Sisältö

• Mihin kvantitietokoneet ovat hyviä
• Mitä kvanttinen ylivalta merkitsee turvallisuudelle?
• Kysymyksiä Googlen kvanttivaltaa koskevista vaatimuksista

Viime viikolla Google-tutkijat väittivät saavuttaneensa "kvanttisen ylivallan", artikkelin mukaan Financial Times. Googlen paperi julkaistiin lyhyesti NASA-verkkosivustolla ennen sen poistamista. Siinä tutkijat väittävät ylittäneensä nykypäivän tehokkaimman klassisen supertietokoneen - nimeltään Summit - omalla kvantitietokoneellaan.

Tätä kutsutaan kvanttiylitykseksi - toisin sanoen, kun kvantitietokoneen on osoitettu olevan nopeampi annetussa tehtävässä kuin klassinen tietokone. Lehden mukaan Googlen 53-bittinen Sycamore-järjestelmä pystyy suorittamaan tämän nimenomaisen laskelman kolmessa minuutissa ja 20 sekunnissa. Huippukokouksen supertietokone kestää noin 10 000 vuotta saman toiminnon suorittamiseen.

Kvanttisen ylivallan saavuttaminen oli alun perin ennustettu vuoden 2017 loppuun. Googlen 72-bittinen Bristlecone-tietokone (yllä kuva) osoittautui kuitenkin liian vaikeaksi hallita riittävän tarkkuudella. Sen sijaan läpimurto tulee pienemmästä 53-bittisestä Sycamore-järjestelmästä.

Mihin kvantitietokoneet ovat hyviä

Toisin kuin perinteiset tietokoneet, jotka toimivat joko 1: n tai 0: n bitillä, kvantitietokoneet käyttävät “kvittejä” arvojen tallentamiseen. Qubit eli kvanttibitti on kaksitilainen kvantimekaaninen järjestelmä. Sillä on salaperäinen ominaisuus, että se kykenee pitämään superpositio sekä 1 että 0 tilasta kerralla. Tämä tila kuitenkin romahtaa mittauksen aikana.

Kvanttitietokoneet on rakennettu samanlaisilla laitteistoporteilla kuin klassisissa tietokoneissa, joiden NOT- ja AND-porttiekvivalentteina käytetään matemaattisia funktioita. Kvanttilähdöt ovat kuitenkin luontaisesti todennäköisiä, mikä tarkoittaa, että niiden tarkkuus on tarkistettava ja virhe korjattava. Et voi myöskään kurkistaa kvanttilaskentaa puolivälissä tuhoamatta tulosta superpositioinnin vuoksi.

Superpositio ja todennäköisyys ovat avaimet, jotka tekevät kvantitietokoneista hyödyllisiä tietyille matemaattisille tehtäville. Kvittien määrän suurentaminen mahdollistaa miljoonien mahdollisuuksien laskemisen melkein heti. Käyttötarkoituksiin sisältyy valtavien lukujen factoring, Fourier-muunnosten laskeminen ja lineaaristen yhtälöiden ratkaiseminen. Kvantitietokoneet ovat luonteeltaan hyvin erikoistuneita. Ne eivät todellakaan ole hyödyllisiä monille peruslaskutoimituksille, joita kannettavat tietokoneemme suorittavat päivittäin.

Mitä kvanttinen ylivalta merkitsee turvallisuudelle?

Oudosta kuin kvantitietokoneet kuulostavat, niillä on erittäin mielenkiintoisia sovelluksia tietyillä laskennan aloilla - etenkin niissä, jotka liittyvät toistuviin, monimutkaisiin matemaattisiin toimintoihin, kuten meteorologia, kemian ja fysiikan mallintaminen ja salaus.

Tämä viimeinen usein etsii ihmisiä. Kvantitietokoneet voivat suorittaa niin monta matemaattista permutaatiota kerralla, ja teoriassa se vie murto-osan ajasta, jonka nykyisten tietokoneiden on hajotettava yleiset salausstandardit. Vain päivät tai tunnit useiden elinaikojen sijasta. Uusia salausprotokollia voidaan tarvita yhtenä päivänä erittäin arkaluontoisiin tietoihin, jotta kvantitietokoneet eivät estä niitä.

Salausstandardeja on parannettava kaupallisten kvantitietokoneiden myötä.

Samoin samanlaisia ​​algoritmeja käytetään nykyisillä salausvaluuttamarkkinoilla lompakkojen turvaamiseksi ja tapahtumien laillisuuden todentamiseksi. Ei ole merkkejä siitä, että jopa Googlen tietokone kykenee murtamaan nämä salaustyypit. Kvanttilaskentatehon eksponentiaalisen kasvun uhka tekee tästä kuitenkin selvän mahdollisuuden lähivuosina.

Onneksi kvantitietokoneet ovat vielä kaukana kaupallisesti kannattavista. Ne ovat vielä kehitysvaiheessa ja käytetään todennäköisemmin tutkimukseen kuin julkisten salasanojen murtamiseen. Kummassakin tapauksessa salausstandardeja on parannettava estämään ja estämään halkeamien elinkyky lähitulevaisuudessa.

Kysymyksiä Googlen kvanttivaltaa koskevista vaatimuksista

Vaikka Google väittää, että kvanttivalta on suuri läpimurto, jotkut sen kilpailijat ovat vähemmän vakuuttuneita saavutuksen ansioista. Termi ”kvantti ylivalta” viittaa siihen, että kvantitietokoneet ovat nyt tehokkaampia ja hyödyllisempiä kuin klassiset tietokoneet, mutta tämä on varmasti kiistanalainen väite.

Dario Gil, IBM: n tutkimusjohtaja (suuri kilpailija kvanttilaskenta-avaruudessa), kutsui Googlen väitteitä "pelkästään väärin". Gil huomauttaa, että tutkimus on vain "laboratoriokoe, jonka tarkoituksena on toteuttaa olennaisesti - ja lähes varmasti yksinomaan - yksi" hyvin tarkka kvantinäytteenottomenetelmä, jolla ei ole käytännöllisiä sovelluksia. ”Toisin sanoen Googlen tutkimus keskittyy erittäin kapeaan laskentatyyppiin, joka paljastaa vain vähän tietokoneen laajemmista ominaisuuksista.

Kvanttinen ylivalta - kun kvantitietokone ylittää klassisen tietokoneen tietyssä tehtävässä.

Entinen IBM: n johtaja Chad Rigetti kutsui ilmoitusta "suureksi hetkeksi ihmisille ja tiedelle". Etelä-Kalifornian yliopiston tekniikan professori Daniel Lidar totesi Googlen läpimurron mittakaavan. Yhtiö on vähentänyt qubit-häiriöitä - tunnetaan nimellä “crosstalk” - vähentäen huomattavasti tietokoneen virhetasoa verrattuna kilpailijaan.

Seurauksena on, että Google pystyy nyt suurentamaan kvantitietokoneidensa kokoa pienempien virhetulosten ansiosta. Lisää kvittejä, joilla on pieni virhe, kasvattaa eksponentiaalisesti kvantitietokoneiden prosessointitehoa, mikä tekee niistä paljon käyttökelpoisempia monimutkaisten ongelmien ratkaisemiseksi. Myös ohjelmoitavuuteen on vielä paljon tehtävää.

Viime kädessä kvantitietokoneet ovat hyödyllisiä vain rajoitetulle joukolle tehtäviä. Niiden rakentaminen, käyttö ja ohjelmointi on kallista. Tämä monimutkaisuus tarkoittaa, että niitä käytetään todennäköisesti vain säästeliäästi hyvin erityisiin tehtäviin. Tämä ei kuitenkaan vähennä Googlen kvanttiyliopiston virstanpylvästä ja tosiasiaa, että kvanttilaskenta näyttää joka vuosi entistä kannattavammalta.