Computación cuántica: soluciones para mejorar la potencia informática en la era posterior a Moore

La computación cuántica es un nuevo modelo informático basado en la mecánica cuántica. Tiene potentes capacidades de computación paralela que, en principio, superan con creces la computación clásica. Es necesaria para la inteligencia artificial, el criptoanálisis, la previsión meteorológica, la exploración de recursos y el diseño de fármacos. , etc. La informática a gran escala proporciona soluciones a problemas difíciles y puede revelar mecanismos físicos complejos como las transiciones de fase cuánticas, la superconductividad de alta temperatura y el efecto Hall cuántico.

A diferencia de los ordenadores tradicionales que utilizan bits 0 o 1 para almacenar información, la computación cuántica utiliza qubits como unidad básica para codificar y almacenar información. Basado en el principio de superposición de la mecánica cuántica, un qubit puede estar en la superposición coherente de dos estados: 0 y 1 al mismo tiempo, es decir, puede usarse para representar dos números: 0 y 1. Por extensión, n qubits pueden representar la superposición de 2n números, de modo que una operación cuántica puede teóricamente realizar operaciones paralelas en 2n números superpuestos al mismo tiempo, lo que equivale a 2n operaciones en una computadora clásica. Por lo tanto, la computación cuántica proporciona una idea para realizar fundamentalmente la computación paralela y tiene el potencial de superar en gran medida la potencia de computación de las computadoras clásicas.

Al igual que los ordenadores clásicos, los ordenadores cuánticos también pueden utilizar el marco de las máquinas de Turing para realizar operaciones lógicas programables en qubits y realizar operaciones cuánticas generales, logrando así un aumento significativo de la potencia informática, incluso de forma exponencial. . Un ejemplo típico es el algoritmo cuántico de factorización prima rápida (algoritmo de Shor) propuesto en 1994. La complejidad computacional de la factorización prima es la base de la seguridad del ampliamente utilizado criptosistema de clave pública RSA. Por ejemplo, si se utiliza un ordenador clásico con un billón de operaciones por segundo para descomponer un número grande de 300 bits, tardará más de 100.000 años pero si se utiliza un ordenador cuántico con la misma velocidad de funcionamiento y el algoritmo de Shor, tardará más de 100.000 años; solo toma 1 segundo. Por lo tanto, una vez que las computadoras cuánticas se desarrollen con éxito, tendrán un impacto enorme en el sistema clásico de seguridad de la información.

Etapas de desarrollo de la computación cuántica

La potencia de cálculo de las computadoras cuánticas aumenta exponencialmente con el número de qubits. Por lo tanto, la tarea principal de la investigación en computación cuántica es la manipulación coherente de múltiples qubits. Basándose en la escala de qubits manipulados coherentemente, la comunidad académica internacional reconoce que la computación cuántica tiene las siguientes etapas de desarrollo:

La primera etapa es lograr la "superioridad de la computación cuántica", es decir, el poder de computación de los cuánticos. Las computadoras en problemas específicos superan a las supercomputadoras clásicas; lograr este objetivo requiere la manipulación coherente de unos 50 qubits. Google en los Estados Unidos tomó la delantera en la realización de la "superioridad de la computación cuántica" de los sistemas de circuitos superconductores en 2019. Nuestro país ha alcanzado la "superioridad en la computación cuántica" en el sistema cuántico óptico en 2020 y en el sistema de líneas superconductoras en 2021. Actualmente, nuestro país es el único del mundo que ha alcanzado este hito en dos sistemas físicos.

La segunda etapa consiste en realizar un simulador cuántico dedicado, es decir, manipular coherentemente cientos de qubits, que se pueden aplicar a problemas específicos como la optimización combinatoria, la química cuántica y el aprendizaje automático para guiar el diseño de materiales. , desarrollo de fármacos, etc. Llegar a esta etapa llevará de 5 a 10 años y es la principal tarea de investigación actual.

La tercera etapa es realizar una computadora cuántica universal programable, es decir, manipulación coherente de al menos millones de qubits, que puede desempeñar un papel muy importante en el descifrado de contraseñas clásicas, la búsqueda de big data, la inteligencia artificial, etc. . Dado que los qubits son susceptibles a errores causados ​​por el ruido ambiental, para los sistemas de qubits a gran escala, garantizar el funcionamiento correcto de todo el sistema mediante la corrección de errores cuánticos es un requisito inevitable y un desafío importante durante un período de tiempo. Debido a dificultades técnicas, no está claro cuándo se creará una computadora cuántica universal. Los círculos académicos internacionales generalmente creen que llevará 15 años o más.

Actualmente se están llevando a cabo investigaciones sistemáticas a nivel internacional sobre diversos sistemas físicos que se espera logren una computación cuántica escalable. Nuestro país ha completado el diseño de investigación de todos los sistemas de computación cuántica importantes y se ha convertido en uno de los tres países (regiones) con diseños completos, incluidos la Unión Europea y los Estados Unidos.

La computación cuántica superconductora logra ponerse al día

Actualmente, Google, IBM y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China son los tres primeros en investigación de computación cuántica superconductora en el mundo.

En octubre de 2019, después de continuar invirtiendo fuertemente en computación cuántica durante más de 10 años, Google anunció oficialmente que los experimentos habían demostrado la "superioridad de la computación cuántica". Construyeron un procesador cuántico que contiene 53 qubits superconductores, llamado "Sycamore". En la tarea específica de muestrear líneas aleatorias, "Platanus" ha demostrado una potencia de cálculo que supera con creces la de un superordenador. En mayo de 2021, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China construyó el prototipo de computación cuántica superconductora de 62 bits "Zu Chongzhi" con la mayor cantidad de qubits del mundo en ese momento, y logró una caminata cuántica bidimensional programable. Sobre esta base, se desarrolló aún más el "Zu Chong No. 2" de 66 bits. "Zuchong No. 2" tiene la capacidad de programación para ejecutar cualquier algoritmo cuántico y logra la solución rápida del muestreo cuántico de líneas aleatorias. Según el algoritmo clásico optimizado que se ha revelado hasta ahora, "Zuchong-2" puede procesar el problema de muestreo de circuitos aleatorios cuánticos 10 millones de veces más rápido que la supercomputadora más rápida actualmente, y la complejidad computacional es 1 millón de veces mayor que la de Google. "Plátano".

Investigación de la computación cuántica en otros sistemas

Los sistemas físicos como los iones y los puntos cuánticos basados ​​en silicio también tienen potencial para la expansión multibit y la tolerancia a fallas, y actualmente son un tema candente. en la investigación internacional de computación cuántica. Mi país comenzó tarde la investigación en computación cuántica sobre sistemas iónicos y actualmente se encuentra en un estado de recuperación. Las principales unidades de investigación nacionales incluyen la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, etc. Se han acumulado tecnologías clave en los elementos básicos de la computación cuántica, como las puertas lógicas cuánticas de alta precisión y el entrelazamiento cuántico de múltiples bits. Nuestro país está a la par de las principales fuerzas de investigación internacionales en el campo de la computación cuántica con puntos cuánticos basados ​​en silicio. Además, debido a la superioridad de la computación cuántica topológica en la tolerancia a fallas, el uso de sistemas topológicos para lograr la computación cuántica universal es un importante objetivo de investigación internacional a largo plazo. En la actualidad, tanto en el país como en el extranjero están trabajando arduamente para lograr el avance "0 a 1" de un único qubit topológico.

El desarrollo futuro de la computación cuántica

Después de lograr el objetivo de la etapa de "superioridad de la computación cuántica", el desarrollo futuro de la computación cuántica se centrará en dos aspectos: primero, continuar mejorando Computación cuántica Rendimiento informático. Para lograr una computación cuántica tolerante a fallas, la primera consideración es cómo expandir la escala de los sistemas de computación cuántica con alta precisión. Al realizar la expansión de qubits, la cantidad y calidad de los bits son extremadamente importantes. Cada aspecto del experimento (preparación, manipulación y medición de estados cuánticos) debe mantener una alta precisión y un bajo ruido, y a medida que aumenta el número de qubits. Los errores causados ​​por factores como el ruido y la diafonía también han aumentado, lo que ha planteado enormes desafíos para el diseño, procesamiento y control de sistemas cuánticos, y todavía requiere muchos esfuerzos de colaboración científica y de ingeniería. El segundo es explorar aplicaciones de la computación cuántica. Se espera que en los próximos cinco años la computación cuántica supere los 1.000 bits. Aunque la computación cuántica universal tolerante a fallas aún no es posible, los científicos esperan explorar la aplicación de la computación cuántica en el aprendizaje automático y la química cuántica en el ruidoso cuántico. etapa de informática (NISQ) y otros campos, formando aplicaciones recientes.