Jim Clark, ředitel kvantového hardwaru společnosti Intel, s jedním z kvantových procesorů společnosti. Fotografie; Intel
- Квантовые компьютеры — чрезвычайно захватывающая технология, подающая надежды на создание мощных вычислительных возможностей для решение ранее неразрешимых проблем.
- Odborníci tvrdí, že IBM je v oblasti kvantových počítačů v čele, a proto jsou pod jejím vlivem Google, Intel, Microsoft a řada startupů.
- Инвесторов привлекают стартапы в области квантовых вычислений, в их числе IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems и Rigetti, которые смогут изменить этот рынок.
- Má to však háček: moderní kvantové počítače obecně nejsou tak výkonné ani spolehlivé jako dnešní superpočítače a navíc vyžadují speciální podmínky pro spuštění a spuštění.
V lednu IBM udělalo vlny, když oznámilo IBM Q System One, první kvantový počítač na světě dostupný pro podnikání. Zařízení bylo umístěno v elegantní skleněné vitríně o objemu 9 kubických stop.
To je důležitý milník pro kvantové počítače, které jsou stále umístěny ve výzkumných laboratořích. Podle IBM se kupující již snaží dostat do rukou technologii, která je slibná v různých oblastech: chemie, věda o materiálech, výroba potravin, letecký průmysl, vývoj léků, prognózy akciového trhu a dokonce i změna klimatu.
IBM Q System One. Foto: IBM
Důvodem vzrušení je, že kvantový počítač má zdánlivě magické vlastnosti, které mu umožňují zpracovat exponenciálně více informací než konvenční systém. Kvantový počítač není jen velmi rychlý počítač, přesněji je to úplně jiné výpočetní paradigma, které vyžaduje radikální přehodnocení.
Vítězem technologického závodu se stane společnost, která využije příležitostí, které tato technologie poskytuje. Na tuto technologii sází IBM, Microsoft, Google a další techničtí giganti, ale i startupy.
Business Insider se zeptal viceprezidenta IBM Q Strategy and Ecosystem Boba Sutora na to, jak tyto systémy zpřístupnit lidem: Jak k nim budou lidé přistupovat? Jak se může mnoho lidí naučit používat kvantové počítače k plnění svých úkolů?
Мало шансов увидеть квантовые компьютеры в офисе в ближайшее время. Эксперты, с которыми мы поговорили, считают, что, несмотря на то, что они доступны IBM, пройдет еще пять-десять лет, прежде чем квантовые вычисления действительно станут мейнстримом. IBM Q System One в настоящее время доступна только в качестве службы облачных вычислений для избранных покупателей. Пройдет еще какое-то время, прежде чем что-то подобное люди смогут приобрести и заставить работать в личных целях.
Odborníci skutečně říkají, že kvantové počítače jsou velmi slibné, ale k masové výrobě mají daleko. Jsou extrémně křehké a vyžadují speciální podmínky pro práci. Navíc dnešní kvantové počítače nejsou tak spolehlivé ani výkonné jako počítače, které již máme.
„Věříme, že zhruba za deset let změní kvantový počítač váš nebo můj život,“ řekl pro Business Insider Jim Clark, ředitel kvantového hardwaru ve společnosti Intel. — Ve skutečnosti jsme nyní teprve na první míli maratonu. To neznamená, že nás to nezajímá."
Co je to kvantový počítač?
Однажды Билл Гейтс сказал, что математика, лежащая в основе кванта, была за пределами его понимания, но не все с этим согласились.
"Je to trochu mylná představa, že kvantová fyzika je fyzika a je příliš komplikovaná," říká Chris Monroe, CEO a spoluzakladatel IonQ, Business Insider. "Pro mnoho lidí je to nepochopitelné je to, že je to nepochopitelné, ale pro mě je to stejně nepochopitelné jako pro tebe." Pokud něco může být v superpozici, znamená to, že to může být ve dvou stavech současně. Je to zvláštní, protože tohle v reálném světě nezažíváme.“
Počítače, které jsme použili, zobrazují data jako řetězec 1 nebo 0 s názvem binární kód. Kvantový počítač však může reprezentovat data jako 1, 0 nebo, což je nejdůležitější, obě čísla současně.
Když systém může být ve více než jednom stavu současně, nazývá se to „superpozice“, jedna ze zdánlivě magických vlastností kvantového počítání. Dalším klíčovým principem je zde „zapletení“, což je kvantová vlastnost, která umožňuje dvěma částicím pohybovat se v dokonalé synchronizaci, bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou fyzicky odděleny.
Jak vysvětluje ve Scientific American se tyto dvě vlastnosti spojují a vytvářejí počítač, který dokáže zpracovat mnohem více dat současně než jakýkoli systém na současném trhu.
Výkon kvantového počítače se měří v qubitech, což je základní jednotka měření v kvantovém počítači. Stejně jako moderní počítače mají 32bitové nebo 64bitové procesory (míra toho, kolik dat mohou zpracovat najednou), kvantový počítač s více qubity má výrazně vyšší výpočetní výkon.
Uvnitř kvantového počítače. Foto: IBM
Obloha je limit
To vše znamená, že kvantový počítač dokáže řešit problémy, které byly dříve limitovány výpočetním výkonem.
Například kvantový počítač by mohl hrubě vyřešit slavný problém obchodního cestujícího, složitý výpočetní problém, který před návratem domů vyžaduje nalezení nejkratší cesty mezi více městy. Zní to jednoduše, ale podíváte-li se na to matematicky, nalezení jediné optimální cesty bude obtížnější, protože na její trasu přidáte další města.
Точно так же квантовый компьютер мог бы пробраться через самые хитрые, самые трудоемкие задачи, отсеивая огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения. Действительно, квантовый стартап D-Wave уже сотрудничает с Volkswagen, чтобы проанализировать модели движения и отсеять огромное количество помех для того, чтобы добраться до сути.
Обсуждается его полезность в сфере криптографии. Квантовый компьютер способен осилить метод шифрования, отличный от ранее известного шифра, что позволяет ему легко расшифровать даже государственную тайну. Проявляется большой интерес со стороны мировых правительств к этой полезной функции, в то время как активисты опасаются, что появление квантовых вычислений может уничтожить конфиденциальность.
Fyzikální problém
„Vzhledem k tomu, že kvantové výpočty jsou stále v rané fázi, existuje mnoho informací, které zůstávají neprokázané,“ řekl Matthew Briss, viceprezident výzkumu a vývoje společnosti Gartner. „Kupující však již hledají aplikace, které jim umožní určit konkurenční výhody kvantové výpočetní techniky pro jejich podnikání,“ říká.
Navzdory všemu humbuku se odborníci domnívají, že kvantové počítače nejsou tak daleko, aby vedly jako PC v 1950. letech minulého století. Samozřejmě nabírají na síle, ale pomalu.
„Kvantové výpočty lze přirovnat k pomalu jedoucímu vlaku,“ řekl pro Business Insider Brian Hopkins, viceprezident a hlavní analytik společnosti Forrester. "Pokud se bude pohybovat o jeden palec za sekundu, pak za měsíc uběhne již dva palce za sekundu." Brzy se začne pohybovat rychleji."
Velkým problémem je nyní to, že kvantový počítač neumí nic, co by nedokázal klasický počítač. Průmysl se těší na okamžik zvaný kvantová nadvláda, kdy kvantové počítače překročí současná omezení.
„Když k nám zákazníci přijdou, hlavní věc, kterou nám říkají, je, že je jim jedno, jaký model to je, pokud je to užitečné pro jejich podnikání,“ říká analytik Briss. — Neexistuje žádný model, který by dokázal překonat klasické algoritmy. Opravdu musíme počkat, až se hardware kvantového počítače začne zlepšovat.“
Katie Pooley, výzkumná pracovnice IBM, zkoumá kryostat, který pomáhá kvantovým počítačům udržovat nízké teploty. Foto: Andy Aaron, IBM
Velkým problémem zůstává nedostatek výpočetního výkonu. Předpokládá se, že kvantová nadvláda bude vyžadovat počítač s výkonem 50 qubitů. Přestože tohoto milníku bylo dosaženo v laboratoři, není trvalé a nelze jej udržet. Ve skutečnosti mohou qubity podléhat chybám a mohou být nestabilní, což vede k problémům s jejich generováním a snižuje jejich potenciál.
Другой важный фактор — более материальный. Квантовые компьютеры должны быть полностью изолированы от окружающей среды, чтобы функционировать, и им требуются очень низкие температуры. Даже самые слабые вибрации могут привести к разрушению кубитов, выводя их из суперпозиции, подобно тому, как ребенок, стуча по столу, заставляет вращающиеся монеты падать на стол.
Предыдущие квантовые компьютеры, такие как IBM Q System One, настолько громоздкие, что необходимые условия изоляции и охлаждения становятся реальной проблемой. Усугубляют данную проблему нехватка необходимых компонентов: сверхпроводных кабелей и низкотемпературных рефрижераторов. Они в сильном дефиците.
V konečném důsledku to znamená, že ačkoli se znalosti zlepšují a technologie postupují, kvantové výpočty stále nejsou prakticky proveditelné.
«Одной из проблем в моей рабочей группе является манипулирование материалами, кремнием, металлами, чтобы мы могли создать очень однородную среду, — сказал Кларк из Intel. — Это в основном самая лучшая полупроводниковая техника. Технологий, которые нам нужны для создания квантовых вычислений в больших масштабах, пока не существует».
Dalším problémem je, že kvantové počítače mají nepopiratelný potenciál poskytovat nepředvídaný výpočetní výkon. V tomto světě však není mnoho lidí, kteří by skutečně měli zkušenosti s programováním nebo provozováním těchto systémů, a potenciální kupci jsou fascinováni snahou přijít na to, jak je skutečně používat.
Великая квантовая гонка
Analytici tvrdí, že IBM v současné době vede v kvantovém výpočetním závodě díky omezené komerční dostupnosti IBM Q System One. Vzhledem k tomu, že se k němu přistupuje prostřednictvím cloudu, může IBM zachovat tyto speciální podmínky, aby tento kvantový počítač zůstal funkční a zároveň jej mohl používat vybraným zákazníkům.
«Я думаю, что [квантовый компьютер IBM] раскачивается, — сказал аналитик Брисс. — Я думаю, что модель квантовых вычислений в качестве сервиса — верная модель. Поместив ее в контейнер и обращаясь с конкретными задачами, они действительно пытаются улучшить его качество».
Sarah Sheldon a Pat Gumann z IBM pracují na rozpouštěcí chladničce, která chladí kvantové počítače. Foto: IBM
Analytici zároveň poznamenávají, že kterýkoli z hráčů na tomto trhu může mít kdykoli průlom, který mu umožní dostat se dopředu, a že se stále jedná o nezbytnou rivalitu.
Různí IT giganti k tomuto problému přistupují různě. Intel, IBM, Google a startup Rigetti pro kvantové výpočty budují systémy založené na supravodivých obvodech poháněných nejmodernějšími superpočítači.
zaujímá zcela odlišný a možná riskantnější přístup ve snaze vytvořit lepší qubit. Topologický qubit, který se Microsoft snaží vytvořit, fragmentuje elektrony pro ukládání informací na více místech najednou, čímž je stabilnější a méně náchylný ke zničení. Je méně robustní než to, co se snaží vybudovat jeho konkurenti, ale výsledek by byl velkým krokem vpřed pro celou oblast kvantových počítačů, řekl analytik Hopkins.
"Hrají a mnoho lidí si myslí, že nikdy neuspějí," řekl Hopkins.
Na dobrodružnější straně začínají startupy jako IonQ a D-Wave sázet na špičkové technologie, jako je zachycování iontů a kvantové žíhání. Jednoduše řečeno, snaží se různými způsoby dosáhnout většího výkonu a stability z každého qubitu pomocí zcela nových metod.
«Это позволяет нам создавать квантовый компьютер, который решает сложные задачи и непрерывно прогрессирует в этом», — заявил Business Insider Марк Джонсон, вице-президент по проектированию и разработке процессоров и квантовых продуктов в D-Wave.
Kvantový vědec IBM prochází IBM Q Computing Center ve Výzkumném centru Thomase J. Watsona v Yorktown Heights v New Yorku. Foto: Connie Zhou pro IBM
Quantum Startups
Nárůst kvantových počítačů vyvolal vlnu zájmu investorů o související startupy. Robert Sutor z IBM odhaduje, že po celém světě existuje asi 100 kvantových softwarových, hardwarových a dokonce poradenských startupů. To je ve srovnání s obrovským startupovým trhem malé, ale mnohem větší než dříve.
«Я в этой сфере очень долго, с самого начала, — заявил Монро из IonQ. — Долгое время она находилась в зачаточном состоянии, пока 5-8 лет назад не обратила на себя внимание, и привлекла огромные инвестиции. Стало понятно, что время пришло».
Крис Монро, генеральный директор и соучредитель стартапа квантовых вычислений IonQ. Фото: IonQ
Někteří, jako Rigetti, jsou připraveni jít po špičkách s technologickými titány s vlastními kvantovými čipy a sofistikovanými kvantovými výpočetními systémy.
„Je to jádro našeho podnikání,“ řekla pro Business Insider Betsy Masiello, viceprezidentka pro produkty společnosti Rigetti. — V kvantovém prostoru existuje mnoho společností, které pracují na softwarových aplikacích v oblasti kvantových počítačů. Vyrábíme mikročipy a stavíme výpočetní systémy.“
Matthew Kinsella, výkonný ředitel Maverick Ventures, říká, že je v oblasti kvantových počítačů optimistický. Jeho společnost zašla tak daleko, že investovala do ColdQuanta, společnosti, která vyrábí zařízení používaná v kvantových systémech. Očekává, že kvantové počítače do pěti až XNUMX let překonají výkon dnešních systémů. Maverick Ventures sází na dlouhodobý horizont.
„Opravdu věřím v kvantové výpočty, i když to může trvat déle, než se očekávalo, než se kvantový počítač stane lepším než tradiční počítač pro řešení každodenních problémů. V příštích několika letech pravděpodobně uvidíme výhody kvantových počítačů při řešení problémů malého rozsahu,“ řekl Kinsella.
Laboratoře 2000Q Systems společnosti D-Wave. Foto: D-Wave
Kinsella, stejně jako analytici, se kterými jsme mluvili, očekává takzvanou „kvantovou zimu“. Kolem kvantových počítačů může být humbuk, ale lidé vkládají své naděje, varují odborníci. Stroje ještě nejsou dokonalé a bude trvat roky, než investoři uvidí výsledky.
V perspektivě
I za kvantovou nadvládou nás odborníci ujišťují, že stále existuje místo pro tradiční počítače a superpočítače. Do té doby je stále potřeba vyřešit problémy s cenou, velikostí, spolehlivostí a výkonem, než o tom budeme moci diskutovat.
"Musíme se nadechnout," řekl analytik Briss. "V této oblasti se děje spousta vzrušujících věcí, které zabírají čas." Je to konglomerát fyziky, informatiky a, upřímně řečeno, vědecké analýzy. Nemuseli bychom to studovat, kdybychom znali všechny odpovědi, ale před námi je spousta výzkumné práce.“
Kvantový počítač Rigetti. Foto: Rigetti
Mnohým je však jasné, že jde o budoucnost. Stejně jako si tvůrci prvního sálového počítače neuvědomili, že to nakonec povede k většímu počtu smartphonů velikosti dlaně. Kvantový počítač by mohl být prvním krokem na zcela nové cestě.
Málokdo, jako viceprezident pro správu a řízení společnosti Microsoft Todd Holmdahl, je dostatečně optimistický, aby řekl, že by to mohlo být významnější než umělá inteligence a strojové učení dnes. Svým dětem říkal, že by měly dělat to, co je baví, a že vždy mohou získat práci v umělé inteligenci. Nyní řekne totéž o kvantovém počítání.
„Toto je oblast, která se bude rozvíjet. Potřebujeme lidi, aby to naplnili a zabránili tomu, aby vyschla,“ řekl Holmdahl. "Hraje důležitou roli v naší generaci a dává nám příležitost vytvářet úžasné věci v budoucnu."
Zdroj: www.habr.com