A computação quântica é apenas uma torta no céu?

Eu tenho um diploma de ciência da computação. Trabalho em TI e faço isso há muitos anos. Nesse período, os computadores "clássicos" avançaram aos trancos e barrancos. Agora tenho uma unidade de disco terabyte na gaveta do meu quarto, entre minhas meias, meu telefone tem um poder de processamento fenomenal e os computadores revolucionaram nossas vidas.

Mas até onde eu sei, a computação quântica não fez nada. Além disso, parece que vai continuar assim. A computação quântica já existe há quarenta anos, e a computação real a deixou na poeira. Veja a linha do tempo na Wikipedia e pergunte-se onde está o somador paralelo. Onde está o equivalente ao Atlas ou ao MU5? Eu fui para a Universidade de Manchester, veja a história no artigo da Manchester Computers na Wikipedia. Computadores quânticos não mostram progresso semelhante. Ao contrário, parece que eles nem decolaram. Você não estará comprando um no PC World tão cedo.

Você nunca será capaz? É tudo hype e ar quente? A computação quântica é apenas uma torta no céu? É tudo apenas um engarrafamento amanhã atraído por charlatões quânticos para um público crédulo? Se não, por que não?

A computação quântica é apenas uma torta no céu?

Até agora, está olhando dessa maneira. Temos buscado este bolo agressivamente nas últimas três décadas, mas sem muito sucesso. agora temos computadores quânticos, mas eles não são a torta que queríamos, que é um computador quântico que pode realmente resolver um problema mais rapidamente ou com melhor eficiência energética do que um computador clássico.

Você não estará comprando um no PC World tão cedo.

Você nunca será capaz?

Não podemos prever o futuro, mas se eu tivesse que adivinhar agora, diria "não". Ainda não existe nenhum aplicativo para o qual a computação quântica seja valiosa o suficiente. Em vez disso, poderíamos ter computadores quânticos em um pequeno número de institutos especiais onde são feitos cálculos muito especiais (como o supercomputador chamado Titan no Laboratório Nacional de Oak Ridge, ou como um acelerador de partículas ciclotron onde são realizadas experiências especiais).

É tudo hype e ar quente?

Infelizmente, a maioria é exagero.

Mas as aplicações na química quântica podem realmente mudar o jogo. Em vez de fazer experimentos fisicamente trabalhosos com milhares de moléculas candidatas a remédios ou fertilizantes, podemos procurar as melhores moléculas em um computador. As moléculas se comportam de maneira quântica, e a simulação de mecânica quântica não é eficiente em computadores clássicos, mas sim em computadores quânticos. Grande parte do investimento do Google em CQ é para aplicações químicas [ 1 ].

É tudo apenas um engarrafamento amanhã atraído por charlatões quânticos para um público crédulo? Se não, por que não?

Muito disso é, infelizmente.

Você provavelmente foi um dos alunos mais talentosos da sua turma na Universidade de Manchester. Você deve ter notado que havia apenas alguns de vocês e um número maior de alunos medíocres e sub-medíocres. Há um fenômeno semelhante no nível do professor. Muitos professores não acham fácil ou "natural" escrever propostas de doações bem recebidas, mas precisam de financiamento para manter seu emprego e garantir seu doutorado. os alunos não têm fome de participar de conferências científicas e de ter acesso ao software de que precisam.

Quando um professor se torna:

• desesperado por financiamento, ou

• apanhados com outros problemas na vida, como ter que cuidar de uma criança com câncer ou

• cientes de que não farão grandes descobertas científicas, como alguns cientistas fizeram centenas de anos atrás, a vida se torna mais sobre sobreviver, manter uma família feliz e fazer o que gostam, em vez de criar um mundo melhor para os netos de seus netos. Como professor, posso dizer-lhe que muitos dos meus colegas não são tão "nobres" quanto o público costuma perceber.

Conheço cerca de 1000 pessoas com financiamento para trabalhar em computação quântica, e nenhuma delas parece ter más intenções de enganar um "público crédulo" de alguma maneira sinistra. A maioria de nós apenas solicita bolsas disponíveis em nossas universidades ou governos, e não pretendemos exagerar a importância de nosso trabalho, assim como outros cientistas que competem pelo mesmo dinheiro (temos que competir com físicos moleculares que pretendem seu trabalho). é importante para corrigir as mudanças climáticas apenas porque a molécula em que estão trabalhando está em nossa atmosfera, ou os biofísicos que fingem que seu trabalho podem curar o câncer apenas porque estão trabalhando em uma molécula que é proeminente no corpo).

Muito do "hype" em torno da computação quântica vem da mídia. Os jornalistas distorceram o conteúdo dos meus artigos para criar manchetes atraentes que receberão mais cliques em seus anúncios, e seus chefes lhes pressionam para fazer isso ou perderão o emprego para o outro estagiário que não se importa tanto sobre ser honesto.

Parte do hype vem dos próprios cientistas, muitos que realmente acreditam que a computação quântica será revolucionária por causa de seu Ph.D. o supervisor não teve uma boa educação (lembre-se de que a Universidade de Manchester é uma das melhores do mundo e a maioria das universidades nem mesmo é próxima), ou talvez em casos raros haja hype de pessoas desesperadas por financiamento, mas não por muitas razões diferente desses.

Acredito que o público deva investir um pouco na computação quântica, como fazem em muitas outras áreas de pesquisa que não têm resultados positivos garantidos. O hype é frequentemente exagerado por jornalistas, cientistas ignorantes ou cientistas não ignorantes que pensam que precisam dele para sobreviver. Também há críticas injustamente duras de jornalistas e agências de fomento.

Nada do que você disse na sua pergunta está errado.
Acabei de dar algumas razões pelas quais elas estão corretas.

Vou tentar abordar isso de um ponto de vista neutro. Sua pergunta é uma espécie de "baseada em opiniões", mas ainda existem alguns pontos importantes a serem feitos. Teoricamente , ainda não há argumento convincente sobre o motivo pelo qual os computadores quânticos não são praticamente realizáveis. Mas verifique: Como os computadores quânticos falham: códigos quânticos, correlações em sistemas físicos e acumulação de ruído - Gil Kalai , e a publicação de Scott Aaronson no blog relacionado, onde ele fornece alguns argumentos convincentes contra as alegações de Kalai. Leia também a resposta de James Wotton para o post relacionado do QCSE: O argumento de Gil Kalai contra computadores quânticos topológicos é sólido?

O estouro de matemática tem um ótimo resumo: Sobre argumentos matemáticos contra a computação quântica .

No entanto, sim, é claro, existem problemas de engenharia .

Problemas (adaptado do arXiv: cs / 0602096 ):

• Sensibilidade à interação com o ambiente: Os computadores quânticos são extremamente sensíveis à interação com o ambiente, pois qualquer interação (ou medição) leva ao colapso da função de estado. Esse fenômeno é chamado de decoerência. É extremamente difícil isolar um sistema quântico, especialmente um sistema projetado para um cálculo, sem que ele se envolva com o ambiente. Quanto maior o número de qubits, mais difícil é manter a coerência.

  [Leitura adicional: Wikipedia: Descoerência quântica ]

• Ações de porta quântica não confiáveis: A computação quântica em qubits é realizada operando sobre eles com uma matriz de transformações que são implementadas em princípio usando pequenas portas. É imperativo que nenhum erro de fase seja introduzido nessas transformações. Mas esquemas práticos provavelmente introduzirão esses erros. Também é possível que o registro quântico já esteja emaranhado com o ambiente antes mesmo do início do cálculo. Além disso, a incerteza na fase inicial torna a calibração pela operação de rotação inadequada. Além disso, deve-se considerar a relativa falta de precisão no controle clássico que implementa as transformações da matriz. Essa falta de precisão não pode ser completamente compensada pelo algoritmo quântico.

• $p$, é mais provável que o erro seja um erro de bit único e a mensagem transmitida seja três. É possível que ocorra um erro de dois bits e a mensagem transmitida seja igual a três zeros, mas esse resultado é menos provável que o resultado acima. A cópia de informações quânticas não é possível devido ao teorema da não-clonagem. Esse teorema parece apresentar um obstáculo para a formulação de uma teoria da correção de erro quântico. Mas é possível espalhar as informações de um qubit para um estado altamente emaranhado de vários qubits (físicos). Peter Shor descobriu pela primeira vez esse método de formular um código de correção de erro quântico, armazenando as informações de um qubit em um estado altamente emaranhado de nove qubits. No entanto, os códigos de correção de erros quânticos protegem as informações quânticas contra erros de apenas algumas formas limitadas. Além disso, eles são eficientes apenas para erros em um pequeno número de qubits. Além disso, o número de qubits necessários para corrigir erros normalmente não se adapta bem ao número de qubits em que o erro realmente ocorre.

  [Leitura adicional: Wikipedia: Correção de erro quântico ]

• Restrições à preparação do estado: A preparação do estado é o primeiro passo essencial a ser considerado antes do início de qualquer cálculo quântico. Na maioria dos esquemas, os qubits precisam estar em um estado de superposição específico para que a computação quântica prossiga corretamente. Mas a criação de estados arbitrários com precisão pode ser exponencialmente difícil (na complexidade do tempo e dos recursos (gate)).

• Informação quântica, incerteza e entropia de portas quânticas: é fácil obter informações clássicas por meio da interação com o sistema. Por outro lado, a impossibilidade de clonagem significa que qualquer estado desconhecido específico não pode ser determinado. Isso significa que, a menos que o sistema tenha sido especificamente preparado, nossa capacidade de controlá-lo permanece limitada. A informação média de um sistema é fornecida por sua entropia. A determinação da entropia dependeria das estatísticas obedecidas pelo objeto.

• Um requisito para baixas temperaturas : Várias arquiteturas de computação quântica, como a computação quântica supercondutora, exigem temperaturas extremamente baixas (próximas ao zero absoluto) para funcionar.

Progresso:

• Há cerca de uma década e meia, o tempo de descoerência dos chamados "computadores quânticos" era menor que 1 nanossegundo. Agora, a versão de qubit do IBM Quantum Experience 16 que você pode acessar on-line tem um tempo de descoerência de ~ 100 μs (consulte: Demonstração de ambiente e aprendizado de paridade no IBM 16 Qubit Processor (Davide Ferrari & Michele Amoretti, 2018 ). O tempo de decoerência de 100 μs já é suficiente para executar algoritmos quânticos simples! Você mesmo pode conferir nos computadores quânticos de 5 e 16 bits que foram disponibilizados on-line pela IBM. Acho que o Google conseguiu tempos de descoerência ainda melhores com seus chips supercondutores (com um número equivalente de qubits).

  • Houve muitas melhorias na área de correção de erros quânticos na última década (exigindo um número muito menor de qubits totais). Consulte Correção de erro quântico para memórias quânticas (Terhal, 2015) para uma breve revisão.

  Também citando: Wikipedia: Correção de erro quântico - Realização experimental :

  Houve várias realizações experimentais de códigos baseados em CSS. A primeira demonstração foi com qubits de RMN. Posteriormente, foram feitas demonstrações com ótica linear, íons presos e qubits supercondutores (transons). Outros códigos de correção de erros também foram implementados, como um que visa corrigir a perda de fótons, a fonte de erro dominante nos esquemas de qubit fotônico.

  • A preparação de estados quânticos arbitrários ainda é um grande problema. Mas agora pelo menos sabemos a decomposição exata de gateways para qualquer evolução unitária ( preparação no estado quântico com decomposições universais de gateways (Plesch & Brukner, 2011) ), embora o número de portões não seja normalmente escalável com vários qubits. Houve outras melhorias, como na preparação do estado quântico de alta fidelidade, usando o controle ótimo vizinho (Yuchen Peng & Frank Gaitan, 2017) . Para alguns outros métodos de alta precisão recentemente desenvolvidos de preparação de estados, consulte A preparação de estados em mecânica quântica (Fröhlich, 2016) e Preparação de estados quânticos (Ali et al., 2017) .

  • Uma das principais restrições que ainda temos é o número de qubits (observe que esse problema está intrinsecamente relacionado à dificuldade de manter a coerência por longos períodos de tempo em relação ao gato de Schrödinger e à dificuldade do estado de superposição macroscópica e à excelente resposta). Nenhum dos computadores quânticos atuais é suficiente para mostrar uma melhoria considerável na "capacidade" em comparação aos computadores clássicos. O maior número fatorado por um computador quântico até a data é 291311 ( computação quântica adiabática de alta fidelidade usando o Hamiltoniano intrínseco de um sistema de spin: aplicação à fatoração experimental de 291311 (Li et al., 2017)) A fatoração de força bruta de 291311 leva no máximo ~ 270 divisões, cada uma das quais leva ~ 10 ns em CPUs modernas. São 3 nós no total, o que implica que a fatoração será várias ordens de magnitude mais rapidamente no seu laptop. A melhoria prática na complexidade do tempo não será perceptível, a menos e até que o número de qubits aumente em pelo menos 10 vezes (não estou considerando as máquinas D-Wave com mais de 1000 qubits, pois usam um mecanismo diferente conhecido como recozimento quântico, que é eficaz apenas em algumas faixas estreitas de problemas). Mas, sem dúvida, até o número de qubits está em constante crescimento. Recentemente, o Google anunciou uma máquina de 72 qubit ( blog do Google AI: A Preview of Bristlecone, o novo processador quântico do Google ) e a Intel anunciou um chip de 49 qubit (IEEE Spectrum :: CES 2018: Intel 49-Qubit Chip Shoots for Quantum Supremacy ). Compare isso com os anos 2000, quando tínhamos apenas um número de qubits de um dígito!

  • Várias arquiteturas de computação quântica foram descobertas nas últimas décadas, para as quais temperaturas quase zero absolutas não são necessárias , por exemplo, computadores quânticos ópticos, computadores quânticos de íons presos, computadores quânticos baseados em diamante, etc. Por que os computadores quânticos ópticos não precisam ser mantidos próximos ao zero absoluto, enquanto os computadores quânticos supercondutores o fazem?

Conclusão:

Se algum dia teremos computadores quânticos eficientes que possam superar visivelmente os computadores clássicos em certas áreas, é algo que só o tempo dirá. No entanto, olhando para o progresso considerável que temos feito, provavelmente não seria muito errado dizer que em algumas décadas deveríamos ter computadores quânticos suficientemente poderosos. No lado teórico, ainda não sabemos se existem algoritmos clássicos que podem corresponder a algoritmos quânticos em termos de complexidade de tempo. Veja minha resposta anterior sobre esse problema. De uma perspectiva completamente teórica, também seria extremamente interessante se alguém pudesse provar que todos os problemas do BQP estão no BPP ou no P!

Pessoalmente, acredito que nas próximas décadas usaremos uma combinação de técnicas de computação quântica e técnicas clássicas de computação (ou seja, seu PC terá componentes de hardware clássicos, bem como hardware quântico ou computação quântica, será totalmente baseado em nuvem e você só os acessará on-line a partir de computadores clássicos). Porque lembre-se de que os computadores quânticos são eficientes apenas para uma gama muito estreita de problemas. Seria bastante intensivo em recursos e imprudente fazer uma adição como 2 + 3 usando um computador quântico (consulte Como um computador quântico faz matemática básica no nível do hardware? ).

Agora, chegando ao seu ponto de saber se os fundos nacionais estão sendo desnecessariamente desperdiçados na tentativa de construir computadores quânticos . Minha resposta é NÃO ! Mesmo se não conseguirmos construir computadores quânticos legítimos e eficientes, ainda teremos ganho muito em termos de progresso de engenharia e progresso científico . Já a pesquisa em fotônica e supercondutores aumentou muitas vezes e estamos começando a entender muitos fenômenos físicos melhor do que nunca. Além disso, a teoria da informação quântica e a criptografia quântica levaram à descoberta de alguns bons resultados e técnicas matemáticas que também podem ser úteis em muitas outras áreas (cf.Física SE: Áreas matematicamente desafiadoras na teoria da informação quântica e criptografia quântica ). Também teremos entendido muito mais sobre alguns dos problemas mais difíceis da ciência da computação teórica até então (mesmo que não consigamos construir um "computador quântico").

Fontes e referências:

1. Dificuldades na implementação de computadores quânticos (Ponnath, 2006)

2. Wikipedia: Computação quântica

3. Wikipedia: Correção de erro quântico

Termo aditivo:

Depois de um pouco de pesquisa, encontrei um artigo muito bom que descreve quase todos os contra-argumentos de Scott Aaronson contra o ceticismo da computação quântica. Eu recomendo passar por todos os pontos indicados lá. Na verdade, é parte 14 das notas de aula apresentadas por Aaronson em seu site. Eles foram usados ​​para o curso PHYS771 na Universidade de Waterloo. As notas das palestras são baseadas em seu popular livro Quantum Computing Since Demócrito .

A computação clássica existe há mais tempo que a computação quântica. Os primeiros dias da computação clássica são semelhantes aos que estamos experimentando agora com a computação quântica. O Z3 (dispositivo eletrônico completo First Turing), construído na década de 1940, era do tamanho de uma sala e menos potente que o seu telefone. Isso fala do progresso fenomenal que experimentamos na computação clássica.

O início da computação quântica, por outro lado, não começou até a década de 1980 . Algoritmo de fatoração de Shor; a descoberta que deu início ao campo foi descoberta na década de 1990 . Isso foi seguido alguns anos depois com a primeira demonstração experimental de um algoritmo quântico.

Há evidências de que computadores quânticos podem funcionar. Há uma tremenda quantidade de progresso nos aspectos experimentais e teóricos desse campo todos os anos e não há razão para acreditar que isso irá parar. O teorema do limiar quântico afirma que a computação quântica em larga escala é possível se as taxas de erro para portões físicos estiverem abaixo de um determinado limite. Estamos nos aproximando (alguns argumentam que já estamos lá) desse limite para pequenos sistemas.

É bom ser cético quanto à utilidade da computação quântica. De fato, é encorajado! Também é natural comparar o progresso da computação quântica com a computação clássica; esquecendo que computadores quânticos são mais difíceis de construir do que computadores clássicos.

Os primeiros computadores clássicos foram construídos com a tecnologia existente. Por exemplo, os tubos de vácuo foram inventados cerca de quatro décadas antes de serem usados ​​para fazer o Colossus.

Para computadores quânticos, precisamos inventar a tecnologia antes de fabricá-lo. E a tecnologia está tão além do que existia anteriormente, que apenas essa etapa levou algumas décadas.

Agora temos praticamente nossas versões quânticas de tubos de vácuo. Portanto, espere um colosso em mais ou menos uma década.

TL, DR: Argumentos de engenharia e física já foram apresentados. Acrescento uma perspectiva histórica: argumento que o campo da computação quântica tem realmente apenas um pouco mais de duas décadas e que levamos mais de três décadas para construir algo como o MU5.

Como você mencionou a linha do tempo, vamos dar uma olhada:

O começo

Antes de mais nada, a mera possibilidade de algo como um computador quântico foi dita por Richard Feynman no oeste (1959 ou 1981, se você desejar) e Yuri Manin no leste (1980). Mas isso é apenas ter uma ideia. Nenhuma implementação é iniciada.

Quando coisas semelhantes aconteceram com a computação clássica? Bem, há muito tempo. Charles Babbage, por exemplo, já queria construir máquinas de computação no início do século 19 e ele já tinha idéias. Pascal, Leibniz, todos eles tinham idéias. A máquina analítica de Babbage de 1837 que nunca foi construída devido a desafios de financiamento e engenharia (a propósito, o precursor da máquina analítica foi construída com a Lego ) é definitivamente a primeira ideia mais recente que já está muito à frente do que Feynman e Manin propuseram para computação quântica, porque propõe uma implementação concreta.

Os anos 70 não veem nada relacionado a um computador quântico. Alguns códigos são inventados, algumas bases teóricas são feitas (quanta informação pode ser armazenada?), O que é necessário para qc, mas não está realmente buscando a idéia do computador quântico.

Os códigos e as idéias relacionadas à comunicação são para a computação quântica o que os telefones e fios de telégrafo são para a computação clássica: um precursor importante, mas não um computador. Como você sabe, os códigos e telégrafos de Morse são tecnologias do século 19 e também foram estudados códigos mais difíceis para canais ruidosos. O trabalho matemático (em termos de não-teoremas e afins) foi realizado em 1948 por Shannon.

De qualquer forma, pode-se argumentar que a computação com cartões perfurados foi desenvolvida em 1804 para tecer , mas não quero afirmar que esse foi realmente o começo da computação clássica.

Computadores universais (quânticos)

Então, quando começou a computação? Vou argumentar que você precisa de várias coisas para obter a pesquisa para a computação universal; antes disso, o número de pessoas e dinheiro investido será limitado.

1. Você precisa da noção de um computador universal e de um modelo teórico do que alcançar.
2. Você precisa de uma arquitetura de como implementar um computador universal - em um nível teórico.
3. Você precisa de um sistema da vida real onde possa implementá-lo.

Quando os obtemos na computação quântica?

• Deutsch descreve o computador quântico universal em 1985 (há 33 anos).
• Modelos e portões de circuito são desenvolvidos ao mesmo tempo.
• O primeiro modelo completo de como reunir tudo foi proposto por Cirac e Zoller em 1994 (há apenas 24 anos).

Todos os outros avanços na computação quântica antes ou durante esse tempo foram limitados à criptografia, sistemas quânticos em geral ou outra teoria geral.

E quanto à computação clássica?

• Temos o trabalho de Turing em máquinas de Turing (1936) ou o trabalho de Church (mesmo período de tempo).
• As arquiteturas modernas confiam no modelo de von Neumann (1945); existem outras arquiteturas.
• Como modelo, o modelo de circuito digital foi projetado em 1937 por Shannon.

Então, em 1994, estamos em um estado comparável a 1937:

• Existem algumas pessoas fazendo o trabalho de base teórico, e o trabalho de base já foi feito.
• Há um número razoável de pessoas fazendo trabalhos de engenharia em questões fundamentais, não diretamente relacionadas, mas muito úteis para construir um computador (quântico).
• E o campo geralmente não é tão grande e bem financiado.
• Mas: a partir dessa data, o financiamento e as pessoas começam a aparecer no campo.

O campo está decolando

Para a computação clássica, isso é ilustrado pela quantidade de "primeiros sistemas de computador" diferentes na linha do tempo da Wikipedia. Havia vários grupos de pesquisa pelo menos na Alemanha, Inglaterra e Estados Unidos em vários locais (por exemplo, Manchester e Bletchley Park no Reino Unido, para citar apenas alguns). O dinheiro do tempo de guerra foi desviado para a computação porque era necessário, por exemplo, para o desenvolvimento da bomba nuclear (ver contas em Los Alamos).

Para computação quântica, veja, por exemplo, este comentário :

O campo de QIS iniciou um crescimento explosivo no início e meados da década de 1990, como consequência de vários estímulos simultâneos: Peter Shor demonstrou que um computador quântico poderia fatorar números muito grandes de maneira supereficiente. A indústria de semicondutores percebeu que a melhoria dos computadores de acordo com a lei de Moore chegaria muito cedo ao limite quântico, exigindo mudanças radicais na tecnologia. Os desenvolvimentos nas ciências físicas produziram íons atômicos presos, cavidades ópticas avançadas, pontos quânticos e muitos outros avanços que tornaram possível contemplar a construção de dispositivos de lógica quântica viáveis. Além disso, a necessidade de comunicações seguras impulsionou as investigações de esquemas de comunicação quântica que seriam invioláveis.

Em suma, desde o momento em que as bases teóricas dos computadores modernos haviam sido estabelecidas até o momento em que os primeiros computadores estavam disponíveis (Zuse 1941, Manchester 1948, para citar apenas dois), levou cerca de uma década. Da mesma forma, levou cerca de uma década para os primeiros sistemas realizarem algum tipo de cálculo universalmente programável com sistemas quânticos. É verdade que seus recursos são mais baixos que os primeiros computadores de Manchester, mas ainda assim.

Vinte anos depois, estamos vendo lentamente um crescimento explosivo da tecnologia e muitas empresas se envolvem. Também vemos o advento de novas tecnologias como o transistor (descoberto pela primeira vez em 1947).

Da mesma forma, 20 anos após o início da computação quântica, vemos a entrada séria de empresas privadas no campo, com Google, IBM, Intel e muitas outras. Quando eu estava na minha primeira conferência em 2012, o envolvimento deles ainda era acadêmico, hoje é estratégico. Da mesma forma, vimos uma proposição de diversos sistemas de computação quântica durante os anos 2000, como qubits supercondutores, que formam a base dos chips mais avançados das três empresas mencionadas acima. Em 2012, ninguém poderia afirmar ter um sistema um tanto confiável com mais de dois qubits físicos. Hoje, apenas seis anos depois, a IBM permite que você jogue com seus 16 qubits muito confiáveis ​​(5 se você realmente quiser brincar) e o Google alega testar um sistema de 72 qubit enquanto falamos.

Sim, ainda temos um caminho a percorrer para ter um computador quântico confiável em larga escala com recursos de correção de erros, e os computadores que temos atualmente são mais fracos que os computadores clássicos que tínhamos nos anos 60, mas eu (como outros explicam em outras respostas) acreditam que isso se deve aos desafios exclusivos da engenharia. Há uma pequena chance de que seja devido a limitações físicas sobre as quais não temos idéia, mas se for, dado o progresso atual, deveremos saber dentro de alguns anos, o mais tardar.

Qual é o meu ponto aqui?

• Argumentei que a razão pela qual ainda não vemos um computador quântico MU5 também se deve ao fato de o campo ainda não ser tão antigo e ainda não ter conquistado tanta atenção até recentemente.
• Argumento que, da perspectiva atual, parecia que os computadores clássicos se tornaram muito bons muito rapidamente, mas isso negligencia décadas de trabalho anterior em que o desenvolvimento e o crescimento não pareciam tão rápidos.
• Argumento que, se você acredita (como quase todo mundo no campo) que os problemas iniciais de engenharia enfrentados por computadores quânticos são mais difíceis do que aqueles enfrentados por computadores clássicos, você vê uma trajetória de pesquisa e inovação muito comparável a um dos computadores clássicos . Claro, eles são um pouco diferentes, mas as idéias básicas de como as coisas são são semelhantes.

Para responder parte da pergunta, "comprarei um computador quântico" etc. etc., acho que há um mal-entendido fundamental.

A computação quântica não é apenas clássica, mas mais rápida. Um computador quântico resolve certos tipos de problemas em um curto espaço de tempo que levaria um super computador clássico a mil anos. Isso não é um exagero. Porém, tipos regulares de computação, adição de números, movimentação de bits para gráficos etc. Esses ainda serão apenas coisas clássicas da computação.

Se a tecnologia puder ser miniaturizada (não sei), pode ser algo mais parecido com uma MMU ou uma placa de vídeo. Um recurso adicional ao seu computador clássico, não um substituto. Da mesma forma que uma placa de vídeo topo de linha permite que seu computador faça coisas que não seria possível (em tempo razoável) com a CPU principal, um computador quântico permitiria outros tipos de operações que não podem ser realizadas atualmente.

Eu recomendo que você pelo menos escaneie talvez o primeiro parágrafo da página " Princípios de operação " na página da Wikipedia sobre computação quântica.

Quando você pergunta se é torta no céu, isso depende das promessas que você acha que as tecnologias quânticas estão tentando cumprir. E isso depende de quem as pessoas estão fazendo essas promessas.

Considere por que você está ciente da computação quântica, já que ela ainda não conseguiu produzir dispositivos (ou, para ser mais justo, com poucos dispositivos ) que se assemelham a hardware de computador musculoso. De onde você está ouvindo, de onde vem a emoção? Estou disposto a apostar que, mesmo que você participe de todas as discussões acadêmicas sobre computação quântica com as quais possa gerenciar pessoalmente, não muito do que você ouve sobre computação quântica é proveniente de acadêmicos. Provavelmente, você ouve muito sobre computação quântica de fontes que estão mais interessadas em emoção do que em fatos.

Existem algumas fontes corporativas que estão fazendo reivindicações mais ou menos grandiosas sobre o que seu hardware quântico pode fazer ou será capaz de fazer; e já existe há mais de uma década. Enquanto isso, há uma grande comunidade de pessoas que simplesmente tentam fazer um progresso cuidadoso e não gastam muito de suas promessas de energia que não podem cumprir. De quem você mais ouviu falar?

Mas, mesmo admitindo isso, as partes mais responsáveis ​​pela empolgação com a computação quântica são certos tipos de revistas e sites de interesse especial, que como fontes de informação são como fornecedores de waffles na praça do mercado: eles trocam muito por aromas vaporosos doces do que por algo que substância e mordida. A indústria de publicidade que busca atenção, e não a academia, é a principal razão pela qual existem expectativas tão inchadas da computação quântica. Eles nem se importam com a computação quântica em princípio: é um dos vários encantamentos mágicos com os quais surpreender a multidão, evocar sonhos de torta no céu e, entretanto, ganhar dinheiro com alguma outra empresa pela mera possibilidade de que um anúncio foi visto por meio segundo. NaquelaA indústria tem muito a ver com vender bolos no ar, tanto para seus clientes quanto para seu público. Mas isso significa que o mundo é obrigado a voar figos por aqueles que estão realmente trabalhando em tecnologias quânticas? Já é bastante difícil realizar as coisas que achamos que é possível realizar - que são mais modestas, mas ainda valem a pena.

Entre meus colegas acadêmicos (cientistas da computação e físicos teóricos), a desinformação flagrante sobre a computação quântica entre o público é uma fonte de frustração significativa. A maioria de nós acredita que será possível construir um computador quântico, e a maioria dos que também acredita que terá impactos econômicos significativos. Mas nenhum de nós espera que isso vire o mundo de cabeça para baixo em cinco a dez anos, nem esperamos que, nos últimos quinze anos, que tenha começado a ficar na moda dizer que teríamos computadores quânticos maciços " cinco a dez anos ". Eu sempre fiz questão de dizer que espero ver os impactos em minha vida, e as atividades recentes me fizeram esperar vê-lo dentro de vinte - mas mesmo assim você não vai à loja comprar um,

Também nenhum de nós espera que isso permita que você resolva facilmente o Problema do Vendedor em Viagem ou algo semelhante. Ser capaz de analisar problemas em química quântica e materiais quânticos é o original e, a curto prazo, ainda é a melhor aplicação prospectiva da computação quântica, e pode ser revolucionário lá; e talvez a longo prazo possamos oferecer melhorias robustas e significativas na prática para problemas de otimização. (A D-Wave afirma que já pode fazer isso na prática com suas máquinas: o júri ainda está entre os acadêmicos se essa afirmação é justificada.)

O diabo é que, para explicar o que você realmente pode esperar da teoria e do desenvolvimento da computação quântica, você precisa de alguma forma explicar um pouco da mecânica quântica. Isso não é algo fácil de fazer e, como acontece com qualquer coisa complicada, existe pouca paciência no mundo inteiro para entender as nuances, especialmente quando "fatos alternativos" na forma de hype de 'yakawow' com sabor de doce estão caminhando poderosamente em sete botas de liga.

A verdade - sobre o que a computação quântica pode fazer e que provavelmente não permitirá que você se teletransporte pelo mundo, nem resolva a fome no mundo ou o caos das companhias aéreas de uma só vez - é entediante. Mas fazer avanços significativos na química e na ciência dos materiais não é. Para não falar de aplicativos ainda não desenvolvidos: com que facilidade você pode extrapolar de computadores baseados em equipamentos para ajudar a calcular com segurança impostos ou calcular tabelas de logaritmos para projetar aeronaves ?

A linha do tempo da tecnologia clássica de computação se estende bem antes do século XIX. Temos alguma idéia de como tentar retomar esse caminho com tecnologias quânticas e temos uma idéia dos tipos de dividendos que podem ser possíveis se o fizermos. Por esse motivo, esperamos reproduzir o desenvolvimento da tecnologia de computação útil em uma quantidade de tempo muito, muito mais rápida do que os 370 anos ou mais, desde os acrescentadores de Pascal até os dias modernos. Mas não será tão rápido quanto algumas pessoas têm prometido, principalmente aquelas que não são realmente responsáveis ​​por cumprir essas 'promessas'.

Algumas observações.

" Onde está o somador paralelo? "

• Não temos dispositivos grandes que realizam adição por computadores quânticos, mas temos algumas pessoas trabalhando em circuitos de adição rápidos em computadores quânticos - algumas das coisas que os computadores quânticos terão que fazer envolveriam operações mais convencionais sobre dados em superposição.

" Onde está o equivalente ao Atlas ou ao MU5? "

• Para ser franco, ainda estamos trabalhando no primeiro análogo quântico confiável do somador de Pascal. Tenho esperança de que a abordagem do projeto NQIT (divulgação: estou envolvido nele, mas não como experimentalista) de criar pequenos módulos de alta qualidade que possam trocar emaranhados seja um caminho para o rápido dimensionamento via produção em massa dos módulos; nesse caso, podemos ir do adicionador de Pascal, ao Collosus, ao Atlas e além em questão de alguns anos. Mas só o tempo dirá.

" Parece que eles nem decolaram. Você não estará comprando um no PC World tão cedo. "

• Isso é perfeitamente verdade. No entanto, se você já disser que esperaria o contrário, é mais provável que isso seja culpa da PC World (ou, para ser justo, dos concorrentes da PC World no mercado pelo dinheiro da sua assinatura como um entusiasta da tecnologia) do que pela nossa. Qualquer pesquisador responsável diria que estamos nos esforçando muito para criar os primeiros protótipos sérios.

" Você será capaz de comprar um computador quântico na PC World? "

• Você será capaz de comprar um Cray no PC World? Voce gostaria de? Talvez não. Mas sua universidade pode querer, e empresas sérias podem querer. Além disso, há especulações selvagens - não vejo como um computador quântico melhoraria o processamento de texto. Mas, novamente, duvido que Babbage tenha imaginado que algo semelhante ao seu Mecanismo de Diferenças seria usado para compor letras.

TL; DR : Trabalho com a teoria dos computadores quânticos há cerca de 15 anos. Não vi nada convincente em dizer que eles não vão funcionar. Claro, a única prova real de que eles podem funcionar é fazer um. Está acontecendo agora. No entanto, o que um computador quântico fará e por que o queremos não corresponde à percepção do público.

A computação quântica é apenas uma torta no céu? É tudo apenas um engarrafamento amanhã atraído por charlatões quânticos para um público crédulo?

Como um "charlatão quântico" (obrigado por isso), é claro que vou lhe dizer que tudo é realista. Mas a teoria é sólida. Enquanto a mecânica quântica estiver correta, a teoria da computação quântica está correta e existem algoritmos eficientes para computadores quânticos para os quais não sabemos como calcular a solução com eficiência em um computador clássico. Mas acho que nada do que escrevo aqui pode convencer um cético. Ou você precisa se sentar e aprender todos os detalhes, ou esperar e ver.

Certamente, a mecânica quântica é apenas uma teoria que pode ser substituída a qualquer momento, mas suas previsões já foram aplicadas para explicar o mundo ao nosso redor. Os computadores quânticos não estão empurrando a teoria para um regime não testado, onde podemos esperar que haja resultados inesperados (que é o que os físicos realmente esperam, porque é aí que você começa a ver dicas sobre a nova física). Por exemplo, a mecânica quântica já é aplicada a sistemas de matéria condensada que consistem em muito mais constituintes do que estamos falando de qubits em um computador quântico de curto prazo. Só que precisamos de um nível sem precedentes de controle sobre eles. Algumas pessoas pensam que têm argumentos para explicar por que um computador quântico não funciona, mas não achei nada particularmente convincente nos argumentos que li.

É tudo hype e ar quente?

Há muita publicidade em torno dos computadores quânticos. Eu diria que isso vem de duas fontes principais:

• a representação popular da computação quântica na mídia convencional e na cultura popular (por exemplo, livros de ficção científica). Pergunte a qualquer um que trabalhe ativamente na computação quântica, acho que todos concordarão que ela é mal representada, dando a impressão de que é uma solução universal que fará tudo correr mais rápido, o que, pelo menos por enquanto, não é o caso. Houve algum engarrafamento amanhã atraído para um público crédulo, mas isso é mais através de uma tentativa de "perda de tradução" para simplificar demais o que está acontecendo, principalmente por intermediários não especialistas.

• próprios pesquisadores. Nos últimos 20 (ish) anos, as pessoas têm prometido que a computação quântica está além do horizonte e nunca é totalmente materializada. É bastante razoável que os observadores fiquem cansados ​​disso naquele momento. No entanto, minha perspectiva de estar dentro do campo é que muitas pessoas que afirmam estar trabalhando em direção a computadores quânticos não o fizeram. Como os organismos de financiamento têm se tornado cada vez mais exigentes com o "porquê" da pesquisa e asseguram o "impacto", a computação quântica se tornou o alvo de muitos experimentalistas, mesmo que eles não estejam realmente interessados ​​em fazer algo por um computador quântico. Se houve alguma maneira de eles distorcerem o que estão fazendo para parecer relevante para a computação quântica, eles tendem a fazê-lo. Isso não significa que a computação quântica possa ' Para isso, não tem sido tanto o foco como está implícito. Tome, em um nível um pouco diferente, a explosão da teoria da informação quântica. Assim, poucos teóricos que trabalharam ativamente na teoria dos computadores quânticos e em como fazê-los funcionar (isso não significa que eles não estejam fazendo coisas interessantes).

No entanto, agora estamos atingindo uma massa crítica, onde de repente há muito investimento em pesquisa para tornar computadores quânticos e tecnologia associada, uma realidade, e as coisas estão começando a mudar. Parece que estamos chegando ao ponto, com dispositivos de cerca de 50 qubits, de que podemos ser capazes de alcançar a "supremacia quântica" - realizando cálculos cujos resultados não podemos realmente verificar em um computador clássico. Parte do problema em conseguir isso foi, na verdade, o rápido progresso acima mencionado da computação clássica. Dado o tipo de progresso da Lei de Moore, que rende exponencialmente o poder computacional clássico, tem sido uma barra em constante mudança do que precisamos alcançar para ser convincente.

Computadores quânticos não mostram progresso semelhante. Ao contrário, parece que eles nem decolaram.

O ponto é que é difícil de fazer e demorou muito tempo para acertar a tecnologia básica. Essa é uma comparação ligeiramente imperfeita, mas não é tão ruim: pense nos processos de litografia que são usados ​​para fabricar processadores. Seu desenvolvimento tem sido progressivo, produzindo transistores cada vez menores, mas o progresso tem diminuído à medida que é cada vez mais difícil lidar com, por um lado, os efeitos quânticos que estão atrapalhando. Os computadores quânticos, por outro lado, estão basicamente tentando superar essa coisa de melhoria progressiva e pular direto para o resultado final e final: transistores de átomo único (mais ou menos). Talvez isso dê algum nível de insight sobre o que os experimentalistas estão tentando lidar?

Você não estará comprando um no PC World tão cedo. Você nunca será capaz?

Não está claro que você queira. No momento, esperamos que os computadores quânticos sejam úteis para determinadas tarefas muito específicas. Nesse caso, talvez imaginemos alguns computadores quânticos centralizados poderosos que realizem esses trabalhos específicos, e a maioria das pessoas continuará com os computadores clássicos. Mas, como você deseja fazer analogias com o desenvolvimento de computadores clássicos, então (segundo a Wikipedia) é em 1946 que Sir Charles Darwin (neto do famoso naturalista), chefe do Laboratório Físico Nacional da Grã-Bretanha, escreveu:

é muito possível que ... uma máquina seja suficiente para resolver todos os problemas que lhe são exigidos de todo o país

(variantes disso são atribuídas a pessoas como Watson). Isso claramente não é o caso. A realidade era que, quando os computadores se tornavam amplamente disponíveis, outros usos foram encontrados para eles. Ele pode ser o mesmo para os computadores quânticos, eu não sei. Uma das outras razões pelas quais você não compraria um computador quântico em uma loja é seu tamanho. Bem, os dispositivos atuais geralmente são pequenos, mas são todos os equipamentos de interface e, principalmente, o resfriamento que ocupa todo o espaço. À medida que a tecnologia melhorar, ela poderá operar em temperaturas progressivamente mais altas (veja, por exemplo, o progresso da supercondutividade a altas temperaturas em comparação com as temperaturas originais que precisavam ser alcançadas), o que reduzirá os requisitos de resfriamento.

Por que você esperaria que duas tecnologias diferentes avançassem na mesma taxa?

Simplificando, os computadores quânticos podem ser imensamente mais poderosos, mas são imensamente mais difíceis de construir do que os computadores clássicos. A teoria de sua operação é mais complicada e, com base na física recente, existem maiores armadilhas e obstáculos teóricos que inibem seu aumento de tamanho, e seu design requer hardware muito mais sofisticado, mais difícil de projetar.

Quase todo estágio de desenvolvimento de um computador quântico é análogo ao de um computador clássico. Então, uma pergunta para você; por que compará-los?

Veja a linha do tempo na Wikipedia e pergunte-se onde está o somador paralelo.

Parece-me que sua resposta está na sua pergunta. Observar a linha do tempo na Wikipedia mostra um progresso muito lento de 1959 a 2009. Foi principalmente um trabalho teórico até passarmos de zero para um. .

Nos únicos 9 anos desde então, o ritmo do progresso foi tremendo, passando de 2 qubits para 72 e se você incluir dwave até 2000 qubits. E há um trabalhando na nuvem agora ao qual temos acesso. Faça um gráfico do progresso dos últimos 60 anos e tenho certeza de que você verá o joelho na curva que parece desejar e uma refutação à sua afirmação. Mas, tanto quanto eu sei, a computação quântica não fez nada.

Onde está o equivalente ao Atlas ou ao MU5?

Essa é a medida em que sua pergunta se baseia?

Você nunca será capaz? É tudo hype e ar quente? A computação quântica é apenas uma torta no céu? É tudo apenas um engarrafamento amanhã atraído por charlatões quânticos para um público crédulo?

Sim. Não não não.

Se não, por que não?

Porque, como mostra sua linha do tempo referenciada, as pessoas estão fazendo um progresso significativo no número e na estabilidade dos qubits, bem como nos algoritmos quânticos.

Pedir às pessoas para prever o futuro sempre foi repleto de fracassos, e é por isso que a maioria desses sites não permite perguntas baseadas em opiniões.

Talvez perguntas mais específicas (sem base em opinião) sirvam melhor para responder às suas perguntas.

A triste verdade para a maioria das pessoas aqui é que John Duffield (o autor da pergunta) está certo.

Não há provas de que um computador quântico tenha algum valor.

No entanto, para as empresas que investiram em computação quântica (IBM, Google, Intel, Microsoft etc.), vale a pena tentar criar uma, porque se tiverem êxito, poderão resolver alguns problemas exponencialmente mais rapidamente do que os computadores clássicos, e se eles não obtiverem sucesso, nenhum prejuízo será investido nos bilhões de dólares disponíveis.

A tentativa de construir computadores quânticos úteis, que você pode chamar de falha até agora, levou pelo menos a avanços no entendimento de supercondutores, fotônicos e até da própria teoria quântica. Muita matemática usada para analisar a mecânica quântica foi desenvolvida no contexto da teoria da informação quântica.

E, finalmente, os computadores quânticos podem nunca ser comercializáveis, mas os dispositivos de comunicação quântica da Toshiba, HP, IBM, Mitsubishi, NEC e NTT já estão no mercado.

Em conclusão: concordo com John Duffield que a computação quântica pode nunca ter qualquer valor. Mas a comunicação quântica já é comercializável e muitas novas ciências, matemática e engenharia (por exemplo, para supercondutores) foram desenvolvidas para nossas tentativas fracassadas (até agora) de tornar a computação quântica uma realidade.

Como todas as boas perguntas, o ponto é o que você quer dizer. Como CTO de uma startup que desenvolve um computador quântico, eu tenho que discordar enfaticamente da proposição de que a computação quântica é apenas uma torta no céu.

Mas então você afirma: "Você não estará comprando um no PC World tão cedo." Isso não apenas concordo, mas sugeriria que, em um futuro próximo, você não poderá, o que é tão próximo de "nunca" quanto você me fará afirmar.

Por que é que? Para o primeiro ponto, é válido porque não há razões de engenharia para nos impedir de construir um computador quântico e, de fato, não há razões que continuarão nos impedindo de construir um por muito mais tempo. Para o segundo ponto, é porque é mais difícil construir um computador quântico do que construir um computador clássico (você precisa de condições especiais, como temperaturas extremamente baixas ou um vácuo muito bom, e são mais lentos), mas existem apenas algumas problemas em que os computadores quânticos se destacam. Você não precisa de nenhum laptop para descobrir drogas através de computação ou quebrar criptografia desatualizada ou acelerar a inversão de alguma função (especialmente se elas vierem com equipamento de suporte do tamanho de um guarda-roupa), mas você precisa de um ou alguns supercomputadores para fazer isso.

Por que posso dizer que não há problemas de engenharia que impedem computadores quânticos (grandes e universais)? Observe que um único exemplo seria suficiente; portanto, escolho a tecnologia que melhor conheço, a que estou buscando profissionalmente. Na computação quântica baseada em armadilha de íons, todos os ingredientes necessários são demonstrados: Existem portões quânticos universais de alta fidelidade. Existem tentativas bem-sucedidas de mover íons (separá-los e recombiná-los de cadeias de íons, movê-los ao longo de caminhos e através de interseções de caminhos), com desempenho adequado. Além disso, é possível inicializar, medir, etc., com uma fidelidade comparável às operações do portão. A única coisa que impede a construção de computadores quânticos grandes e universais com armadilha de íons está relacionada à obtenção de cientistas que fizeram as contribuições individuais junto aos engenheiros certos,

Estou ansioso para até dizer como alguém pode fazer a façanha em breve, tecnicamente, mas receio deixar nosso advogado de patentes (e meu CEO e todos os demais da empresa) um pouco louco. Tudo se resume a isso:

Se a computação quântica é realmente uma torta no céu, então, olhando para trás, as pessoas no futuro a perceberão como uma fruta tão baixa quanto os primeiros microcomputadores.

Existem muitos desafios técnicos para o desenvolvimento de um computador quântico universal composto por muitos qubits, como apontado nas outras respostas. Veja também este artigo de revisão . Entretanto, pode haver maneiras alternativas de obter certos resultados não triviais da computação quântica antes de chegarmos ao primeiro computador quântico verdadeiramente universal.

Observe que os dispositivos de computação clássicos existiam muito tempo antes da criação do primeiro computador universal. Por exemplo, para resolver numericamente equações diferenciais, você pode construir um circuito elétrico composto por capacitores, bobinas e resistores, de modo que a tensão entre determinados pontos atenda à mesma equação diferencial que você deseja resolver. Este método era popular na astrofísica antes do advento dos computadores digitais.

No caso da computação quântica, observe que, quando Feynman teve a idéia de computação quântica, ele argumentou com base na dificuldade de simular propriedades da mecânica quântica de certos sistemas físicos usando computadores comuns. Ele mudou o argumento observando que o próprio sistema resolve o problema matemático difícil de resolver usando computadores comuns. A natureza da mecânica quântica do sistema faz isso, portanto, pode-se considerar se é possível construir dispositivos mecânicos quânticos capazes de resolver problemas difíceis de resolver usando computadores comuns.