Квантовото изчисление може да промени всичко и IBM се състезава с Microsoft, Intel и Google, за да го овладее

Джим Кларк, директор на квантовия хардуер в Intel, с един от квантовите процесори на компанията. Снимка; Intel

• Квантовите компютри са изключително вълнуваща технология, която обещава да създаде мощни изчислителни възможности за решаване на нерешими преди това проблеми.
• Експертите казват, че IBM е водеща в квантовите изчисления, поради което Google, Intel, Microsoft и множество стартиращи компании са под нейно влияние.
• Инвеститорите са привлечени от стартиращи компании за квантови изчисления, включително IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems и Rigetti, които биха могли да нарушат пазара.
• Има обаче една уловка: съвременните квантови компютри обикновено не са толкова мощни или надеждни като днешните суперкомпютри и също така изискват специални условия за стартиране и зареждане.

През януари IBM направи вълни, когато обяви IBM Q System One, първият в света квантов компютър, достъпен за бизнеса. Устройството беше поставено в елегантен стъклен корпус с обем от 9 кубически фута.

Това е важен крайъгълен камък за квантовите компютри, които все още се намират в изследователски лаборатории. Според IBM купувачите вече търсят да се сдобият с технологията, която е обещаваща в различни области: химия, наука за материалите, производство на храни, аерокосмическа промишленост, разработване на лекарства, прогнозиране на фондовия пазар и дори изменението на климата.

IBM Q System One. Снимка: IBM

Причината за вълнението е, че квантовият компютър има привидно магически свойства, които му позволяват да обработва експоненциално повече информация от конвенционална система. Квантовият компютър не е просто много бърз компютър; по-точно това е напълно различна компютърна парадигма, която изисква радикално преосмисляне.

Победител в технологичната надпревара ще бъде компанията, която се възползва от възможностите, които предоставя тази технология. IBM, Microsoft, Google и други технологични гиганти, както и стартиращи компании, залагат на тази технология.

Business Insider попита вицепрезидента на IBM Q Strategy and Ecosystem Bob Sutor как да направим тези системи достъпни за хората: Как хората ще имат достъп до тях? Как много хора могат да се научат да използват квантови компютри, за да изпълняват задачите си?

Има малък шанс да видите квантови компютри в офиса в скоро време. Експертите, с които разговаряхме, вярват, че въпреки че са достъпни за IBM, ще минат още пет до десет години, преди квантовите изчисления наистина да навлязат в мейнстрийма. IBM Q System One в момента е налична само като услуга за облачни изчисления за избрани клиенти. Ще мине известно време, преди хората да могат да закупят нещо подобно и да го пуснат в действие за собствените си цели.

Наистина, експертите казват, че квантовите компютри са много обещаващи, но те са далеч от масово производство. Те са изключително крехки и изискват специални условия за работа. Освен това квантовите компютри днес не са толкова надеждни или толкова мощни, колкото компютрите, които вече имаме.

„Вярваме, че след около десет години един квантов компютър ще промени живота ви или моя“, каза Джим Кларк, директор на квантовия хардуер в Intel, пред Business Insider. — Всъщност сега сме само на първата миля от маратона. Това не означава, че не сме загрижени за това."

Какво е квантов компютър?

Бил Гейтс веднъж каза, че математиката зад кванта е извън неговото разбиране, но не всички се съгласиха.

„Малко погрешно е схващането, че квантовата физика е физика и е твърде сложна“, казва Крис Монро, главен изпълнителен директор и съосновател на IonQ, пред Business Insider. „Това, което го прави неразбираемо за много хора, е, че е неразбираемо, но е толкова неразбираемо за мен, колкото и за вас.“ Ако нещо може да бъде в суперпозиция, това означава, че може да бъде в две състояния едновременно. Странно е, защото не изпитваме това в реалния свят."

Компютрите, които използвахме, показват данни като низ от 1s или 0s, наречен двоичен код. Квантовият компютър обаче може да представя данни като 1, 0 или, най-важното, и двете числа едновременно.

Когато една система може да бъде в повече от едно състояние едновременно, това се нарича „суперпозиция“, едно от привидно магическите свойства на квантовите изчисления. Другият ключов принцип тук е "заплитането", което е квантово свойство, което позволява на две частици да се движат в перфектен синхрон, без значение колко далеч една от друга са физически разделени.

Както се обяснява статия в Scientific American тези две качества се комбинират, за да създадат компютър, който може да обработва много повече данни едновременно от всяка система на пазара днес.

Мощността на квантовия компютър се измерва в кубити, основната мерна единица в квантовия компютър. Точно както съвременните компютри имат 32-битови или 64-битови процесори (мярка за това колко данни могат да обработват наведнъж), квантовият компютър с повече кубити има значително по-голяма мощност за обработка.

Вътре в квантов компютър. Снимка: IBM

Небето е границата

Всичко това означава, че квантовият компютър може да решава проблеми, които преди са били ограничени от изчислителната мощност.

Например, квантовият компютър може грубо да реши известния проблем с пътуващия търговец, сложен изчислителен проблем, който изисква намирането на най-краткия маршрут между множество градове, преди да се върне у дома. Звучи просто, но ако го погледнете математически, намирането на единствения оптимален път става по-трудно, тъй като добавяте повече градове към неговия маршрут.

По същия начин един квантов компютър би могъл да премине през най-сложните и отнемащи много време проблеми, като пресява огромни количества финансови, фармацевтични или климатични данни, за да намери оптимални решения. Наистина, квантовият стартъп D-Wave вече си сътрудничи с Volkswagen, за да анализира моделите на шофиране и да пресее огромни количества шум, за да стигне до дъното на нещата.

Обсъжда се неговата полезност в областта на криптографията. Квантовият компютър е в състояние да овладее метод за криптиране, който е различен от досега известен шифър, което му позволява лесно да дешифрира дори държавни тайни. Има голям интерес от глобалните правителства към тази полезна функция, докато активистите се опасяват, че навлизането на квантовите изчисления може да унищожи поверителността.

Проблем по физика

„Тъй като квантовите компютри все още са в начален етап, има много информация, която остава недоказана“, каза Матю Брис, вицепрезидент на R&D в Gartner. „Но купувачите вече търсят приложения, за да определят конкурентните предимства на квантовите изчисления за техния бизнес“, казва той.
Въпреки цялата шумотевица, експертите смятат, че квантовите компютри не са толкова далеч от лидерството, колкото бяха компютрите през 1950-те години на миналия век. Разбира се, те набират скорост, но бавно.
„Квантовите изчисления могат да бъдат сравнени с бавно движещ се влак“, каза Браян Хопкинс, вицепрезидент и главен анализатор във Forrester, пред Business Insider. „Ако той се движи един инч в секунда, след месец той вече ще премине два инча в секунда.“ Съвсем скоро той ще започне да се движи по-бързо."

Големият проблем сега е, че квантовият компютър не може да направи нищо, което класическият компютър не може да направи. Индустрията очаква с нетърпение момент, наречен квантово надмощие, когато квантовите компютри ще надхвърлят настоящите ограничения.

„Когато клиентите идват при нас, основното нещо, което ни казват е, че не ги интересува какъв модел е, стига да е полезен за техния бизнес“, казва анализаторът Брис. — Няма модел, който да надмине класическите алгоритми. Наистина трябва да изчакаме, докато хардуерът на квантовия компютър започне да се подобрява.

Сътрудникът на IBM Research Кейти Пули изследва криостата, който помага на квантовите компютри да поддържат ниски температури. Снимка: Анди Арън, IBM

Големият проблем остава липсата на изчислителна мощност. Предполага се, че квантовото надмощие ще изисква компютър с мощност от 50 кубита. Въпреки че този крайъгълен камък е постигнат в лабораторията, той не е постоянен и не може да бъде поддържан. Наистина кубитите могат да бъдат както обект на грешки, така и нестабилни, което води до проблеми с генерирането им и намалява потенциала им.

Друг важен фактор е повече материал. Квантовите компютри трябва да бъдат напълно изолирани от околната среда, за да функционират и изискват много ниски температури. Дори и най-малките вибрации могат да доведат до срутване на кубитите, изхвърляйки ги от суперпозиция, точно както дете, което чука по маса, кара въртящите се монети да падат върху масата.

Предишните квантови компютри, като IBM Q System One, са толкова обемисти, че необходимите условия за изолация и охлаждане се превръщат в истинско предизвикателство. Проблемът се изостря от недостига на необходимите компоненти: свръхпроводящи кабели и нискотемпературни хладилници. Те са в остър дефицит.

В крайна сметка това означава, че въпреки че знанията се подобряват и технологиите напредват, квантовите изчисления все още не са практически осъществими.

„Едно от предизвикателствата в моята работна група е манипулирането на материали, силиций, метали, така че да можем да създадем много хомогенна среда“, каза Кларк от Intel. - Това в общи линии е най-добрата полупроводникова технология. Технологиите, от които се нуждаем, за да създадем квантово изчисление в мащаб, все още не съществуват.
Друг проблем е, че квантовите компютри имат неоспоримия потенциал да предоставят непредвидена изчислителна мощност. Въпреки това, няма много хора в този свят, които действително имат опит в програмирането или работата с тези системи, и потенциалните купувачи са очаровани, опитвайки се да разберат как всъщност да го използват.

Великата квантова надпревара

Анализаторите казват, че IBM в момента води състезанието за квантови изчисления благодарение на ограничената търговска наличност на IBM Q System One. Тъй като се осъществява достъп през облака, IBM може да поддържа тези специални условия, за да поддържа функционирането на този квантов компютър, като същевременно позволява на избрани клиенти да го използват.

„Мисля, че [квантовият компютър на IBM] се разклаща“, каза анализаторът Брис. „Мисля, че квантовото изчисление като модел на услуга е правилният модел.“ Като го поставят в контейнер и го третират специално, те наистина се опитват да подобрят качеството му.

Сара Шелдън и Пат Гуман от IBM работят върху разтварящ се хладилник, който охлажда квантовите компютри. Снимка: IBM

В същото време анализаторите отбелязват, че всеки от играчите на този пазар във всеки един момент може да направи пробив, който да му позволи да излезе напред, и че това все още е необходимо съперничество.

Различните ИТ гиганти подхождат различно към този проблем. Intel, IBM, Google и стартиращата компания за квантови изчисления Rigetti изграждат системи, базирани на свръхпроводящи вериги, захранвани от най-съвременни суперкомпютри.

Microsoft възприема напълно различен и може би по-рисков подход в опитите си да създаде по-добър кубит. Топологичният кубит, който Microsoft се опитва да създаде, фрагментира електрони, за да съхранява информация на няколко места едновременно, което я прави по-стабилна и по-малко податлива на разрушаване. Той е по-малко здрав от това, което се опитват да изградят неговите конкуренти, но резултатът ще бъде голяма стъпка напред за цялата област на квантовите изчисления, каза анализаторът Хопкинс.

„Те са заложени и много хора смятат, че никога няма да успеят“, каза Хопкинс.

От по-приключенска страна, стартиращи компании като IonQ и D-Wave залагат на авангардни технологии като улавяне на йони и квантово отгряване. Просто казано, те се опитват по различни начини да постигнат по-голяма производителност и стабилност от всеки кубит, използвайки напълно нови методи.

„Това ни позволява да изградим квантов компютър, който решава сложни проблеми и непрекъснато напредва в това“, каза Марк Джонсън, вицепрезидент по проектиране и разработка на процесори и квантов продукт в D-Wave, пред Business Insider.

Квантов учен на IBM минава през IBM Q Computing Center в изследователския център Thomas J. Watson в Йорктаун Хайтс, Ню Йорк. Снимка: Connie Zhou за IBM

Квантови стартъпи

Ръстът в квантовите изчисления предизвика вълна от инвеститорски интерес към свързани стартиращи фирми. Робърт Сутор от IBM изчислява, че има около 100 стартиращи фирми за квантов софтуер, хардуер и дори консултанти по света. Това е малко в сравнение с огромния стартъп пазар, но много по-голямо от преди.

„Бил съм в това пространство от дълго време, от самото начало“, каза Монро от IonQ. — Дълго време беше в зародиш, докато преди 5-8 години привлече вниманието и привлече огромни инвестиции. Стана ясно, че моментът е дошъл.”

Крис Монро, главен изпълнителен директор и съосновател на стартъпа за квантови изчисления IonQ. Снимка: IonQ

Някои, като Rigetti, са готови да се изправят срещу технологичните титани със собствени квантови чипове и сложни квантови изчислителни системи.

„Това е сърцевината на нашия бизнес“, каза Бетси Масиело, вицепрезидент по продуктите в Rigetti, пред Business Insider. — Има много компании в квантовото пространство, които работят върху софтуерни приложения в областта на квантовите изчисления. Ние произвеждаме микрочипове и изграждаме изчислителни системи.

Матю Кинсела, управляващ директор на Maverick Ventures, казва, че е оптимистичен в областта на квантовите изчисления. Компанията му стигна толкова далеч, че инвестира в ColdQuanta, компания, която произвежда оборудване, използвано в квантовите системи. Той очаква квантовите компютри да надминат днешните системи в рамките на пет до XNUMX години. Maverick Ventures залага на дългосрочен план.

„Наистина вярвам в квантовите изчисления, въпреки че може да отнеме повече време от очакваното, преди квантовият компютър да стане по-добър от традиционния компютър за решаване на ежедневни проблеми. Вероятно ще видим ползите от квантовите компютри при решаването на дребномащабни проблеми през следващите няколко години“, каза Кинсела.

Лабораториите 2000Q Systems на D-Wave. Снимка: D-Wave

Кинсела, подобно на анализаторите, с които говорихме, очаква така наречената „квантова зима“. Може да има шум около квантовите компютри, но хората се надяват, предупреждават експерти. Машините все още не са съвършени и ще минат години, преди инвеститорите да видят резултати.

В перспектива

Дори отвъд квантовото превъзходство, експертите ни уверяват, че все още има място за традиционните компютри и суперкомпютри. Дотогава все още има проблеми с цената, размера, надеждността и процесорната мощност, които трябва да се решат, преди да можем да ги обсъдим.

„Трябва да си поемем въздух“, каза анализаторът Брис. „В тази област се случват много вълнуващи неща, които отнемат време.“ Това е конгломерат от физика, компютърни науки и, честно казано, научен анализ. Не би трябвало да изучаваме това, ако знаехме всички отговори, но предстои много изследователска работа."

Квантов компютър Ригети. Снимка: Ригети

За мнозина обаче е ясно, че това е бъдещето. Точно както създателите на първия мейнфрейм компютър не осъзнаваха, че това в крайна сметка ще доведе до повече смартфони с размер на длан. Квантовият компютър може да бъде първата стъпка по напълно нов път.

Малцина, като вицепрезидента по корпоративното управление на Microsoft Тод Холмдал, са достатъчно оптимистични, за да кажат, че може да бъде по-значимо от изкуствения интелект и машинното обучение днес. Той казваше на децата си, че трябва да правят това, към което са страстни, и че винаги могат да си намерят работа в областта на изкуствения интелект. Сега той ще каже същото за квантовите изчисления.

„Това е област, която ще се развива. Имаме нужда от хора, които да го запълнят и да го предпазят от изсъхване“, каза Холмдал. „Това играе важна роля в нашето поколение, като ни дава възможност да създаваме невероятни неща в бъдещето.“

Източник: www.habr.com