Kuantum bilişim araştırma ilerlemesi: Çin ve Amerika Birleşik Devletleri'nde 4 ila 5 yıllık bir teknoloji açığı var
Bitirme | Jiang Baoshang
2019, kuantum bilişimin haberlerin en önemli noktasını işgal ettiği yıl. Ocak ayından itibaren IBM, dünyanın ilk ticari kuantum hesaplama prototipini duyurdu ve Google, Eylül ayına kadar dünyanın ilk "kuantum hegemonyasını" duyurdu.
Bu yıl kuantum hesaplama tarihinde bir kilometre taşı olacak, çünkü kuantum hesaplama çağının geleceği anlamına geliyor.
Kuantum hesaplama bizden ne kadar uzakta? Büyük ölçekli ticari kullanıma ulaşmak ne kadar sürer? Teknolojinin şu anki durumu nedir?
Bugün, CCF YOCSEF Genel Merkezi AC Üyesi, Genel Merkez Atanmış Akademik Sekreter, Pekin Jiaotong Üniversitesi Tao Yaodong, CCF YOCSEF Genel Merkezi AC Üyesi, Pekin Jiaotong Üniversitesi Bilgisayar ve Bilgi Teknolojisi Okulu Wang Wei, CCF YOCSEF (Çin Bilgisayar Topluluğu Gençlik Bilgisayar Teknolojisi Forumu) himayesinde "Kuantum bilgisayarlar bizden ne kadar uzakta?" Konulu bir çevrimiçi forum düzenlendi Bu konuda, Hefei Yuanyuan Quantum Computing Technology Co., Ltd.'den Dr. Hui Zhang, "Kuantum Bilgisayarların Geliştirme ve Uygulama Beklentileri" hakkında bir rapor verdi. Tencent Quantum Lab'den Dr. Yarui Zheng, "Kuantum hesaplamayı gerçekleştirmek için daha ne yapmamız gerekiyor?" Konulu bir rapor verdi. Tsinghua Üniversitesi'nde yaşam için doçent olan Kihwan Kim (Jin Qihuan), "Tuzaklanmış İyonlarla Kuantum Hesaplama" üzerine bir rapor verdi.
Sun Yat-sen Üniversitesi Veri Bilimi ve Bilgisayar Fakültesi'nden Profesör Li Luzhou ve Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi'nden Dr. Qiang Xiaogang da özel davetli olarak konuşmalar yaptılar. Tianjin Teknoloji Üniversitesi'nden Profesör Luo Xun ve People's Posts and Telecommunications Press'in kıdemli planlama editörü He Ruijun, çevrimiçi başkan olarak görev yaptı.
Makalenin uzunluğu nedeniyle, AI Technology Review "Kuantum Bilgisayarların Geliştirilmesine Genel Bakış ve Uygulama Beklentileri" Sıralamak ve diğer iki raporu sıralamak için lütfen AI teknolojisi yorumlarına dikkat etmeye devam edin ~
Zhang Hui: PhD, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi. Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden 2003 yılında lisans derecesi ile mezun oldu; Haziran 2008'de, Quantum Information kurucusu Akademisyen Guo Guangcan'ın vesayeti altında Çin Bilimler Akademisi Temel Kuantum Bilgi Laboratuvarı'ndan doktora derecesi aldı ve okuldaki ana araştırma yönü düşük sıcaklıkta yarı iletken elektronik taşımaydı. Çift kuantum noktalarında deneysel araştırma ve kuantum bilgi teorisi araştırması. Halen Hefei Benyuan Quantum Computing Technology Co., Ltd.'nin şirket operasyonları ve planlamasından sorumlu başkan yardımcısıdır.
Raporda Zhang Hui, kuantum bilgisayarların ve klasik bilgisayarların ateş ve su ile uyumsuz olmadığından bahsetti.Kuantum hesaplamada Çin ile Amerika Birleşik Devletleri arasında en az 4 ila 5 yıllık bir boşluk var, ancak bu "sıkışmış" bir durum değil ... .
1. Kuantum bilgisayarlara temel genel bakış
Kuantum mekaniğinin 100 yılı aşkın bir geçmişi vardır Şu anda atom enerjisi, lazerler, süperiletkenler, transistörler, yarı iletkenler vb. Dahil olmak üzere birçok kuantum bilgi teknolojisi vardır ve birçok teknoloji uygulaması kuantum mekanik etkilere ulaşmıştır.
Tarihte iki kuantum devri olmuştur: Birincisi esas olarak makroskopik bir kuantum davranışı ve ikincisi mikroskobik bir kuantum teknolojisi sistemiydi. Şu anki çabalarımız da mikroskobik sisteme odaklanmıştır.
Her iki devrim de, kuantumun çok gizemli bir şey olmadığını, çok titiz bir bilim olduğunu gösterdi. Kuantum hesaplama, kuantum mekaniği ve bilgisayarların kesişimine dayanan yeni bir disiplindir.
1880'lerden beri, Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki bilim adamları, kuantum bilgisayarlar konseptini önerdiler.On yıllar süren geliştirmeden sonra, şifreleri kırmak için algoritmalar, arama için algoritmalar vb. Dahil olmak üzere bazı algoritmalar oldu. Bu teoriler tam bir kuantum hesaplama sistemi inşa etti.
21. yüzyılda, araştırmanın odak noktası teorik araştırmayı laboratuvardan çıkarmaktır. Son zamanlarda fenomen düzeyinde birçok haber de görebilirsiniz. Bunların hepsi işaretler.
Kuantum hesaplamanın hala gelişimin erken aşamasında olduğu, klasik bilgisayarlara benzer şekilde inkar edilemez, bugünün kuantum bilgisayarları hala klasik bilgisayarların elektron tüpü çağında ve hatta en düşük fiziksel taşıyıcı henüz tam olarak oluşmamış.
Şu anda, kuantum hesaplamayı tanımlayan beş gösterge, kübitlerin derleme yöntemi, tutarlılık süresi, işlem, zaman, girdi / çıktı ve gelecekteki ölçeklenebilirlik, çok mükemmel fiziksel sistemler değildir.
Ayrıca kuantum hesaplama için birçok sistem vardır.Her sistemin iyon tuzakları gibi kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır.Avantajları yüksek kubit kalitesi, daha uzun tutarlılık süresi, daha yüksek kubit hazırlama ve okuma verimliliği ve dezavantajı daha az depolamadır. Tutarsızlık, zayıf ölçeklenebilirlik, küçültmesi zor, vb.
Not: Tutarlılık süresi, kuantum etkisinin garanti ettiği süre içinde üzerinde çalışma süresini ifade eder. Ne kadar uzun olursa o kadar iyidir.
Optik sistemde, avantajları arasında uzun tutarlılık süresi, basit manipülasyon yöntemleri ve iyi ölçeklenebilirlik bulunur. Dezavantajı, iki kübit arasındaki mantık geçidinin çalıştırılmasının zor olmasıdır.
Topoloji de vardır, avantajları arasında çevresel parazitlere, gürültüye ve kirliliklere karşı büyük direnç vardır, ancak yine de teorik seviyede kalır ve cihazsız uygulanır.
Akademi ve endüstride, çeşitli programların araştırılmasında bazı ilerlemeler kaydedilmiş olmasına rağmen, teknik yolun yakınsaması henüz sağlanamamıştır. Şu anda en hızlı ve en iyi teknoloji süper iletken devrelerdir.
Bunun iki nedeni var: Birincisi, insanoğlunun yarı iletken entegrasyonu, devre teknolojisi ve teknoloji de dahil olmak üzere, gelişimi teşvik etmek için çok ileri teknolojiyi kullanmayı ummasıdır.
İkinci neden, avantajının çok ölçeklenebilir olması, katı hal cihazları ve elektrik yönlerinin gelecekteki kuantum hesaplamayı klasik bilgisayarlarla uyumlu ve kaynaştırılmış hale getirebilmesidir. Google, IBM ve Intel gibi şirketlerin tümü süper iletkenlik veya yarı iletkenlere odaklanıyor.
Buna karşılık, klasik bilgisayar, 0 ve 1'i temsil etmek için temel olarak yüksek voltaj ve düşük voltaj kullanan bir makro sistemde derlenir. Kuantum bilgisayarların geleceği, atomlar veya elektronlar gibi mikroskobik sistemlerde derlenecek. Örneğin, 0 ve 1'i derlemek için elektronlar kullanılır ve 0 ve 1'i temsil etmek için üst ve alt elektronların spin durumları kullanılır.
Bilgisayarların geliştirilmesinde transistörler gittikçe küçüldü ve süreç 7nm, 5nm'ye ilerledi ve hatta bazı insanlar bunun 3nm olması gerektiğini söylüyor. En zor problem ise transistörün boyutunun küçülüp küçülmesi ve ortadaki bariyerin incelmesi ve incelmesi 5 nanometreye ulaştığında atom sayısı sadece birkaç düzinedir. (3nm için bir düzineden fazla olacaktır.)
Mikroskobik bir sistemde, elektronların kuantum tünelleme etkileri olacak, 0 ve 1'i doğru bir şekilde temsil edemeyecek ve elektronlar yüksek ve düşük voltajları doğru bir şekilde tanımlayamayacak ve ileri geri gidecek.Moore yasasının genellikle tavana çarpmasının nedeni budur.
Çözüm, daha önce toprak kullanmak gibi, ancak şimdi plastik kullanarak malzemeyi değiştirmektir. Plastiğe geçmek bariyeri daha güçlü ve daha güçlü hale getirecektir, ancak mikroskobik düzeyde, atom düzeyinde, hangi malzeme kullanılırsa kullanılsın, elektron tünelleme etkisini engelleyemez.Şimdi bilim adamları ya kuantum etkilerinden kaçınmaya çalışıyorlar ya da sadece kuantum mekaniğini kullanıyorlar.
2. Yurt içinde ve yurt dışında kuantum bilgisayarların en son gelişimi
Kuantum bilgisayarların en büyük iki avantajı vardır: Birincisi, büyük verilerin paralel hesaplamasında (performansında) üstel iyileştirmeler sağlayabilmeleridir. Bu güçlü işlev, finans ve veri arama ve işleme gibi alanlarda kullanılabilir. İkinci avantaj, kuantum hesaplamanın, yeni materyallerin keşfi ve biyotıp ilaçlarının sentezi gibi simülasyonda çok doğal davranacak olan elektron atomları üzerinde derlenmesidir.
Kuantum hesaplamanın gelişimi aslında son iki ya da üç yılda olmuştur. Avrupa, Asya, Kuzey Amerika ve Avustralya'daki bazı gelişmiş ülkelerin neredeyse tamamı kuantum hesaplamanın yönünü içerecektir. Birçok ülke ulusal düzeye yükselmiştir. Örneğin, Amerika Birleşik Devletleri kuantum hesaplamayı yükseltti. Apollo ayına iniş planının yüksekliğine.
Kurumsal bir perspektiften bakıldığında, Google, IBM, Microsoft, Intel ve yerel Tencent, Alibaba, Baidu ve Huawei gibi nispeten büyük BT şirketlerinin neredeyse tamamı kuantum hesaplamayı içerir ve dünya çapında yüzlerce kuantum hesaplama şirketi vardır. Bilgi işlem girişimleri çok hızlı gelişiyor ve şimdiden çok iyi sonuçlar gösterdiler.
Kuantum bilgisayarlar klasik elektronik bilgisayarlarla karşılaştırılabilir Kuantum çipler merkezi işlem birimlerine karşılık gelir ve kuantum ölçüm ve kontrol sistemleri bilgisayar anakartlarına karşılık gelir.
Ayrıca, temel montaj dili, işletim talimatları ve bu montaj dillerine dayalı olarak geliştirilen gelecekteki kuantum uygulama yazılımı algoritmaları dahil olmak üzere işletim sistemleri de dahil olmak üzere çok sayıda kuantum yazılımı olacaktır.
2019, kuantum hesaplamanın gelişmesinde parlak bir andır.Google'ın kuantum hegemonyası, Go oynayan yapay zeka Alpha Dog ile karşılaştırılabilir. Yapay zekanın, Go'da insanları mağlup etmesinden dolayı, yapay zeka belirli bir gelişim düzeyine itildi.
Uzmanlar, Google'ın kuantum hegemonyasının kuantum bilişim patlamasını ateşlemek için tamamen mümkün olduğuna inanıyor. 2019'un başında IBM, halihazırda satılmış olan 20 bitlik bir kuantum bilgi işlem prototipini piyasaya sürdü. 2019'un sonunda, Google'ın kuantum hegemonyası, yalnızca 53 bitlik özel bir kuantum çip ile matematiksel bir problemi çözdü.
Patentlerde de çok ilerleme kaydedildi.Kanadalı D-Wave 300'den fazla onay aldı, IBM 235, Microsoft 212 ve Quantum 36 ile listedeki tek Çinli şirket.
Kuantum hesaplama perspektifinden, Çin ve Amerika Birleşik Devletleri'nin hala en az 4 ila 5 yıllık bir boşluğu var. Ancak mevcut durum klasik bilgisayarlardan çok daha iyidir, en azından "sıkışmış" olmayacaktır.
(Kuantum Bilgisayar) Ticari tahminler muhtemelen üç aşamaya bölünecek ve mevcut ilk aşama tamamlandı. Kuantum hesaplamanın prototiplerinin geliştirilmesi düzeyinde, Google tarafından önerilen kuantum hegemonyası bir dönüm noktasıdır.
İkinci aşama, önümüzdeki on yıl ve odak noktası, özel çipler bulmak ve belirli endüstrilerdeki sorunları çözmek için kullanmaktır.
Üçüncü aşama on yıldan fazla bir süredir, amaç evrensel kuantum bilgisayarı gerçekten gerçekleştirmek. Boston Consulting Group bir keresinde, 2030 yılına kadar piyasa talebinin ihtiyatlı bir şekilde 2,1 milyar ABD doları, iyimser bir şekilde 60 milyar ABD doları olarak tahmin edildiğini ve 2050 yılına kadar 260 ila 300 milyar ABD dolarına ulaşabileceğini tahmin etmişti.
3. Kuantum hesaplamanın endüstriyel uygulaması
Klasik bilgisayarların geliştirme deneyimlerinden dersler çıkararak, kuantum bilgisayarların tarihsel eğilimi hızlandırılmış bir hızla gerçekleşecek.Geçmiş dönemde, birçok kişi IBM Q Network ve Quantum gibi bazı kuantum bilişim endüstrisi ittifakları da dahil olmak üzere kendilerini endüstriyel ve ticari uygulamalara adadı. Computing Industry Alliance OQIA.
Endüstri ittifakının anlamı, (kuantum bilgisayarların) belirli sektörlerdeki sorunları veya zorlukları bulmak için endüstri ile çarpışması ve ardından bunları çözmeye yardımcı olmak için kuantum bilgisayarları kullanması gerektiğidir.
Endüstri ittifakıyla birlikte, kuantum hesaplama son bir veya iki yılda çok hızlı gelişti ve birçok pratik keşif vakası var. Örneğin, kuantum hesaplama ve yapay zeka, makine öğreniminin verimliliğini büyük ölçüde artırabilir ve pratik sorunları çözmek için birçok algoritma tasarlayabilir.
Akıllı ulaşım yönünde teorik olarak rota optimizasyonu konusunda algoritmik araştırma yapmak mümkündür. Belirli durumlar, Almanya'daki Google ve Volkswagen'i içerir. 2019'da bu şirketler, algoritmalara ve trafik verilerine dayalı dokuz aracı kontrol etmek için zaten kuantum hesaplamayı kullanıyor.
9 araba klasik bilgisayarlar tarafından çözülebilir, ancak bu bir doğrulamayı işaret ediyor, bu da kuantum hesaplamanın arabaları çok basit modellerle kontrol edebileceği anlamına geliyor. Bir çipteki bit sayısı arttıkça, kontrol edebileceği araba sayısı kolayca katlanarak artacaktır.
Kuantum hesaplama artı finans, finans alanındaki zorlukları ve sorunları çözmek için de kullanılabilir .. JPMorgan Chase ve IBM, türev fiyatlandırması ve ikinci dereceden hızlandırma kuantum algoritmalarını birlikte çalışmışlardır. Birçok banka da bu algoritmalarla çok ilgileniyor ve aslında kuantum hesaplama şirketleriyle işbirliği yapıyor.
Kuantum bilişim ve biyotıp kombinasyonu da çok çekici. Geçtiğimiz dönemde birçok şirket veya kurum hastanelerle işbirliği yaptı ve moleküllerin ve atomların nasıl simüle edileceği dahil olmak üzere birçok algoritma üretti.
Bununla birlikte, şu anda çiplerin geliştirilmesiyle sınırlı olduğundan, yalnızca hidrojen moleküllerinin durumunu simüle edebilir, ancak, çip bitlerinin gelişmesiyle, gelecekte daha fazla moleküler atom simüle edilecektir. Ayrıca karmaşık ilaçların sentezi de var Kuantum hesaplamanın doğal yapısı simülasyon için çok uygundur, bu da geliştirme süresini kısaltabilir ve büyük değer sağlayabilir.
Havacılık alanında, uçak hava akışındaki bazı değişikliklerin mevcut klasik bilgisayarlarla simüle edilmesi çok zordur. Kuantum bilgisayarların birçok avantajı vardır. Dünyadaki bazı uçak üreticileri veya bazı askeri sanayi şirketleri, uçak kanadı tasarımını ve aerodinamiği simüle etmek ve araştırmak için kuantum hesaplamayı kullanmaya başladı.
Yukarı akış, orta akış ve aşağı akış dahil olmak üzere tüm kuantum bilgi işlem endüstrisi zinciri, birçok endüstrinin ve kuruluşun gelişimini yönlendirecektir. Yukarı akış, çok sayıda silikon plaka, hedef, sarf malzemesi ve özel fotorezist gerektirir. Yapay zeka ve akıllı ulaşım dahil olmak üzere çok sayıda uygulama senaryosu ortada toplanıyor. Aşağı akış, şüphesiz, büyük ölçekte kurumsal kullanıcılar için ticari olarak mevcut olan C-ucudur.
Kuantum hesaplama bir mağara gibidir, mağarada hazine veya başka bir şey olup olmadığını bilmiyoruz. Batı'daki bazı gelişmiş ülkeler içeri akıyor. Çin'in girmemesi için bir neden yok. Kuantum hesaplama neye benziyor, ne tür bir biçim ve yapılabilir mi? Kuantum hesaplamanın gelecekte kesinlikle insanın gerçek yaşamına gireceğine inanıyoruz.
