Jednou z hlavních vědeckých výzev naší doby se stal závod o vytvoření prvního užitečného kvantového počítače. Podílejí se na něm tisíce fyziků a inženýrů. IBM, Google, Alibaba, Microsoft a Intel vyvíjejí své koncepty. Jak výkonné výpočetní zařízení změní náš svět a proč je tak důležité?
Představte si na okamžik: byl vytvořen plnohodnotný kvantový počítač. Stalo se známým a přirozeným prvkem našeho života. O klasických výpočtech se teď mluví jen ve škole, v hodinách dějepisu. Někde hluboko v chladných sklepích fungují výkonné stroje na qubity, které pohánějí uměle inteligentní roboty. Provádějí všechny nebezpečné a jednoduše monotónní úkoly. Při procházce parkem se rozhlížíte a vidíte všechny druhy robotů. Humanoidní stvoření venčí psy, prodávají zmrzlinu, opravují elektrické rozvody a zametají okolí. Některé modely nahrazují domácí mazlíčky.
Dostali jsme příležitost odhalit všechna tajemství Vesmíru a nahlédnout do sebe. Medicína dosáhla nové úrovně – každý týden se vyvíjejí inovativní léky. Můžeme předvídat a určit, kde se nacházejí vzácné zdroje, jako je plyn a ropa. Problém globálního oteplování byl vyřešen, metody úspory energie byly optimalizovány a ve městech již nejsou žádné dopravní zácpy. Kvantový počítač nejen řídí všechna robotická auta, ale zajišťuje i volný pohyb: sleduje situaci na silnicích, upravuje trasy a v případě potřeby přebírá řízení od řidičů. Takhle by mohl vypadat kvantový věk.
Kvantová zlatá horečka
Vyhlídky aplikace jsou úžasné, a proto investice do kvantového vývoje každým rokem rostou. Globální trh s kvantovými počítači byl v roce 81,6 oceněn na 2018 milionu dolarů. Experti Market.us odhadují, že do roku 2026 dosáhne 381,6 milionu dolarů. To znamená, že od roku 21,26 do roku 2019 poroste v průměru o 2026 % ročně.
Tento růst je podporován rostoucím využíváním kvantové kryptografie v bezpečnostních aplikacích a tažen investicemi od investorů na trhu kvantových počítačů. Podle analýzy vědeckého časopisu Nature do začátku letošního roku soukromí investoři financovali nejméně 52 kvantových technologických společností po celém světě. Velcí hráči jako IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel a D-Wave Systems se snaží vytvořit prakticky použitelný kvantový počítač.
Ano, pokud peníze proudící do této oblasti každý rok představují malé výdaje (ve srovnání s 2018 miliardami dolarů v investicích do AI v roce 9,3). Ale tato čísla jsou významná pro nevyzrálé odvětví, které se ještě nemůže pochlubit výkonnostními ukazateli.
Řešení kvantových problémů
Musíte pochopit, že dnes je tato technologie stále v plenkách. Bylo možné vytvořit pouze prototypy kvantových strojů a jednotlivých experimentálních systémů. Jsou schopny provádět pevné algoritmy s nízkou složitostí. První 2-qubitový počítač byl vytvořen v roce 1998 a lidstvu trvalo 21 let, než přivedlo zařízení na správnou úroveň, takzvanou „kvantovou nadvládu“. Tento termín byl vytvořen profesorem Caltechu Johnem Preskillem. A to znamená schopnost kvantových zařízení řešit problémy rychleji než nejvýkonnější klasické počítače.
Průlom v této oblasti udělala kalifornská společnost Google. V září 2019 korporace oznámila, že její 53-qubitové zařízení Sycamore dokončilo výpočet za 200 sekund, jehož dokončení by nejmodernějšímu superpočítači trvalo 10 000 let. Prohlášení vyvolalo mnoho kontroverzí. IBM s takovými výpočty kategoricky nesouhlasila. Na svém blogu společnost napsala, že její superpočítač Summit se s tímto úkolem vypořádá za 2,5 dne. A vše, co je potřeba, je zvýšit kapacitu úložiště na disku. Ačkoli ve skutečnosti rozdíl nebyl tak kolosální, Google byl skutečně první, kdo dosáhl „kvantové nadvlády“. A to je důležitý milník v počítačovém výzkumu. Ale nic víc. Sycamoreův počin je čistě pro demonstrační účely. Nemá praktické využití a pro řešení skutečných problémů je k ničemu.
Hlavním problémem je hardware. Zatímco tradiční výpočetní bity mají hodnotu 0 nebo 1, v podivném kvantovém světě mohou být qubity v obou stavech současně. Tato vlastnost se nazývá superpozice. Qubity jsou jako káči: otáčejí se ve směru i proti směru hodinových ručiček, pohybují se nahoru a dolů. Pokud vám to připadá matoucí, jste ve skvělé společnosti. Richard Feynman jednou řekl: "Pokud si myslíte, že rozumíte kvantové mechanice, nerozumíte jí." Statečná slova muže, který získal Nobelovu cenu za... kvantovou mechaniku.
Takže qubity jsou extrémně nestabilní a podléhají vnějším vlivům. Auto projíždějící pod okny laboratoře, vnitřní hluk chladicího systému, létající kosmická částice – jakákoli náhodná interference, jakákoliv interakce narušuje jejich synchronicitu a dekoherují. To je škodlivé pro výpočetní techniku.
Klíčovou otázkou pro vývoj kvantového počítání je, které hardwarové řešení z mnoha prozkoumaných zajistí stabilitu qubitů. Kdo vyřeší problém koherence a udělá kvantové počítače tak běžné jako GPU, vyhraje Nobelovu cenu a stane se nejbohatším člověkem na světě.
Cesta ke komercializaci
V roce 2011 kanadská společnost D-Wave Systems Inc. byl první, kdo prodal kvantové počítače, i když jejich užitečnost je omezena na určité matematické problémy. A v nadcházejících měsících budou moci miliony vývojářů začít využívat kvantové procesory prostřednictvím cloudu – IBM slibuje, že poskytne přístup ke svému 53qubitovému zařízení. Doposud tuto výsadu získalo 20 společností v rámci programu s názvem Q Network. Patří mezi ně výrobce zařízení Samsung Electronics, automobilky Honda Motor a Daimler, chemické společnosti JSR a Nagase, banky JPMorgan Chase & Co. a Barclays.
Většina společností, které dnes experimentují s kvantovými počítači, je považuje za nedílnou součást budoucnosti. Jejich hlavním posláním je nyní zjistit, co v kvantových počítačích funguje a co ne. A buďte připraveni být první, kdo zavede technologii do podnikání, až bude připravena.
Dopravní organizace. Volkswagen společně s D-Wave vyvíjí kvantovou aplikaci – systém řízení dopravy. Nový program umožní organizacím veřejné dopravy a taxislužbám ve velkých městech efektivněji využívat svůj vozový park a minimalizovat čekací dobu cestujících.
Energetický sektor. ExxonMobil a IBM propagují využití kvantových počítačů v energetickém sektoru. Zaměřují se na vývoj řady nových energetických technologií, zlepšování energetické účinnosti a snižování emisí skleníkových plynů. Rozsah a složitost výzev, kterým čelí energetický sektor, přesahuje rámec dnešních tradičních počítačů a jsou vhodné pro testování na kvantových počítačích.
Farmaceutické společnosti. Accenture Labs spolupracuje s 1QBit, společností zabývající se kvantovým softwarem. Za pouhé 2 měsíce přešli od výzkumu k proof-of-concept – pomocí aplikace k modelování složitých molekulárních interakcí na atomových úrovních. Díky síle kvantového počítání je nyní možné analyzovat větší molekuly. Co to dá společnosti? Inovativní léky s nejmenšími vedlejšími účinky.
Finanční sektor. Technologie založené na principech kvantové teorie přitahují stále větší zájem bank. Mají zájem zpracovat transakce, obchody a další typy dat co nejrychleji. Barclays a JP Morgan Chase (s IBM), stejně jako NatWest (s Fujitsu) již provádějí své experimenty ve vývoji specializovaného softwaru.
Přijetí takovými velkými korporacemi a nástup podnikavých kvantových průkopníků vypovídají o komerční životaschopnosti kvanta. Již nyní jsme svědky aplikace kvantových počítačů na problémy reálného světa, od zlepšování energetické účinnosti po optimalizaci tras vozidel. A co je důležité, hodnota technologie se bude s vývojem zvyšovat.
Zdroj: www.habr.com