Her er hva kvanteoverlegenhet betyr – og ikke – betyr for databehandling

En Google kvantedatamaskin Google

Google har angivelig vist for første gang at en kvantedatamaskin er i stand til å utføre en oppgave utenfor rekkevidden til selv den kraftigste konvensjonelle superdatamaskinen i enhver praktisk tidsramme – en milepæl kjent i dataverdenen som kvanteoverlegenhet. ( Oppdater : Det bekreftet nyheten 23. oktober.)

Det illevarslende begrepet, som ble laget av den teoretiske fysikeren John Preskill i 2012, fremkaller et bilde av Darth Vader-lignende maskiner som hersker over andre datamaskiner. Og nyhetene har allerede produsert noen merkelige overskrifter, for eksempel en på Infowars-nettstedet som skrek, Googles 'Quantum Supremacy' for å gjøre all kryptografi og militære hemmeligheter brytbare. Politiske skikkelser har også blitt fanget opp i hysteriet: Andrew Yang, en presidentkandidat, tvitret at Google å oppnå kvantedatabehandling er en stor avtale. Det betyr, blant mange andre ting, at ingen kode er uncrackable.

Tull. Det betyr ikke det i det hele tatt. Googles prestasjon er betydelig, men kvantedatamaskiner har ikke plutselig blitt til datakolosser som vil etterlate konvensjonelle maskiner etter i støvet. De vil heller ikke legge øde på konvensjonell kryptografi i nær fremtid – selv om de på lengre sikt kan utgjøre en trussel vi må begynne å forberede oss på nå.

Her er en guide til hva Google ser ut til å ha oppnådd – og en motgift mot hypen rundt kvanteoverlegenhet.

Hva vet vi om Googles eksperiment?

Vi har fortsatt ikke fått bekreftelse fra Google om hva den har gjort. Informasjonen om eksperimentet kommer fra et papir med tittelen Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor, som kort ble lagt ut på et NASA-nettsted før det ble tatt ned. Dens eksistens ble avslørt i en rapport i Financial Times - og en kopi av avisen kan bli funnet her .

Eksperimentet er ganske mystisk, men det krevde mye beregningsinnsats. Googles team brukte en kvanteprosessor med kodenavn Sycamore for å bevise at tallene som ble pumpet ut av en tilfeldig tallgenerator virkelig var tilfeldige. De regnet deretter ut hvor lang tid det ville ta Summit, verdens kraftigste superdatamaskin, å gjøre den samme oppgaven. Forskjellen var slående: mens kvantemaskinen polerte den av på 200 sekunder, anslo forskerne at den klassiske datamaskinen ville trenge 10 000 år.

Når papiret er formelt publisert, kan andre forskere begynne å stikke hull i metodikken, men foreløpig ser det ut til at Google har skåret en databehandling først ved å vise at en kvantemaskin faktisk kan overgå selv de kraftigste av dagens superdatamaskiner. Det er mindre tvil nå om at kvantedatamaskiner kan være fremtiden for høyytelses databehandling, sier Nick Farina, administrerende direktør for oppstart av kvantemaskinvare EeroQ.

Hvorfor er kvantedatamaskiner så mye raskere enn klassiske?

I en klassisk datamaskin representerer biter som bærer informasjon enten en en eller a 0 ; men kvantebiter, eller qubits – som har form av subatomære partikler som fotoner og elektroner – kan være i en slags kombinasjon av en og 0 på samme tid, en tilstand kjent som superposisjon. I motsetning til biter, kan qubits også påvirke hverandre gjennom et fenomen kjent som entanglement, som forvirret selv Einstein, som kalte det skummel handling på avstand.

Takket være disse egenskapene, som er beskrevet mer detaljert i vår kvantedataforklaring, øker det eksponentielt prosessorkraften ved å legge til noen få ekstra qubits til et system. Avgjørende er det at kvantemaskiner kan knase gjennom store mengder data parallelt, noe som hjelper dem å overgå klassiske maskiner som behandler data sekvensielt. Det er teorien. I praksis har forskere jobbet i årevis for å bevise definitivt at en kvantedatamaskin kan gjøre noe selv den mest dyktige konvensjonelle man ikke kan. Googles innsats har blitt ledet av John Martinis, som har gjort banebrytende arbeid i bruken av superledende kretser for å generere qubits.

Betyr ikke denne hastigheten at kvantemaskiner kan overta andre datamaskiner nå?

Nei. Google valgte en veldig smal oppgave. Kvantedatamaskiner har fortsatt en lang vei å gå før de kan best klassiske på det meste – og de kommer kanskje aldri dit. Men forskere jeg har snakket med siden avisen ble publisert på nettet, sier at Googles eksperiment fortsatt er betydelig fordi det i lang tid har vært tvil om at kvantemaskiner noen gang ville være i stand til å overgå klassiske datamaskiner til noe.

Til nå har forskningsgrupper vært i stand til å reprodusere resultatene fra kvantemaskiner med rundt 40 qubits på klassiske systemer. Googles Sycamore-prosessor, som utnyttet 53 qubits for eksperimentet, antyder at slik emulering har nådd sine grenser. Vi går inn i en æra der det å utforske hva en kvantedatamaskin kan gjøre nå vil kreve en fysisk kvantedatamaskin … Du vil ikke lenger være i stand til å reprodusere resultater på en troverdig måte på en konvensjonell emulator, forklarer Simon Benjamin, en kvanteforsker ved University of Oxford .

Har ikke Andrew Yang rett i at vårt kryptografiske forsvar nå kan sprenges?

Igjen, nei. Det er en vill overdrivelse. Google-artikkelen gjør det klart at selv om teamet har vært i stand til å vise kvanteoverlegenhet i en smal prøvetakingsoppgave, er vi fortsatt et stykke unna å utvikle en kvantedatamaskin som er i stand til å implementere Shors algoritme, som ble utviklet på 1990-tallet for å hjelpe kvantemaskiner. faktor massive tall. Dagens mest populære krypteringsmetoder kan brytes bare ved å faktorisere slike tall – en oppgave som vil ta konvensjonelle maskiner mange tusen år.

Men dette kvantegapet burde ikke være grunn til selvtilfredshet, fordi ting som økonomiske og helsejournaler som skal oppbevares i flere tiår til slutt kan bli sårbare for hackere med en maskin som er i stand til å kjøre en kode-busting-algoritme som Shors. Forskere jobber allerede hardt med nye krypteringsmetoder som vil være i stand til å motstå slike angrep (se vår forklaring om post-kvantekryptografi for flere detaljer).

Hvorfor er ikke kvantedatamaskiner like suverene som kvanteoverlegenhet får dem til å høres ut?

Hovedårsaken er at de fortsatt gjør langt flere feil enn klassiske. Qubits delikate kvantetilstand varer i bare brøkdeler av et sekund og kan lett forstyrres av selv den minste vibrasjon eller ørsmå endring i temperatur - fenomener kjent som støy i kvantetale. Dette fører til at feil kommer snikende inn i beregninger. Qubits har også en Tinder-lignende tendens til å ønske å koble seg sammen med mange andre. Slik krysstale mellom dem kan også gi feil.

Googles artikkel antyder at de har funnet en ny måte å kutte ned på krysstale, som kan bidra til å bane vei for mer pålitelige maskiner. Men dagens kvantedatamaskiner ligner fortsatt tidlige superdatamaskiner i mengden maskinvare og kompleksitet som trengs for å få dem til å fungere, og de kan bare takle svært esoteriske oppgaver. Vi er ennå ikke engang på et stadium som tilsvarer ENIAC, IBMs første generelle datamaskin, som ble satt i drift i 1945.

Så hva er den neste kvantemilepælen å sikte mot?

Å bestre konvensjonelle datamaskiner for å løse et problem i den virkelige verden - en bragd som noen forskere omtaler som kvantefordel. Håpet er at kvantedatamaskiners enorme prosessorkraft vil bidra til å avdekke nye legemidler og materialer, forbedre kunstig intelligens-applikasjoner og føre til fremskritt på andre felt som finansielle tjenester, hvor de kan brukes til ting som risikostyring.

Hvis forskere ikke snart kan demonstrere en kvantefordel i minst én av disse typene applikasjoner, kan boblen av oppblåste forventninger som blåser opp rundt kvanteberegning raskt briste.

Da jeg spurte Googles Martinis om dette i et intervju for en historie i fjor, var han tydelig klar over risikoen. Så snart vi kommer til kvanteoverlegenhet, fortalte han meg, kommer vi til å ønske å vise at en kvantemaskin kan gjøre noe virkelig nyttig. Nå er det på tide for teamet hans og andre forskere å ta tak i den presserende utfordringen.

gjemme seg