Περιεχόμενο

• Τι κβαντικούς υπολογιστές είναι καλός για
• Τι σημαίνει η κβαντική υπεροχή για την ασφάλεια;
• Ερωτήσεις σχετικά με τις αξιώσεις κβαντικής υπεροχής της Google

Την περασμένη εβδομάδα, οι ερευνητές της Google ισχυρίστηκαν ότι έχουν φτάσει στην «κβαντική υπεροχή», σύμφωνα με ένα άρθρο στο Financial Times. Το έγγραφο της Google δημοσιεύτηκε σύντομα σε ιστότοπο της NASA προτού αφαιρεθεί. Σε αυτό, οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι έχουν ξεπεράσει τον πιο ισχυρό κλασικό υπερυπολογιστή σήμερα - που ονομάζεται Summit - με τον δικό τους κβαντικό υπολογιστή.

Αυτό είναι αυτό που είναι γνωστό ως κβαντική υπεροχή - με άλλα λόγια, όταν ένας κβαντικός υπολογιστής αποδεικνύεται ταχύτερος σε ένα συγκεκριμένο έργο από έναν κλασικό υπολογιστή. Σύμφωνα με το άρθρο, το σύστημα Sycamore των 53 qubit της Google είναι σε θέση να ολοκληρώσει αυτόν τον συγκεκριμένο υπολογισμό σε τρία λεπτά και 20 δευτερόλεπτα. Ο υπερυπολογιστής της Συνόδου Κορυφής θα χρειαζόταν περίπου 10.000 χρόνια για να ολοκληρώσει την ίδια λειτουργία.

Η επίτευξη της κβαντικής υπεροχής είχε αρχικά προβλεφθεί για το τέλος του 2017. Ωστόσο, ο υπολογιστής Bristlecone της Google με τετρακύλινδρο τετράγωνο (που απεικονίζεται παραπάνω) απέδειξε ότι ήταν πολύ δύσκολο να τον ελέγξει με αρκετή ακρίβεια. Αντ 'αυτού, η ανακάλυψη προέρχεται από το μικρότερο Sycamore 53-qubit σύστημα.

Τι κβαντικούς υπολογιστές είναι καλός για

Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς υπολογιστές που λειτουργούν σε bits είτε 1 είτε 0, οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν "qubits" για να αποθηκεύουν τιμές. Ένα qubit, ή κβαντικό δυαδικό ψηφίο, είναι ένα κβαντομηχανικό σύστημα δύο καταστάσεων. Έχει τη μυστηριώδη ιδιότητα να είναι σε θέση να συγκρατήσει μια υπέρθεση τόσο των 1 όσο και των 0 καταστάσεων ταυτόχρονα. Ωστόσο, αυτή η κατάσταση καταρρέει κατά τη μέτρηση.

Οι κβαντικοί υπολογιστές κατασκευάζονται με παρόμοιες πύλες υλικού σε κλασσικούς υπολογιστές, με ισοδύναμα πύλης NOT και AND που χρησιμοποιούνται για μαθηματικές λειτουργίες. Ωστόσο, οι κβαντικές εξόδους είναι εγγενώς πιθανοτικές, δηλαδή πρέπει να ελέγχονται για ακρίβεια και διορθώσεις σφαλμάτων. Επίσης, δεν μπορείτε να ρίξετε μια ματιά σε έναν κβαντικό υπολογισμό εν μέρει χωρίς να καταστρέψετε την έξοδο, λόγω υπέρθεσης.

Η υπερβολή και η πιθανότητα είναι τα κλειδιά που καθιστούν τους κβαντικούς υπολογιστές χρήσιμους για ορισμένες μαθηματικές εργασίες. Η κλιμάκωση του αριθμού qubits καθιστά δυνατό τον υπολογισμό εκατομμυρίων δυνατοτήτων σχεδόν αμέσως. Οι χρήσεις περιλαμβάνουν τον παράγοντα τεράστιους αριθμούς, τον υπολογισμό μετασχηματισμών Fourier και την επίλυση γραμμικών εξισώσεων. Οι κβαντικοί υπολογιστές, από τη φύση τους, είναι πολύ εξειδικευμένοι. Στην πραγματικότητα δεν είναι καλοί για πολλούς από τους βασικούς υπολογιστές που εκτελούν οι υπολογιστές χειρός κάθε μέρα.

Τι σημαίνει η κβαντική υπεροχή για την ασφάλεια;

Δεδομένου ότι είναι περίεργοι ως κβαντικοί υπολογιστές, έχουν κάποιες πολύ ενδιαφέρουσες εφαρμογές σε ορισμένους τομείς της πληροφορικής - ιδιαίτερα εκείνες που περιλαμβάνουν επαναλαμβανόμενες, πολύπλοκες μαθηματικές λειτουργίες όπως η μετεωρολογία, η χημεία και η φυσική της μοντελοποίησης, και η κρυπτογραφία.

Αυτός ο τελευταίος συχνά τρομάζει τους ανθρώπους. Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να τρέξουν με τόσες πολλές μαθηματικές παραλλαγές ταυτόχρονα και, θεωρητικά, να πάρουν ένα κλάσμα του χρόνου των σημερινών υπολογιστών πρέπει να σπάσουν τα κοινά πρότυπα κρυπτογράφησης. Λίγες μέρες ή ώρες αντί για πολλαπλές ζωές. Νέα κρυπτογραφικά πρωτόκολλα μπορεί να χρειαστούν μία ημέρα για πολύ ευαίσθητες πληροφορίες για να αποφευχθεί η ρωγμή από κβαντικούς υπολογιστές.

Τα πρότυπα κρυπτογράφησης θα πρέπει να βελτιωθούν μετά από τους εμπορικούς κβαντικούς υπολογιστές.

Ομοίως, παρόμοιοι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται στην τρέχουσα αγορά κρυπτογράφησης για την εξασφάλιση πορτοφολιών και την επαλήθευση της νομιμότητας συναλλαγών. Δεν υπάρχει κανένα σημάδι ότι ακόμη και ο υπολογιστής της Google είναι σε θέση να σπάσει αυτούς τους τύπους κρυπτογράφησης. Ωστόσο, η απειλή εκθετικής αύξησης της κβαντικής υπολογιστικής δύναμης καθιστά αυτή τη δυνατότητα ξεκάθαρη τα επόμενα χρόνια.

Ευτυχώς, οι κβαντικοί υπολογιστές απέχουν πολύ από το να είναι εμπορικά βιώσιμοι. Είναι ακόμα στο στάδιο της ανάπτυξης και είναι πολύ πιθανότερο να χρησιμοποιηθούν για την έρευνα από το σπάσιμο των δημόσιων κωδικών πρόσβασης. Είτε έτσι είτε αλλιώς, τα πρότυπα κρυπτογράφησης θα πρέπει να βελτιωθούν για να αποτρέψουν και να αποτρέψουν τη βιωσιμότητα της ρωγμής στο εγγύς μέλλον.

Ερωτήσεις σχετικά με τις αξιώσεις κβαντικής υπεροχής της Google

Ενώ η Google ισχυρίζεται την κβαντική υπεροχή ως σημαντική εξέλιξη, ορισμένοι από τους ανταγωνιστές της είναι λιγότερο πεπεισμένοι για τα πλεονεκτήματα του επιτεύγματος. Ο όρος "κβαντική υπεροχή" υποδηλώνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές είναι πλέον πιο ισχυροί και χρήσιμοι από τους κλασσικούς υπολογιστές, αλλά αυτό είναι σίγουρα ένας αμφισβητούμενος ισχυρισμός.

Ο Dario Gil, επικεφαλής της έρευνας στην IBM (ένας μεγάλος αντίπαλος στον χώρο της κβαντικής πληροφορικής), ονόμασε τους ισχυρισμούς της Google "απλά λάθος". Ο Gil σημειώνει ότι η έρευνα είναι απλώς "ένα εργαστηριακό πείραμα που αποσκοπεί ουσιαστικά - και σχεδόν σίγουρα αποκλειστικά - πολύ συγκεκριμένη διαδικασία κβαντικής δειγματοληψίας χωρίς πρακτικές εφαρμογές. "Με άλλα λόγια, η έρευνα της Google επικεντρώνεται σε έναν πολύ στενό τύπο υπολογιστών που αποκαλύπτει ελάχιστα τις ευρύτερες δυνατότητες του υπολογιστή.

Κβαντική υπεροχή - όταν ένας κβαντικός υπολογιστής υπερτερεί σε έναν κλασικό υπολογιστή για μια συγκεκριμένη εργασία.

Ωστόσο, ο Chad Rigetti, πρώην διευθυντής της IBM, χαρακτήρισε την ανακοίνωση «μια μεγάλη στιγμή για τον άνθρωπο και την επιστήμη». Ο Daniel Lidar, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας, σημείωσε την κλίμακα της ανακάλυψης της Google. Η εταιρεία έχει μειώσει την παρεμβολή qubit - γνωστή ως "διαφωνία" - μειώνοντας σημαντικά το ποσοστό σφάλματος του υπολογιστή σε σύγκριση με τον αντίπαλό του.

Η συνέπεια είναι ότι η Google θα είναι πλέον σε θέση να αυξήσει το μέγεθος των κβαντικών υπολογιστών της χάρη σε χαμηλότερα αποτελέσματα σφάλματος. Τα περισσότερα qubits με χαμηλό σφάλμα θα αυξήσουν εκθετικά την ισχύ επεξεργασίας των κβαντικών υπολογιστών, καθιστώντας τα πολύ πιο βιώσιμα για την πολύπλοκη επίλυση προβλημάτων. Παρόλα αυτά, πρέπει να γίνουν πολλά ακόμη πράγματα για την προγραμματισμό.

Τελικά, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι χρήσιμοι μόνο για ένα περιορισμένο σύνολο εργασιών. Είναι ακριβό να χτίζετε, να τρέχετε και να προγραμματίζετε. Αυτή η πολυπλοκότητα σημαίνει ότι είναι πιθανό να χρησιμοποιηθούν μόνο μερικώς για πολύ συγκεκριμένες εργασίες. Παρόλο που αυτό δεν μειώνει το ορόσημο της κβαντικής υπεροχής και το γεγονός ότι ο κβαντικός υπολογισμός φαίνεται όλο και πιο βιώσιμος κάθε χρόνο.