En af vor tids største videnskabelige udfordringer er blevet kapløbet om at skabe den første nyttige kvantecomputer. Tusindvis af fysikere og ingeniører deltager i det. IBM, Google, Alibaba, Microsoft og Intel udvikler deres koncepter. Hvordan vil en kraftfuld computerenhed ændre vores verden, og hvorfor er den så vigtig?
Forestil dig et øjeblik: en fuldgyldig kvantecomputer er blevet skabt. Det er blevet et velkendt og naturligt element i vores liv. Klassiske beregninger taler man nu kun om i skolen, i historietimerne. Et sted dybt inde i kolde kældre opererer kraftfulde maskiner på qubits for at drive kunstigt intelligente robotter. De udfører alle de farlige og simpelthen monotone opgaver. Når du går gennem parken, ser du dig omkring og ser alle slags robotter. Menneskelignende væsner går tur med hunde, sælger is, reparerer elektriske ledninger og fejer området. Nogle modeller erstatter kæledyr.
Vi fik muligheden for at afsløre alle universets hemmeligheder og se ind i os selv. Medicin har nået et nyt niveau - innovative lægemidler udvikles hver uge. Vi kan forudsige og bestemme, hvor knappe ressourcer såsom gas og olie er placeret. Problemet med global opvarmning er løst, energibesparelsesmetoderne er blevet optimeret, og der er ikke flere trafikpropper i byerne. Kvantecomputeren styrer ikke kun alle robotbiler, men sikrer også fri bevægelighed: den overvåger situationen på vejene, justerer ruter og overtager kontrollen fra chaufførerne, hvis det er nødvendigt. Sådan kan kvantealderen se ud.
Quantum Gold Rush
Ansøgningsmulighederne er fantastiske, og derfor vokser investeringerne i kvanteudvikling hvert år. Det globale kvantecomputermarked blev vurderet til $81,6 millioner i 2018. Market.us-eksperter anslår, at det i 2026 vil nå $381,6 millioner. Det vil sige, at den i gennemsnit vil stige med 21,26 % om året fra 2019 til 2026.
Denne vækst er drevet af den voksende brug af kvantekryptografi i sikkerhedsapplikationer og drevet af investeringer fra interessenter på kvantecomputermarkedet. I begyndelsen af dette år havde private investorer finansieret mindst 52 kvanteteknologivirksomheder verden over, ifølge en analyse fra det videnskabelige tidsskrift Nature. Store aktører som IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel og D-Wave Systems kæmper for at skabe en praktisk anvendelig kvantecomputer.
Ja, så længe de penge, der strømmer til dette område hvert år, repræsenterer et lille udlæg (sammenlignet med $2018 milliarder i AI-investering i 9,3). Men disse tal er vigtige for en umoden industri, der endnu ikke kan prale af præstationsindikatorer.
Løsning af kvanteproblemer
Du skal forstå, at teknologien i dag stadig er i sin vorden. Det var muligt kun at skabe prototyper af kvantemaskiner og enkelte eksperimentelle systemer. De er i stand til at udføre faste algoritmer med lav kompleksitet. Den første 2-qubit computer blev skabt i 1998, og det tog menneskeheden 21 år at bringe enhederne til det rette niveau, den såkaldte "kvanteoverherredømme". Dette udtryk blev opfundet af Caltech-professor John Preskill. Og det betyder kvanteenheders evne til at løse problemer hurtigere end de mest kraftfulde klassiske computere.
Et gennembrud på dette område blev lavet af den californiske virksomhed Google. I september 2019 annoncerede selskabet, at dets 53-qubit Sycamore-enhed gennemførte en beregning på 200 sekunder, som ville tage en avanceret supercomputer 10 år at gennemføre. Udtalelsen vakte en del polemik. IBM var kategorisk uenig i sådanne beregninger. I sin blog skrev virksomheden, at dens Summit-supercomputer vil klare denne opgave om 000 dage. Og alt, hvad der er nødvendigt, er at øge diskens lagerkapacitet. Selvom forskellen i virkeligheden ikke var så kolossal, var Google faktisk den første til at opnå "kvanteoverherredømme". Og dette er en vigtig milepæl inden for computerforskning. Men intet mere. Sycamores bedrift er udelukkende til demonstrationsformål. Det har ingen praktisk anvendelse og er ubrugeligt til at løse reelle problemer.
Hovedproblemet er hardwaren. Mens traditionelle beregningsbit har en værdi på 0 eller 1, kan qubits i den mærkelige kvanteverden være i begge tilstande på samme tid. Denne egenskab kaldes superposition. Qubits er som snurretoppe: de roterer både med uret og mod uret, bevæger sig op og ned. Hvis du finder dette forvirrende, så er du i godt selskab. Richard Feynman sagde engang: "Hvis du tror, du forstår kvantemekanik, forstår du det ikke." Modige ord fra manden, der vandt Nobelprisen for... kvantemekanik.
Så qubits er ekstremt ustabile og underlagt ydre påvirkninger. En bil, der passerer under laboratorievinduerne, den interne støj fra kølesystemet, en flyvende kosmisk partikel - enhver tilfældig interferens, enhver interaktion forstyrrer deres synkronicitet, og de dekoherer. Dette er skadeligt for computeren.
Nøglespørgsmålet for udviklingen af quantum computing er, hvilken hardwareløsning fra de mange undersøgte der vil sikre stabiliteten af qubits. Den, der løser sammenhængsproblemet og gør kvantecomputere lige så almindelige som GPU'er, vil vinde Nobelprisen og blive den rigeste person i verden.
Vejen til kommercialisering
I 2011 har det canadiske firma D-Wave Systems Inc. var den første til at sælge kvantecomputere, selvom deres anvendelighed er begrænset til visse matematiske problemer. Og i de kommende måneder vil millioner af udviklere kunne begynde at bruge kvanteprocessorer gennem skyen – IBM lover at give adgang til sin 53-qubit enhed. Indtil videre har 20 virksomheder modtaget dette privilegium under et program kaldet Q Network. Blandt dem er udstyrsproducenten Samsung Electronics, bilproducenterne Honda Motor og Daimler, kemivirksomhederne JSR og Nagase, bankerne JPMorgan Chase & Co. og Barclays.
De fleste virksomheder, der eksperimenterer med kvantecomputere i dag, ser det som en integreret del af fremtiden. Deres hovedmission er nu at finde ud af, hvad der virker i kvantecomputere, og hvad der ikke gør. Og vær klar til at være den første til at introducere teknologi i virksomheden, når den er klar.
Transportorganisationer. Volkswagen er sammen med D-Wave ved at udvikle en kvanteapplikation – et trafikkontrolsystem. Det nye program vil gøre det muligt for offentlige transportorganisationer og taxaselskaber i store byer at bruge deres flåde mere effektivt og minimere passagerernes ventetid.
Energisektoren. ExxonMobil og IBM fremmer brugen af kvantecomputere i energisektoren. De er fokuseret på at udvikle en række nye energiteknologier, forbedre energieffektiviteten og reducere drivhusgasemissioner. Omfanget og kompleksiteten af de udfordringer, som energisektoren står over for, ligger uden for rækkevidden af nutidens traditionelle computere og er velegnede til at teste på kvantecomputere.
Farmaceutiske virksomheder. Accenture Labs samarbejder med 1QBit, en kvantesoftwarevirksomhed. På kun 2 måneder gik de fra forskning til proof-of-concept - ved at bruge en applikation til at modellere komplekse molekylære interaktioner på atomniveau. Takket være kraften ved kvanteberegning er det nu muligt at analysere større molekyler. Hvad vil det give samfundet? Innovative lægemidler med færrest bivirkninger.
Finansiel sektor. Teknologier baseret på kvanteteoriens principper tiltrækker i stigende grad bankernes interesse. De er interesserede i at behandle transaktioner, handler og andre typer data så hurtigt som muligt. Barclays og JP Morgan Chase (med IBM) samt NatWest (med Fujitsu) udfører allerede deres eksperimenter med udvikling af specialiseret software.
Sådanne store virksomheders accept og fremkomsten af driftige kvantepionerer taler meget om kvantes kommercielle levedygtighed. Vi ser allerede, at kvantecomputere bliver anvendt på problemer i den virkelige verden, fra forbedring af energieffektiviteten til optimering af køretøjsruter. Og vigtigst af alt vil værdien af teknologien stige, efterhånden som den udvikler sig.
Kilde: www.habr.com