Fullafk.com – Kuantum hesaplamadaki son iki atılım, bu alanda önemli bir heyecan yarattı. Klasik bilgisayarların çözemediği sorunları çözmek için kuantum bilgisayarları kullanarak, ABD ve Çin’deki araştırmacılar ayrı ayrı “kuantum avantajı” çağını başlattılar. Yine de kuantum avantajının kanıtı ne kadar önemli olsa da, sonuçta daha büyük etkiye sahip olacak olan daha yetenekli kuantum makinelerinin mevcudiyetidir. Bu makinelere erişim, kuantum bilgisayarlarla gerçek dünyadaki sorunları çözme yeteneğine sahip bir “kuantum yerlileri” grubunu teşvik edecek.

2019’da Google tarafından rastgele devre örneklemesi ve 2020’de Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi tarafından bozon örneklemesi gibi son gelişmeler , kuantum avantajını göstermek için yararlı sorunlardır. Ancak gerçek dünyada faydaları yoktur ve ezoterik Plinko oyunlarına benzerler. Her iki gösterim de bizi, teknoloji geliştirmeyi yönlendirecek ve etki gösterecek kuantum bilgisayarlar için herhangi bir yakın vadeli uygulamayı tanımlamaya yaklaştırmıyor.

Kuantum hesaplama henüz başlangıç ​​aşamasında olmasına rağmen, alan halihazırda önemli ticari yatırımlar görüyor. Klasik hesaplamanın tarihi, eğer bu ticari faaliyet devam edecekse, klasik yaklaşımlara göre gerçek avantajlı uygulamalar olan kısa vadeli kuantum makineleri için gerçek dünya uygulamalarını belirlemenin kesinlikle hayati önem taşıdığını göstermektedir. Bunu yapmak, kuantum hesaplamayı çok daha yaygın bir şekilde kullanılabilir hale getirmemizi gerektirir. Neyse ki, biz de tanık olduğumuz şey, daha geniş bir halk kohortunu devreye sokmak için yeterince yetenekli kuantum makinelerinin ortaya çıkmasıdır – ve gerçekten yararlı uygulamaları tanımlama yeteneğimizi en üst düzeye çıkaracak olan bu halka açıklıktır.

Kuantum hesaplamanın durumu

Klasik bilgi işlemde onlarca yıllık aralıksız ilerleme, teknoloji uzmanlarını giderek artan bilgi işlem gücü beklemeleri için eğitti. Moore Yasası, hesaplama gücünün her iki yılda bir kabaca ikiye katlanacağını savunuyor, ancak son zamanlarda saf Moore Yasası ölçeklendirmesinin yavaşlaması nedeniyle, birçok teknoloji uzmanı şimdi bundan sonra ne tür bir hesaplamanın geleceğine odaklanıyor . Uygulamaya özel bilgi işlem mi olacak? Bilgi işlem teknolojisine hibrit yaklaşımlar? Ya da tamamen yeni bilgi işlem paradigmaları mı?

Birçoğu, belirli problem türlerini çözmede klasik hesaplamaya göre üstel performans kazanımları ile alternatif bir paradigma olarak kuantum hesaplamaya bahis oynadı. Kuantum avantajının uzun zamandır beklenen kanıtı, bu inancı doğruluyor gibi görünüyor.

Kuantum mekaniğinin yasalarına göre çalışan bir kuantum bilgisayar yaratma fikri, 1980’lerin başında Richard Feynman ve diğerleri tarafından önerildi . O zamanlar bilim adamları, doğal sistemlerde her yerde bulunan kimyasal etkileşimleri en iyi nasıl simüle edeceklerini düşünüyorlardı. Kuantum mekaniği yasalarını izleyen bir sistemi simüle etmenin ve anlamanın, aynı kuantum mekanik yasaları tarafından yönetilen bir hesaplama sistemini kullanmaktan daha iyi bir yolu var mı? Kuantum hesaplamaya olan ilgi 1990’ların ortasında Peter Shor’un bir algoritma yayınlamasıyla patladı.çok büyük sayıları en iyi bilinen klasik algoritmalardan katlanarak daha hızlı çarpanlarına ayırmak için bir kuantum bilgisayar kullanmak. Çok büyük sayıları çarpanlara ayırmanın zorluğu, birçok modern şifreleme sisteminin temelidir ve Shor’un algoritması, bir kuantum bilgisayarın kuantum mekanik simülasyonlarının ötesinde uygulamalara sahip olacağı fikrini sağlamlaştırdı.

Süperpozisyon ve dolanmanın kuantum mekaniği özellikleri, bazı hesaplamaları klasik bilgisayarlardan katlanarak daha hızlı tamamlayabilen, benzeri görülmemiş karmaşıklık ve güce sahip bir hesaplama sistemi yaratır. Ancak büyük güç, büyük bir güvenlik açığını da beraberinde getirir: Süperpozisyon ve dolaşıklık, kuantum bilgisayarları gürültüye karşı son derece hassas ve kontrol edilmesini zorlaştırır. Küçük kaymaların kolayca gerçek bit değerlerine geri yuvarlandığı klasik hesaplamadan farklı olarak, bir kübit değerindeki küçük hataların bile düzeltilmesi zor olacaktır. Kuantum bilgi bilimcileri, kuantum hata düzeltme (QEC) olarak bilinen algoritmaların hataları kontrol etmemize ve gerçek, yararlı hesaplamalar için kuantum bilgisayarları kullanmamıza izin vereceğine inanıyor.

Peter Shor’un faktoring algoritmasının yayınlanmasından bu yana geçen çeyrek yüzyılda, bir avuç başka kuantum algoritması ortaya çıktı. Bunlar optimizasyonu, doğrusal denklem sistemlerini çözmeyi ve kimyasal simülasyon için yaklaşım yöntemlerini içerir. Aynı dönemde, önemli donanım araştırmaları bizi NISQ dönemine getirdi., gürültülü, orta ölçekli kuantum makinelerininki. Bu küçük, kusurlu kuantum hesaplama cihazları, kuantum makinelerini kullanmak ve kuantum hesaplamanın yapı taşlarını test etmek için ilk fırsatımızdır. İlginç olsa da, NISQ makineleri yararlı optimizasyon, faktoring veya simülasyon gerçekleştirebilen büyük, hata düzeltmeli makineler değildir. Henüz kısa vadeli NISQ makineleri için değerli uygulamalar tanımlamadık ve birçok bilim insanı, NISQ bilgisayarlarının gerçek amacının daha iyi kuantum bilgisayarların nasıl yapılacağını öğrenmek olduğunu savunuyor.

Yarının kuantum bilgisayarlarını nasıl inşa edeceğinizi öğrenmek için bugünün kuantum bilgisayarlarını kullanmak tatmin edici bir bilimsel cevap olabilir, ancak bu cevabın ilerlemesini sürdürmek için kuantum hesaplamaya gerekli ilgiyi ve yatırımı sürdürmek için yeterli olduğu açık değildir.

Klasik bilgi işlemin verimli döngüsü

Klasik bilgi işlem gücünün üstel büyümesi iyi bilinirken, belki de daha az bilinen, giderek artan güçlü bilgisayar yongaları üretmenin maliyetinin de katlanarak artmasıdır. Ancak artan maliyet, bilgi işlem endüstrisinin ürettiği katlanarak artan gelirle garanti edilmektedir: Yüksek etkili uygulamaların ürettiği gelir, daha sonra önemli araştırma ve geliştirme faaliyetlerine yeniden yatırılmaya hazır hale gelir.

National Academies’in 2019 Quantum Computing: Progress and Prospects raporunda açıklandığı gibi , artan gelir döngüsünden artan üretim maliyetine ve daha yüksek performansa uzanan döngü, klasik bilgi işlem endüstrisine ve toplumumuza 50 yıldan fazla bir süredir hizmet etti. Bu “erdemli döngü” içinde ikinci bir döngü görüyoruz: Yeni bilgi işlem uygulamaları, bilgi işlem ekosistemine daha fazla yetenek çekti ve bu yetenekli insanlar, endüstriyi yönlendiren bir sonraki uygulama kümesini yarattı.

Uygulama ihtiyacı, kullanılabilirlik ihtiyacı

2009’da, bir grup kuantum bilgi bilimcisi, doğrusal denklem sistemlerini çözmek için yeni bir kuantum algoritması yayınladı – lise cebirini düşünün ve “N bilinmeyen için N denklemi” çözme. Bununla birlikte, bu algoritmanın nihai etkisi belirsizdi, çünkü kuantum verimliliği, tüm N bilinmeyenleri toplamak için algoritmayı birçok kez çalıştırma ihtiyacı nedeniyle körelecekti. Tek bir somut değeri çözmek için 2013 yılında algoritmanın bir versiyonunu geliştirmek için radar kesitlerinin hesaplanmasına ilişkin belirli bir uygulamaya yakından aşina olan ikinci bir grup bilim insanı aldı – bu tek değer tüm N bilinmeyenlerin bir fonksiyonudur. Tek bir değerin hesaplanmasına ihtiyaç duyulduğunda, kuantum verimliliği kazançları korunur.

Hem kuantum bilgisine hem de klasik hesaplama zorluklarına daha fazla ve çeşitli sesler getirdiğimizde olan budur. Klasik hesaplama ile karşılaştırıldığında, nispeten az sayıda insan kuantum hesaplama uygulamaları hakkında düşünüyor; bu, sınırlı kapasiteye sahip kuantum bilgisayarların yakın zamanda kullanıma sunulduğu düşünüldüğünde, doğal bir durumdur.

Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların aşırı yüklü versiyonları değildir. Aksine, bilgiyi çok farklı şekillerde manipüle ederler. Değer hesaplamaları için kuantum karmaşıklığının gücünden yararlanmak, kuantum bilgi işlemeye aşina olan daha fazla bilim insanı gerektirir – belki de mevcut hesaplama zorlukları hakkında yakın bilgiye sahip olan veya klasik bilgisayarlar tarafından sağlanmayan yeni yetenekler hakkında yenilikçi anlayışlara sahip insanlar.

Kısa vadeli kuantum bilgisayarlar için gerçek dünya uygulamalarının tam bir tamamlayıcısı belirlemek, yalnızca kuantum bilgisayarlara yaygın erişimle birlikte gelecektir. Kuantum yeteneklerini ilgili hesaplama problemlerine bağlamak için doğru ilgi alanlarına ve yeterli uzmanlığa sahip bir uygulayıcılar grubu oluşturmak için erişim gereklidir. Daha geniş erişim aynı zamanda kuantum bilgileri hakkında düşünen daha büyük bir yenilikçi havuzu oluşturur. Ancak bir nesil kuantum hackerları ve tamirciler yaratarak tesadüfi keşiflere ulaşabiliriz. Teknolojiden yararlanma yeteneğinin kuramsal anlayışı çok geride bıraktığı derin öğrenme alanında olduğu gibi, soyut anlayıştan çok önce pratik atılımlar bile görebiliriz.

2019 yazında, IBM’in Kuantum Deneyiminin bir alt kümesine bulut tabanlı genel erişimin teşvik ettiği Johns Hopkins Uygulamalı Fizik Laboratuvarı, laboratuvarın kuantum bilgi ekibine katılmak için bir stajyer kohort oluşturdu. Öğrencilerden şakacı bir şekilde “Ejderhanı Nasıl Eğitirsin” kohortumuz olarak bahsettik – tıpkı o filmdeki genç Viking nesillerinin ejderhaların gücünü sonsuza kadar kullanması gibi, öğrencilerimizin de kuantum hesaplama için aynısını yapmasını umduk. Kuantum geçmişi olmayan lisans öğrencilerinden oluşan kohort, aylar içinde en yeni araştırmaları gerçekleştirmelerini sağlayan bir dizi matematik ve fizik kavramına maruz kaldı. Gerçek kuantum işlemcilerde gürültü azaltma protokollerinin test edilmesi ve değerlendirilmesi, yakında çıkacak bir teknik dergi yayınında yer alacak. kuantum bilgi alanına yeni bir katkı oluşturuyor. Meslektaşlarım, gelecek yaz bu staj programını yetenekli lise öğrencilerini de içerecek şekilde genişletti ve benzer, hızlı bir öğrenme sürecini görerek yeni bir “Kuantum Yerlileri” grubu oluşturdu. Bulut bilişim kaynaklarına erişim sayesinde, bu genç bilim insanları anlamlı ve çığır açan işler yapabildiler. Bu kaynaklar daha geniş çapta mevcut olsaydı olası atılımları hayal edin.

Kuantum hesaplama tartışmaları genellikle paradigmanın egzotik, sezgisel olmayan yönlerine odaklanır, ancak öğrencileri kuantum makinelerle tanıştırma deneyimimiz, kuantum neslini yaratmanın dijital nesli oluşturmaktan çok farklı olmayabileceğini gösteriyor. Bilgisayarlara erken erişim, ilk nesil klasik bilgi işlem girişimcilerini şekillendirdi. Bill Gates, gençken binlerce saat programlama yaparak Microsoft’u ortaya çıkaran bir uzmanlık geliştirdi. Microsoft’tan daha az dramatik sonuçlara sahip olsa da, yeni teknolojiye şans eseri erişim hikayeleri, bilim adamları arasında her yerde bulunur. Bir bilgisayarla ilk karşılaşmam bir arkadaşımın evindeydi. Babasının, anı olarak bir kasetçalarıyla televizyona bağlı bir TRS-80’i vardı. Makineyi blackjack oynaması için dikkatlice programlamak için saatler harcadık – mucizemiz, kart oyununun kendisine aşina olmamamız nedeniyle biraz azaldı. Diğerlerinin, üniversite ana çerçevelerini programlamak için uzun öğleden sonraları harcadıklarına dair daha yoğun raporları var; Görünüşe göre 1970’lerde kimse laboratuvar kapılarını aralara kilitlemiyordu.

Kuantum bulutuna erişim

Kuantum bilgisayarlar, şu anda araştırma laboratuarlarının dışındaki yaşam için uygun olmayan oldukça özel makinelerdir, bu nedenle bu makinelere genel erişim şu anda bulut aracılığıyla – mevcut internet altyapısı üzerinden çevrimiçi erişim yoluyla gerçekleşmektedir. Erken kuantum bilgi işlem kaynaklarının mevcudiyetinin, özel ekipman satın alınmasıyla aracılık edilmesi gerekmeyecek, bu da oldukça egzotik teknolojiye geniş tabanlı erişim için gerçek bir fırsat yaratacak.

Açıkça, bulut tabanlı kuantum bilişime erişim, modern toplumda her yerde bulunan dijital erişim gerektirecektir. Ancak, COVID-19 salgını tarafından yönlendirilen sanal eğitim, teknoloji ve internet kaynaklarında açık sosyoekonomik ayrımlar ortaya çıkardı – kaynaklar, çoğu zaman hayal edildiği kadar evrensel değil. Kuantum bilişim, evrensel dijital altyapının bugünün eğitimi, yarının işgücü ve geleceğin teknoloji gelişimine katılım için kesinlikle hayati önem taşıdığını bir kez daha hatırlatıyor.

Kuantum hesaplamaya bulut tabanlı erişim, kuantum bilgi gelişimine farklı sesler getirmeyi kolaylaştırır ve kuantum doğrusal sistemler algoritması ile radar kesitlerinin hesaplanmasındaki zorluklar arasındaki sinerji hakkındaki önceki tartışmamızda görüldüğü gibi, bilimsel alanların çapraz tozlaşmasını teşvik eder. Klasik bilgisayarlara kıyasla kuantum bilgisayarlara erişimdeki zıtlık, bilgisayar bilimindeki cinsiyetler arası uçurumdan kısmen sorumlu olgulardan kaçınabilir.

İlk bilgisayar programcılığına genellikle kadınlar hakim oldu. 1980’lerden önce üniversitelerde bilgisayar bilimi okuyan kadınların sayısı erkeklerden daha hızlı artıyordu. Bu eğilim, 1980’lerin ortasında kadınların katılımının hızla düşmesiyle tersine döndü. Burs, bu eğilimi kişisel bilgisayarların ortaya çıkışına kadar, mantıksız bir şekilde izledi. Bilgisayar donanımı daha uygun fiyatlı ve erişilebilir hale geldikçe, özellikle erkek çocuklara pazarlandı, kolejlere geldiklerinde erkekler ve kadınlar arasında büyük bir bilgisayar okuryazarlığı boşluğu yarattı ve bilgisayar bilimleri derslerine giriş derslerinde bile mevcut bilgisayar becerileri için yüksek bir beklenti oluşturdu. Kuantuma yaygın bulut erişimi, kuantum bilgisayar okuryazarlığında benzer bir cinsiyet ayrımı yaratmaktan kaçınmamızı sağlayabilir.

Gerçek dünyada etki yaratmak

Mevcut kuantum hesaplama makineleri bize kuantum algoritmalarını ve uygulamalarını doğrudan keşfetme fırsatı verirken, bu makineler gerçek dünya etkisi ile kuantum avantajı göstermediler ve kısa vadede gerçek avantaj sağlayacak bir uygulama belirlediğimizden emin değiliz. . Kuantum teknolojisine sürekli ilgi ve yatırım ihtiyacı, bu tür uygulamaları belirlememizi gerektiriyor. Kuantum bilgi işlem kaynaklarına daha geniş erişim ve bu erişimle daha geniş katılım, kuantum uygulamalarını formüle etmenin anahtarı olacaktır.

Belirli kuantum bilgi işlem kaynaklarına mevcut genel erişim, bizi güçlü bir başlangıç ​​konumuna getiriyor. Klasik bilgi işlem endüstrisi uzun süredir yüksek öğrenimle yararlı bir ilişki sürdürmüştür ve öğrenci burslarından ayni donanım hibelerine ve özgür yazılım lisanslarına kadar çeşitli kaynaklara katkıda bulunmuştur. Kuantum hesaplamadaki ticari oyuncular, hem eğitim hem de araştırma amaçlı erişim için benzer yollar sağlamalıdır. Ulusal Bilim Vakfı ve Beyaz Saray Bilim ve Teknoloji Politikası Ofisi tarafından yönetilen bir kamu-özel girişim olan Ulusal Q-12 Eğitim Ortaklığı, kolej öncesi öğrencilere kuantum eğitimi getirmeyi taahhüt eder. Bu tür girişimler, kuantum ekosistemini genişletmek için endüstri, akademi ve hükümeti bir araya getirecek,

Joan A. Hoffmann , Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’nda Araştırma ve Keşif Geliştirme Departmanında baş fizikçidir.