En af de vigtigste videnskabelige opgaver i vores tid er kapløbet om at skabe den første nyttige kvantecomputer. Tusinder af fysikere og ingeniører deltager i det. IBM, Google, Alibaba, Microsoft og Intel udvikler deres egne koncepter. Hvordan vil en kraftfuld computer ændre vores verden, og hvorfor er det så vigtigt?
Forestil dig et øjeblik: en fuldt fungerende kvantecomputer er skabt. Den er blevet en naturlig del af vores liv. Om klassiske computere tales der nu kun i skolen, på historieundervisningen. Dybt nede i kolde kældre opererer kraftfulde maskiner med qubits for at støtte arbejdet af robotter udstyret med kunstig intelligens. De udfører alle farlige og monotone opgaver. Når du går en tur i parken, ser du alle mulige robotter. Menneskelignende væsener går tur med hunde, sælger is, reparerer ledninger, fejer jorden. Nogle modeller erstatter kæledyr.
Vi har fået mulighed for at afdække alle universets hemmeligheder og se ind i os selv. Medicin er nået til et nyt niveau – innovative lægemidler udvikles hver uge. Vi kan forudsige og bestemme, hvor knappe ressourcer som gas og olie befinder sig. Problemet med global opvarmning er løst, metoder til energibesparelse er optimeret, der er ikke længere trafikpropper i byerne. Kvantecomputeren styrer ikke kun alle de robotiserede maskiner, men sikrer også fri bevægelighed: den overvåger trafikforholdene, justerer ruter og overtager styringen fra chauffører, hvis det er nødvendigt. Sådan kan kvantealderen se ud.
Kvante-guldfeber
Udsigterne for anvendelsen er imponerende, så investeringerne i kvanteudvikling vokser hvert år. Det globale marked for kvantecomputing blev anslået til 81,6 millioner USD i 2018. Markedsspecialister fra Market.us forudsiger, at det vil nå 381,6 millioner USD i 2026. Det vil sige, at det vil stige med gennemsnitligt 21,26 % om året fra 2019 til 2026.
Denne vækst stimuleres af den stigende brug af kvantekryptografi i sikkerhedsapplikationer og er drevet af investeringer fra interessenter inden for kvantecomputing-markedet. Ifølge en analyse fra det videnskabelige tidsskrift Nature har private investorer finansieret mindst 52 kvanteteknologivirksomheder verden over inden begyndelsen af dette år. Store aktører som IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel og D-Wave Systems arbejder på at skabe en praktisk anvendelig kvantecomputer.
Ja, indtil videre udgør de årlige midler, der strømmer ind i dette område, blot små udgifter (til sammenligning: i 2018 udgjorde investeringerne i AI 9,3 milliarder USD). Men disse tal er betydningsfulde for en umoden sektor, der endnu ikke kan prale af effektivitetsresultater.
Løsning af kvanteproblemer
Man skal forstå, at teknologien stadig er i sin spæde start. Der er kun blevet skabt prototyper af kvantesystemer, enkelte eksperimentelle systemer. De er i stand til at udføre fixe algoritmer af lille kompleksitet. Den første 2-kubit computer blev skabt i 1998, og menneskeheden har brugt 21 år på at bringe disse enheder til det niveau, der kaldes 'kvanteoverlegenhed'. Dette begreb blev introduceret af professor John Preskill fra California Institute of Technology. Det betyder evnen hos kvanteenheder til at løse opgaver hurtigere end de mest kraftfulde klassiske computere.
Gennembruddet inden for dette område kom fra det californiske firma Google. I september 2019 meddelte virksomheden, at deres 53-kubits enhed Sycamore kunne udføre en beregning på 200 sekunder, som den mest moderne supercomputer ville bruge 10.000 år på. Udsagnet skabte mange diskussioner. IBM var kategorisk uenig i denne beregning. På deres blog skrev de, at deres supercomputer Summit ville klare denne opgave på 2,5 dage. Og alt, hvad der kræves, er at øge kapaciteten af datalagringen. Selvom forskellen ikke viste sig at være så kolossal, var Google faktisk den første, der opnåede 'kvanteoverlegenhed'. Og det er en vigtig milepæl inden for computerforskning. Men ikke mere end det. Sycamores præstation har udelukkende en demonstrativ karakter. Den har ingen praktisk anvendelse og er unyttig til løsning af virkelige opgaver.
Det primære problem er hardware. Mens traditionelle beregningsbits har værdien 0 eller 1, kan kubitter i den underlige kvanteverden befinde sig i begge tilstande samtidigt. Denne egenskab kaldes superposition. Kubitter ligner snurrende trommer: de drejer sig samtidig med uret og imod uret, og bevæger sig op og ned. Hvis du finder dette forvirrende, er du i godt selskab. Richard Feynman sagde engang: 'Hvis du tror, du forstår kvantemekanik, så forstår du den ikke.' Kække ord fra en mand, der modtog Nobelprisen for ... kvantemekanik.
Så kubitter er ekstremt ustabile og påvirket af eksterne faktorer. En bil, der kører forbi laboratoriets vinduer, den interne støj fra kølesystemet, en kosmisk partikel, der flyver forbi - enhver tilfældig forstyrrelse, enhver interaktion forstyrrer deres synkronisering og de dekohærer. Dette er skadelig for beregningerne.
Det centrale spørgsmål for udviklingen af kvanteberegning er, hvilken hardwareløsning blandt de mange, der er blevet undersøgt, der vil sikre stabiliteten af kubitterne. Den, der løser problemet med brud på koherens og gør kvantecomputere lige så almindelige som grafiske processorer, vil modtage Nobelprisen og blive den rigeste person i verden.
Vejen til kommercialisering
I 2011 blev det canadiske selskab D-Wave Systems Inc. det første til at sælge kvantecomputere, selvom deres anvendelighed er begrænset til bestemte matematiske opgaver. I de kommende måneder vil millioner af udviklere kunne begynde at bruge kvanteprocessorer via skyen — IBM har lovet at give adgang til sin 53-qubit enhed. Indtil videre har 20 virksomheder fået denne privilegerede adgang gennem et program kaldet Q Network. Blandt dem er teknikproducenten Samsung Electronics, bilproducenterne Honda Motor og Daimler, kemiske selskaber som JSR og Nagase samt bankerne JPMorgan Chase & Co. og Barclays.
Flertallet af virksomhedene, der i dag eksperimenterer med kvanteberegninger, betragter dem som en uundgåelig del af fremtiden. Deres nuværende hovedopgave er at finde ud af, hvad der fungerer inden for kvanteberegninger, og hvad der ikke gør. De er klar til at være de første til at implementere teknologien i deres forretninger, når den er klar.
Transportorganisationer. Volkswagen arbejder sammen med D-Wave om at udvikle en kvanteapplikation — et trafikstyringssystem. Det nye program vil gøre det muligt for offentlige transportorganisationer og taxiselskaber i store byer at bruge deres køretøjer mere effektivt og minimere ventetiden for passagerer.
Energi-sektoren. ExxonMobil og IBM fremmer anvendelsen af kvanteberegninger inden for energisektoren. De fokuserer på at udvikle en række nye energiteknologier, forbedre energieffektiviteten og reducere drivhusgasemissioner. Omfanget og kompleksiteten af de udfordringer, som energisektoren står over for, overstiger hvad moderne traditionelle computere kan håndtere og er velegnede til testning på kvantecomputere.
Farmaceutiske virksomheder. Accenture Labs samarbejder med 1QBit, en udvikler af kvante-software. På kun 2 måneder er de gået fra forskning til konceptvalidering — anvendelsen af en applikation til modellering af komplekse molekylære interaktioner på atomniveau. Takket være kvanteberegningernes kraft er det muligt at analysere større molekyler. Hvad vil det betyde for samfundet? Innovative lægemidler med færre bivirkninger.
Finanssektoren. Teknologier baseret på principperne for kvanteteori tiltrækker i stigende grad interessen fra banker. De er interesserede i så hurtigt som muligt at behandle transaktioner, handler og andre former for data. Barclays og JP Morgan Chase (sammen med IBM) samt NatWest (sammen med Fujitsu) er allerede i gang med at eksperimentere med udviklingen af specialiseret software.
Accepten fra sådanne store virksomheder og fremkomsten af initiativrige kvantepionerer tyder på, at kvanteteknologi har kommerciel levedygtighed. Vi ser allerede, hvordan kvantecomputing bruges til virkelige verdensopgaver — fra at forbedre energieffektivitet til at optimere transportveje. Og vigtigst af alt, værdien af teknologien vil stige i takt med dens udvikling.
Kilde: habr.com
