Her er, hvad kvanteoverherredømme betyder - og ikke - betyder for computere

En Google kvantecomputer Google

Google har angiveligt vist for første gang, at en kvantecomputer er i stand til at udføre en opgave uden for rækkevidde af selv den mest kraftfulde konventionelle supercomputer i enhver praktisk tidsramme - en milepæl kendt i computerverdenen som kvanteoverherredømme. ( Opdatering : Det bekræftede nyheden den 23. oktober.)

Det ildevarslende klingende udtryk, som blev opfundet af den teoretiske fysiker John Preskill i 2012, fremkalder et billede af Darth Vader-lignende maskiner, der hersker over andre computere. Og nyhederne har allerede produceret nogle besynderlige overskrifter, såsom en på Infowars-webstedet, der skreg, Googles 'Quantum Supremacy' for at gøre alle kryptografi og militære hemmeligheder brudbare. Politiske personer er også blevet fanget i hysteriet: Andrew Yang, en præsidentkandidat, tweetede, at Googles opnåelse af kvantecomputere er en kæmpe aftale. Det betyder blandt meget andet, at ingen kode er ukrakkelig.

Nonsens. Det betyder det overhovedet ikke. Googles præstation er betydelig, men kvantecomputere er ikke pludselig blevet til computerkolosser, der vil efterlade konventionelle maskiner bagud i støvet. De vil heller ikke lægge konventionel kryptografi til spilde i den nærmeste fremtid - selvom de på længere sigt kan udgøre en trussel, som vi skal begynde at forberede os på nu.

Her er en guide til, hvad Google ser ud til at have opnået - og en modgift mod hypen omkring kvanteoverherredømme.

Hvad ved vi om Googles eksperiment?

Vi har stadig ikke fået bekræftelse fra Google om, hvad det har gjort. Oplysningerne om eksperimentet kommer fra et papir med titlen Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor, som kort blev lagt ud på en NASA-hjemmeside, før den blev fjernet. Dens eksistens blev afsløret i en rapport i Financial Times - og en kopi af papiret kan findes her .

Eksperimentet er ret mystisk, men det krævede en stor beregningsmæssig indsats. Googles team brugte en kvanteprocessor med kodenavnet Sycamore for at bevise, at de tal, der blev pumpet ud af en tilfældig talgenerator, virkelig var tilfældige. De regnede derefter ud, hvor lang tid det ville tage Summit, verdens mest kraftfulde supercomputer, at udføre den samme opgave. Forskellen var forbløffende: Mens kvantemaskinen polerede den af ​​på 200 sekunder, vurderede forskerne, at den klassiske computer ville bruge 10.000 år.

Når papiret formelt offentliggøres, kan andre forskere begynde at stikke huller i metoden, men indtil videre ser det ud til, at Google har scoret en computer først ved at vise, at en kvantemaskine faktisk kan overgå selv den mest kraftfulde af nutidens supercomputere. Der er nu mindre tvivl om, at kvantecomputere kan være fremtiden for højtydende computing, siger Nick Farina, administrerende direktør for quantum hardware startup EeroQ.

Hvorfor er kvantecomputere så meget hurtigere end klassiske?

I en klassisk computer repræsenterer bits, der bærer information, enten en en eller a 0 ; men kvantebits eller qubits - som tager form af subatomære partikler såsom fotoner og elektroner - kan være i en slags kombination af en og 0 på samme tid, en tilstand kendt som superposition. I modsætning til bits kan qubits også påvirke hinanden gennem et fænomen kendt som entanglement, som forbløffede selv Einstein, som kaldte det uhyggelig handling på afstand.

Takket være disse egenskaber, som er beskrevet mere detaljeret i vores quantum computing-forklaring, øges dets processorkraft eksponentielt ved at tilføje nogle få ekstra qubits til et system. Det er afgørende, at kvantemaskiner kan knaske gennem store mængder data parallelt, hvilket hjælper dem med at overgå klassiske maskiner, der behandler data sekventielt. Det er teorien. I praksis har forskere i årevis arbejdet på at bevise endegyldigt, at en kvantecomputer kan noget, selv den mest dygtige konventionelle, man ikke kan. Googles indsats er blevet ledet af John Martinis, som har udført banebrydende arbejde i brugen af ​​superledende kredsløb til at generere qubits.

Betyder denne fremskyndelse ikke, at kvantemaskiner kan overhale andre computere nu?

Nej. Google valgte en meget snæver opgave. Kvantecomputere har stadig et stykke vej igen, før de bedst kan klassiske computere på det meste – og de når måske aldrig dertil. Men forskere, jeg har talt med, siden avisen udkom online, siger, at Googles eksperiment stadig er betydningsfuldt, fordi der i lang tid har været tvivl om, at kvantemaskiner nogensinde ville være i stand til at overgå klassiske computere med noget som helst.

Indtil nu har forskergrupper været i stand til at gengive resultaterne af kvantemaskiner med omkring 40 qubits på klassiske systemer. Googles Sycamore-processor, som udnyttede 53 qubits til eksperimentet, tyder på, at en sådan emulering har nået sine grænser. Vi går ind i en æra, hvor det at udforske, hvad en kvantecomputer kan, nu vil kræve en fysisk kvantecomputer ... Du vil ikke længere være i stand til at gengive resultater troværdigt på en konventionel emulator, forklarer Simon Benjamin, en kvanteforsker ved University of Oxford .

Har Andrew Yang ikke ret i, at vores kryptografiske forsvar nu kan sprænges?

Igen, nej. Det er en vild overdrivelse. Google-avisen gør det klart, at selvom dets team har været i stand til at vise kvanteoverherredømme i en snæver prøvetagningsopgave, er vi stadig langt fra at udvikle en kvantecomputer, der er i stand til at implementere Shors algoritme, som blev udviklet i 1990'erne for at hjælpe kvantemaskiner. faktor massive tal. Nutidens mest populære krypteringsmetoder kan kun brydes ved at faktorisere sådanne tal - en opgave, der ville tage konventionelle maskiner mange tusinde år.

Men dette kvantegab burde ikke være grund til selvtilfredshed, fordi ting som økonomiske og sundhedsmæssige optegnelser, der vil blive opbevaret i årtier, i sidste ende kan blive sårbare over for hackere med en maskine, der er i stand til at køre en kode-busting-algoritme som Shors. Forskere arbejder allerede hårdt på nye krypteringsmetoder, der vil være i stand til at modstå sådanne angreb (se vores forklaring om post-kvantekryptering for flere detaljer).

Hvorfor er kvantecomputere ikke lige så suveræne, som kvanteoverherredømme får dem til at lyde?

Hovedårsagen er, at de stadig laver langt flere fejl end de klassiske. Qubits sarte kvantetilstand varer kun i brøkdele af et sekund og kan nemt blive forstyrret af selv den mindste vibration eller lille ændring i temperatur - fænomener kendt som støj i kvantetale. Dette får fejl til at snige sig ind i beregninger. Qubits har også en Tinder-lignende tendens til at ville være sammen med mange andre. Sådan krydstale mellem dem kan også producere fejl.

Googles papir antyder, at det har fundet en ny måde at skære ned på krydstale, som kan hjælpe med at bane vejen for mere pålidelige maskiner. Men nutidens kvantecomputere ligner stadig tidlige supercomputere i mængden af ​​hardware og kompleksitet, der skal til for at få dem til at fungere, og de kan kun tackle meget esoteriske opgaver. Vi er endnu ikke engang på et stadie svarende til ENIAC, IBMs første almene computer, som blev sat i drift i 1945.

Så hvad er den næste kvantemilepæl at sigte efter?

Fremme konventionelle computere til at løse et problem i den virkelige verden - en bedrift, som nogle forskere omtaler som kvantefordel. Håbet er, at kvantecomputeres enorme processorkraft vil hjælpe med at afdække nye lægemidler og materialer, forbedre kunstig intelligens-applikationer og føre til fremskridt på andre områder såsom finansielle tjenester, hvor de kan anvendes til ting som risikostyring.

Hvis forskere ikke snart kan demonstrere en kvantefordel i mindst én af disse slags applikationer, kan boblen af ​​oppustede forventninger, der blæser op omkring kvantecomputere, hurtigt briste.

Da jeg spurgte Googles Martinis om dette i et interview til en historie sidste år, var han tydeligvis klar over risikoen. Så snart vi når til kvanteoverherredømme, fortalte han mig, vil vi gerne vise, at en kvantemaskine kan gøre noget virkelig nyttigt. Nu er det tid for hans team og andre forskere at tage fat på den presserende udfordring.

skjule