Tikimasi, kad kvantiniai kompiuteriai gali pakeisti daug pramonės šakų. Tad, Nyderlandų ir Didžiosios Britanijos tyrėjai nusprendė ištirti dvi labai skirtingas kvantines problemas: Bitcoin kriptovaliutos šifravimą ir biologinį azoto fiksavimą atliekančios molekulės simuliavimą.
Tikimasi, kad kvantiniai kompiuteriai gali pakeisti daug pramonės šakų. Tad, Nyderlandų ir Didžiosios Britanijos tyrėjai nusprendė ištirti dvi labai skirtingas kvantines problemas: Bitcoin kriptovaliutos šifravimą ir biologinį azoto fiksavimą atliekančios molekulės simuliavimą.
Jonų kvantinio kompiuterio brėžinys
© Ion Quantum Technology Group, University of Sussex
„AVS Quantum Science“ leidinyje tyrėjai aprašo savo sukurtą įrankį, skirtą nustatyti, kokio dydžio turi būti kvantinis kompiuteris tokioms problemoms spręsti ir kiek laiko skaičiavimas truktų.
„Dauguma egzistuojančių šios srities darbų skirti konkrečiai techninės įrangos platformai, superlaidiems prietaisams, panašiems į kuriamus IBM ir „Google“, – sakė Mark Webber iš Sussexo universiteto. – Skirtingų techninės įrangos platformų specifikacijos labai skirsis, tarkime, operacijų sparta ir kubitų kontrolės kokybe.“
Daugumai perspektyviausių kvantinio pranašumo panaudojimo atvejų reikės klaidas taisančio kvantinio kompiuterio. Naudojant klaidų taisymą, galima atlikti ilgesnius algoritmus, nes taip kompensuojamos kvantiniuose kompiuteriuase neišvengiamai atsirandančios klaidos, bet tam reikia daugiau fizinių kubitų.
Gaminant amoniaką iš oro azoto sunaudojama labai daug energijos, ir šio proceso patobulinimas pasitarnautų ir maisto auginimui ir mažinant įtaką klimatui. Atitinkamų molekulių simuliuoti dabar nepajėgia net ir galingiausi pasaulio superkompiuteriai, bet kitos kartos kvantiniams kompiuteriams tokia užduotis jau turėtų būti įveikiama.
„Mūsų įrankis automatizuoja klaidų taisymo naštos skaičiavimą kaip pagrindinių techninės įrangos specifikacijų funkciją, – sakė Webberis. – Norint paspartinti kvantinį algoritmą, galima daugiau operacijų atlikti lygiagrečiai, pridedant daugiau fizinių kubitų. Pridedame reikiamus papildomus kubitus, kad būtų pasiektas norimas atlikimo laikas, kuris kritiškai priklauso nuo operacijų spartos fizinės techninės įrangos lygyje.“
Dauguma kvantinio skaičiavimo platformų yra ribotos, nes tiesiogiai sąveikauti gali tik vienas greta kito esantys kubitai. Kitose platformose, tokiose, kaip kai kuriose sugautų jonų, kubitai nėra fiksuotose pozicijose ir gali būti fiziškai judinami – tai yra, kiekvienas kubitas gali tiesiogiai sąveikauti su daugeliu kitų kubitų.
„Siekdami spręsti problemas greičiau ir su mažiau kubitų, tyrėme, kaip geriausia pasinaudoti šia galimybe susieti nutolusius kubitus. Kad būtų panaudojamos techninės įrangos stipriosios pusės, galinčios suteikti galimybę išspręsti itin svarbias problemas mažesniais nei manyta kvantiniais kompiuteriais, turime ir toliau tobulinti klaidų taisymo strategijas“, – pažymėjo Webberis.
Kvantiniai kompiuteriai nepalyginamai galingesni už klasikinius kompiuterius, dešifruojant daugelį kriptografijos technikų. Pasaulyje RSA kodavimas naudojamas daugumai saugių komunikacijų. RSA kodavimas ir naudojamas Bitcoino kriptovaliutoje ECDSA vieną dieną bus pažeidžiami kvantinio skaičiavimo atakoms, bet dabar netgi galingiausias superkompiuteris negalėtų kelti rimtos grėsmės.
Tyrėjų įvertino, kokio dydžio turėtų būti kvantinis kompiuteris, kad galėtų įveikti Bitcoin tinklo kodavimą pakankamai greitai, kad tai keltų realią grėsmę — tarp paskelbimo ir integravimo į blokų grandinę. Kuo didesnis užmokestis už transakciją, tuo šis langas trumpesnis, bet manytina, tai periodas nuo minučių iki valandų.
„Pažangiausiuose dabartiniuose kvantiniuose kompiuteriuose yra tik 50-100 kubitų“, – sakė Webberis. „Mūsų vertinimas rodo, kad reikėtų nuo 30 [milijonų] iki 300 milijonų fizinių kubitų, tad, panašu Bitcoinas kol kas gali būti laikomas saugiu, bet sutariama, kad tokio dydžio įrenginiai yra pasiekiami, ir ateities pažanga šiuos reikalavimus gali dar sumažinti. „Bitcoin tinklas galėtų radikaliai pereiti prie kvantiškai saugių šifravimo technologijų, bet tai gali apsunkinti jo plėtrą dėl didesnių atminties reikalavimų.“
Tyrėjai pabrėžia tiek kvantinių algoritmų, tiek ir klaidų taisymo protokolų tobulėjimo spartą.
„Prieš keturis metus manėme, kad norint įveikti RSA kodavimą, reikia milijardo fizinių kubitų sugautų jonų įrenginyje, užimančiame 100×100 metrų plotą, – sakė Webberis. – Dabar, su visais patobulinimais, plotas būtų dramatiškai mažesnis – vos 2,5×2,5 metrų.“
Didelio masto kvantiniai kompiuteriai, aprūpinti klaidų taisymu, turėtų išspręsti svarbias problemas, kurios klasikiniams kompiuteriams neįkandamos.
„Molekulių simuliavimą galima pritaikyti didinant energijos efektyvumą, tobulinant baterijas, katalizatorius, kuriant naujas medžiagas ir naujus vaistus. Yra ir kitų sričių – įskaitant finansus, didelių duomenų analizę, aerodinamika kuriant lėktuvus, logistikos optimizavimas.“
American Institute of Physics / phys.org
Daugiau informacijos: „The impact of hardware specifications on reaching quantum advantage in the fault tolerant regime“ AVS Quantum Science, DOI: 10.1116/5.0073075
