanmak, eş evreli olma süresi ve ölçeklenebilirliği örneğin kendisi ile sınırlıdır. Bu doğrultuda, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Akademisyen Du Jiangfeng'in ekibi dünyaya liderlik ediyor.
Ultra soğuk atom şeması: İyon tuzağı şemasına benzer, ancak ölçeklenebilirliği sınırlıdır.Şu anda, çoğunlukla yoğunlaştırılmış madde sistemlerinin kuantum simülasyonu için kullanılmaktadır. Bu alandaki dünya liderleri, Almanya'daki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü (MPQ), Amerika Birleşik Devletleri'ndeki JILA Laboratuvarı ve Harvard-MIT Ortak Soğuk Atom Merkezi'dir.
Ek olarak, "topolojik kuantum hesaplama" gibi başka fiziksel sistemler de vardır. Ancak ölçeklenebilirlik açısından süper iletken devrelerle karşılaştırılamazlar. Bu nedenle, fizikçiler ve BT devleri, gelecekte genel kuantum bilgisayarlara ilişkin beklentilerini çoğunlukla süper iletken devre sistemlerine yerleştiriyor.
Uygulama zorlukları: Pratik bir mühendislik bakış açısıyla, İşletim ortamı, kuantum bilgisayarların geliştirilmesi için ana sınırlayıcı faktördür. Kuantum devreleri yalnızca çok düşük sıcaklıklarda (mutlak sıfıra yakın) en iyi performansı gösterebilir. Kuantum durumu son derece istikrarsızdır ve herhangi bir dış müdahale hata oranını artıracaktır, bu nedenle kuantum bilgisayarların soğuk veri merkezlerinde yoğunlaştırılması gerekir. Cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi mobil cihazlar için kuantum hesaplama teknolojisi henüz kullanışlı değil.
Ek olarak, Tutarlılık ve hata oranı, kuantum bilgisayarların çok önemli göstergeleridir. Teknolojinin şu anki durumuna göre, kuantum bilgisayarların ölçeği gerçek simülasyon görevlerini gerçekleştirmek için yeterince artırıldığında, hata toleransı için kullanılan fiziksel kübitlerin, gerçekten çalışan mantıksal kübitlere oranı 3000: 1 kadar yüksek olacaktır.
Kuantum bilgisayar karşılaşmasını nasıl yakalayabilirim?
Henüz gerçekleşmemiş olsa da ana görüş, "kuantum hegemonya" çağının kaçınılmaz olarak geleceği yönündedir Bu, kimsenin kaybetmeyi göze alamayacağı bir rekabettir. Sonuçta, kuantum hesaplama teknolojisi bir kez ortaya çıktığında, bu yeteneğe hakim olan ülkeler, ekonomi, askeri, bilimsel araştırma ve güvenlik alanlarında hızla çok yönlü avantajlar elde edecekler.
Kuantum hesaplamanın potansiyelini tam olarak gerçekleştirmesi yaklaşık on yıl alacak, ancak ticari şirketler şimdi başlamalı ve kuantum hesaplama teknolojisinin gelişimini her zaman izlemelidir.Belirli bir alanda kuantum hegemonyası bir kez elde edildiğinde, şirketler bunu hızla benimseyebilir.
Kuantum bilgisayarların avantajlarını daha önce göstermesine izin vermek için fizikçiler, özel kuantum bilgisayarlarla çözülebilecek bazı özel problemler düşündüler. Bu özel amaçlı kuantum bilgisayarların mantık kapılarına (az sayıda kübit çalıştıran kuantum devreleri) ihtiyacı yoktur ve simülasyon yoluyla sorunları hedeflenen bir şekilde çözmek için yalnızca kendi sistemlerinin özelliklerine güvenirler.
Şu anda, Özel kuantum bilgisayarlar bazı problemleri çözmede avantajlar göstermiştir. Örneğin, Kanada'daki D-Wave, temel durumu (minimum değer) bulmak için adyabatik kuantum algoritmaları kullanan özel bir kuantum bilgisayar geliştirdi; Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nin (Çin Bilimler Akademisi-Alibaba Laboratuvarı) optik kuantum bilgisayarı camı simüle ediyor Renk alt örnekleme problemi, bu problemde hesaplama hızı, tarihteki ilk elektron tüp bilgisayarı (ENIAC) ve ilk transistör bilgisayarı (TRADIC) olan eski klasik bilgisayarları aşmıştır.
Hem IBM hem de Microsoft, Kuantum hesaplama topluluğu, kuantum hesaplama simülatörü, Ve kullanımı kolay araçlar olan bu araçlar, geliştiricilerin kuantum hesaplama yetenekleri elde etmesini sağlayabilir. Kuantum algoritmaları, ilgili programlama dilleri ve kuantum bulut hizmetleri olgunlaştıktan sonra, geliştiriciler bunları yavaş yavaş çözümlerine dahil edebilir.
İlaç şirketleri ve malzeme bilimi yeniliğine güvenen diğer şirketler, moleküler simülasyonlar için kuantum işlemcilerin kullanımını keşfetmeye başlıyor. Boston Consulting Group, son yıllarda bazı kimya şirketlerinin nispeten basit makromoleküler modelleme ve optimizasyon için mevcut sınırlı kuantum hesaplama yeteneklerini kullanacağını tahmin ediyor.
Arama, sinir ağları ve optimizasyon algoritmalarına dahil olan şirketler, veri bilimcilerini bilgi işlem güçlerini hızlandırmak için kuantum işlemcileri nasıl kullanacaklarını incelemeye teşvik ediyor. Diğer ileri teknolojilerde olduğu gibi, yapay zeka ve makine öğrenimi alanında da kuantum bilişim teknolojisinden yararlanabilen şirketler önemli engeller oluşturacak.
Buna ek olarak, şifreleme teknolojisini kırma yeteneği 1.000 kübitten fazla bilgi işlem kaynağı gerektirmesine rağmen, Boston Consulting 2040 yılına kadar mevcut şifreleme teknolojisinin artık uygulanamayacağını tahmin ediyor. Bu nedenle, ticari şirketler herhangi bir zamanda tamsayı ayrıştırma şifreleme yöntemlerine bağımlılıktan kurtulmak için yeni şifreleme yöntemlerine dikkat etmelidir.
Hala nispeten erken bir aşamada olmasına rağmen, kuantum hesaplama hızla laboratuvardan ticari kullanıma geçmektedir. Önümüzdeki on yıl içinde, kuantum hesaplama, işletmeler için muazzam değer salma potansiyeline sahip olacak. İşletme yöneticilerinin bundan sonra kuantum hesaplamanın araştırma ve geliştirme sürecine dikkat etmesi ve kuantum hegemonyasının gerçekleştirilebileceği zaman düğümüne dikkat etmesi gerekiyor.Kuantum teknolojisini uygulamak isteyen şirketlerin artık yetenekler geliştirmesi gerekiyor.
