Hvor stor skal din kvantecomputer være?

Kvantecomputere forventes at være forstyrrende og potentielt påvirke mange industrisektorer. Så forskere i Det Forenede Kongerige og Holland besluttede at udforske to meget forskellige kvanteproblemer:at bryde krypteringen af ​​Bitcoin (en digital valuta) og simulere det molekyle, der er ansvarlig for biologisk nitrogenfiksering.

I AVS Quantum Science , beskriver forskerne et værktøj, de har skabt til at bestemme, hvor stor en kvantecomputer skal være for at løse problemer som disse, og hvor lang tid det vil tage.

"Størstedelen af ​​det eksisterende arbejde inden for dette område fokuserer på en bestemt hardwareplatform, superledende enheder som dem, IBM og Google arbejder hen imod," siger Mark Webber fra University of Sussex. "Forskellige hardwareplatforme vil variere meget med hensyn til vigtige hardwarespecifikationer, såsom hastigheden af ​​operationer og kvaliteten af ​​kontrol på qubits (kvantebit)."

Mange af de mest lovende kvantefordele vil kræve en fejlkorrigeret kvantecomputer. Fejlrettelse gør det muligt at køre længere algoritmer ved at kompensere for iboende fejl inde i kvantecomputeren, men det kommer på bekostning af flere fysiske qubits.

At trække nitrogen ud af luften for at lave ammoniak til gødning er ekstremt energikrævende, og forbedringer af processen kan påvirke både verdens fødevaremangel og klimakrisen. Simulering af relevante molekyler er i øjeblikket uden for selv verdens hurtigste supercomputeres evner, men bør være inden for rækkevidde af næste generations kvantecomputere.

"Vores værktøj automatiserer beregningen af ​​fejlkorrektionsomkostningerne som en funktion af vigtige hardwarespecifikationer," sagde Webber. "For at få kvantealgoritmen til at køre hurtigere, kan vi udføre flere operationer parallelt ved at tilføje flere fysiske qubits. Vi introducerer ekstra qubits efter behov for at nå den ønskede runtime, som er kritisk afhængig af operationshastigheden på det fysiske hardwareniveau."

De fleste quantum computing hardware platforme er begrænsede, fordi kun qubits lige ved siden af ​​hinanden kan interagere direkte. I andre platforme, såsom nogle fangede ion-designs, er qubits ikke i faste positioner og kan i stedet flyttes fysisk rundt - hvilket betyder, at hver qubit kan interagere direkte med et bredt sæt af andre qubits.

"Vi undersøgte, hvordan man bedst udnytter denne evne til at forbinde fjerne qubits med det formål at løse problemer på kortere tid med færre qubits," sagde Webber. "Vi skal fortsætte med at skræddersy fejlkorrektionsstrategierne for at udnytte styrkerne ved den underliggende hardware, hvilket kan give os mulighed for at løse meget virkningsfulde problemer med en kvantecomputer i mindre størrelse, end det tidligere var blevet antaget."

Kvantecomputere er eksponentielt mere kraftfulde til at bryde mange krypteringsteknikker end klassiske computere. Verden bruger RSA-kryptering til det meste af sin sikre kommunikation. RSA-kryptering og den, Bitcoin bruger (elliptisk kurve digital signaturalgoritme) vil en dag være sårbar over for et kvantecomputerangreb, men i dag kan selv den største supercomputer aldrig udgøre en alvorlig trussel.

Forskerne vurderede størrelsen af ​​en kvantecomputer skal have for at bryde krypteringen af ​​Bitcoin-netværket inden for det lille tidsrum, det faktisk ville udgøre en trussel at gøre det - mellem dens annoncering og integration i blockchain. Jo større gebyr, der betales for transaktionen, jo kortere vil dette vindue være, men det varierer sandsynligvis fra minutter til timer.

"State-of-the-art kvantecomputere i dag har kun 50-100 qubits," sagde Webber. "Vores estimerede behov på 30 [millioner] til 300 millioner fysiske qubits tyder på, at Bitcoin bør betragtes som sikret mod et kvanteangreb indtil videre, men enheder af denne størrelse anses generelt for opnåelige, og fremtidige fremskridt kan bringe kravene yderligere ned.

"Bitcoin-netværket kunne udføre en 'hard-fork' på en kvantesikker krypteringsteknik, men dette kan resultere i netværksskaleringsproblemer på grund af et øget hukommelseskrav."

Forskerne understreger hastigheden af ​​forbedring af både kvantealgoritmer og fejlkorrektionsprotokoller.

"For fire år siden anslog vi, at en fanget ion-enhed ville have brug for en milliard fysiske qubits for at bryde RSA-kryptering, hvilket kræver en enhed med et areal på 100 x 100 kvadratmeter," sagde Webber. "Nu, med forbedringer over hele linjen, kan dette se en dramatisk reduktion til et areal på kun 2,5 x 2,5 kvadratmeter."

En storstilet fejlkorrigeret kvantecomputer burde være i stand til at løse vigtige problemer, klassiske computere ikke kan.

"Simulering af molekyler har applikationer til energieffektivitet, batterier, forbedrede katalysatorer, nye materialer og udvikling af nye lægemidler," sagde Webber. "Der findes flere applikationer overalt – inklusive til økonomi, big data-analyse, flydende flow til flydesign og logistiske optimeringer."