Jim Clark, direktør for kvantehardware hos Intel, med en af virksomhedens kvanteprocessorer. Foto; Intel
- Kvantecomputere er en ekstremt spændende teknologi, der holder løftet om at skabe kraftfulde computeregenskaber til at løse tidligere vanskelige problemer.
- Eksperter siger, at IBM har ført an inden for kvantecomputere, og derfor er Google, Intel, Microsoft og en lang række startups under dens indflydelse.
- Investorer tiltrækkes af quantum computing startups, herunder IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems og Rigetti, som kan forstyrre markedet.
- Der er dog en hage: Moderne kvantecomputere er generelt ikke så kraftige eller pålidelige som nutidens supercomputere, og de kræver også særlige forhold for at starte op og starte op.
I januar skabte IBM bølger, da det annoncerede IBM Q System One, verdens første kvantecomputer til rådighed for erhvervslivet. Enheden var anbragt i en slank glaskasse med et volumen på 9 kubikfod.
Dette er en vigtig milepæl for kvantecomputere, som stadig er placeret i forskningslaboratorier. Ifølge IBM søger købere allerede efter at få fingrene i teknologien, som viser lovende på en række områder: kemi, materialevidenskab, fødevarefremstilling, rumfart, lægemiddeludvikling, aktiemarkedsprognoser og endda klimaændringer.
IBM Q System One. Foto: IBM
Årsagen til begejstringen er, at en kvantecomputer har tilsyneladende magiske egenskaber, der tillader den at behandle eksponentielt mere information end et konventionelt system. En kvantecomputer er ikke bare en meget hurtig computer; mere præcist er det et helt andet computerparadigme, der kræver radikal gentænkning.
Vinderen i teknologikapløbet bliver den virksomhed, der udnytter de muligheder, som denne teknologi giver. IBM, Microsoft, Google og andre teknologigiganter samt startups satser på denne teknologi.
Business Insider spurgte IBM Q Strategy and Ecosystem Vice President Bob Sutor om, hvordan man gør disse systemer tilgængelige for folk: Hvordan vil folk få adgang til dem? Hvordan kan mange mennesker lære at bruge kvantecomputere til at udføre deres opgaver?
Der er ringe chance for at se kvantecomputere på kontoret når som helst snart. Eksperter, vi har talt med, mener, at på trods af at de er tilgængelig for IBM, vil der gå yderligere fem til ti år, før kvantecomputere virkelig rammer mainstream. IBM Q System One er i øjeblikket kun tilgængelig som en cloud computing-tjeneste til udvalgte kunder. Det vil tage noget tid, før folk kan købe sådan noget og sætte det i gang til deres egne formål.
Faktisk siger eksperter, at kvantecomputere lover meget, men de er langt fra masseproduktion. De er ekstremt skrøbelige og kræver særlige forhold for at fungere. Desuden er kvantecomputere i dag ikke så pålidelige eller så kraftfulde som de computere, vi allerede har.
"Vi tror på, at en kvantecomputer om cirka ti år vil ændre dit eller mit liv," siger Jim Clark, direktør for kvantehardware hos Intel, til Business Insider. — Faktisk er vi nu kun i den første kilometer af maraton. Det betyder ikke, at vi ikke er bekymrede over det."
Hvad er en kvantecomputer?
Bill Gates sagde engang, at matematikken bag kvante var uden for hans forståelse, men ikke alle var enige.
"Det er lidt af en misforståelse, at kvantefysik er fysik, og det er for kompliceret," siger Chris Monroe, CEO og medstifter af IonQ, til Business Insider. "Det, der gør det uforståeligt for mange mennesker, er, at det er uforståeligt, men det er lige så uforståeligt for mig, som det er for dig." Hvis noget kan være i en superposition, betyder det, at det kan være i to tilstande på samme tid. Det er mærkeligt, fordi vi ikke oplever det her i den virkelige verden«.
De computere, vi brugte, viser data som en streng af 1'ere eller 0'er kaldet binær kode. En kvantecomputer kan dog repræsentere data som 1, 0 eller, vigtigst af alt, begge tal på samme tid.
Når et system kan være i mere end én tilstand på samme tid, kaldes det "superposition", en af de tilsyneladende magiske egenskaber ved kvanteberegning. Det andet nøgleprincip her er "entanglement", som er en kvanteegenskab, der tillader to partikler at bevæge sig i perfekt sync, uanset hvor langt fra hinanden de er fysisk adskilt.
Som forklarer i Scientific American skaber disse to kvaliteter en computer, der kan behandle langt flere data på samme tid end noget system på markedet i dag.
Effekten af en kvantecomputer måles i qubits, den grundlæggende måleenhed i en kvantecomputer. Ligesom moderne computere har 32-bit eller 64-bit processorer (et mål for, hvor meget data de kan behandle på én gang), har en kvantecomputer med flere qubits betydeligt mere processorkraft.
Inde i en kvantecomputer. Foto: IBM
Der er ingen grænser
Alt dette betyder, at en kvantecomputer kan løse problemer, der tidligere var begrænset af computerkraft.
For eksempel kunne en kvantecomputer groft løse det berømte rejsende sælgerproblem, et komplekst beregningsproblem, der kræver, at man finder den korteste rute mellem flere byer, før man vender hjem. Det lyder simpelt, men hvis du ser på det matematisk, bliver det sværere at finde den enkelte optimale sti, efterhånden som du tilføjer flere byer til ruten.
Ligeledes kunne en kvantecomputer vade gennem de vanskeligste, mest tidskrævende problemer, gennemsøge enorme mængder af økonomiske, farmaceutiske eller klimadata for at finde optimale løsninger. Kvantestartup D-Wave samarbejder faktisk allerede med Volkswagen om at analysere køremønstre og gennemskue enorme mængder støj for at komme til bunds i tingene.
Dets anvendelighed inden for kryptografi diskuteres. En kvantecomputer er i stand til at mestre en krypteringsmetode, der er forskellig fra en tidligere kendt chiffer, som gør det muligt for den nemt at dechifrere selv statshemmeligheder. Der er stor interesse fra globale regeringer for denne nyttige funktion, mens aktivister frygter, at fremkomsten af kvantecomputere kan ødelægge privatlivets fred.
Fysisk problem
"Fordi kvanteberegning stadig er i sine tidlige stadier, er der en masse information, der forbliver ubevist," sagde Matthew Briss, vicepræsident for R&D hos Gartner. "Men købere leder allerede efter applikationer til at bestemme de konkurrencemæssige fordele ved kvantecomputere for deres virksomhed," siger han.
På trods af al hypen mener eksperter, at kvantecomputere er lige så langt fra førende, som pc'er var i 1950'erne. Selvfølgelig tager de fart, men langsomt.
"Quantum computing kan sammenlignes med et langsomt kørende tog," sagde Brian Hopkins, vicepræsident og hovedanalytiker hos Forrester, til Business Insider. "Hvis han bevæger sig en tomme i sekundet, så vil han allerede om en måned passere to tomme i sekundet." Snart begynder han at bevæge sig hurtigere."
Det store problem nu er, at en kvantecomputer ikke kan noget, som en klassisk computer ikke kunne. Industrien ser frem til et øjeblik kaldet kvanteoverherredømme, hvor kvantecomputere vil gå ud over de nuværende begrænsninger.
"Når kunder kommer til os, er det vigtigste, de fortæller os, at de er ligeglade med, hvilken model det er, så længe det er nyttigt for deres virksomhed," siger analytiker Briss. — Der er ingen model, der kunne udkonkurrere klassiske algoritmer. Vi er virkelig nødt til at vente, indtil kvantecomputerens hardware begynder at blive bedre."
IBM-forsker Katie Pooley undersøger kryostaten, der hjælper kvantecomputere med at holde deres temperaturer lave. Foto: Andy Aaron, IBM
Det store problem er fortsat manglen på computerkraft. Det antages, at kvanteoverherredømme vil kræve en computer med en effekt på 50 qubits. Selvom denne milepæl er nået i laboratoriet, er den ikke permanent og kan ikke opretholdes. Faktisk kan qubits være både genstand for fejl og ustabile, hvilket fører til problemer med deres generering og reducerer deres potentiale.
En anden vigtig faktor er mere materiale. Kvantecomputere skal være fuldstændig isoleret fra deres omgivelser for at fungere og kræver meget lave temperaturer. Selv de mindste vibrationer kan få qubits til at kollapse, og smide dem ud af superposition, ligesom et barn, der banker på et bord, får snurrende mønter til at falde ned på bordet.
Tidligere kvantecomputere, såsom IBM Q System One, er så omfangsrige, at de nødvendige isolations- og afkølingsforhold bliver en reel udfordring. Forværring af dette problem er mangel på nødvendige komponenter: superledende kabler og lavtemperaturkøleskabe. De er i alvorlig mangel.
I sidste ende betyder det, at selvom viden forbedres, og teknologien udvikler sig, er kvanteberegning stadig ikke praktisk gennemførlig.
"En af udfordringerne i min arbejdsgruppe er at manipulere materialer, silicium, metaller, så vi kan skabe et meget homogent miljø," sagde Intels Clark. - Dette er i bund og grund den bedste halvlederteknologi. De teknologier, vi har brug for for at skabe kvantecomputere i stor skala, eksisterer ikke endnu."
Et andet problem er, at kvantecomputere har det ubestridelige potentiale til at levere uforudset computerkraft. Der er dog ikke mange mennesker i denne verden, der rent faktisk har erfaring med at programmere eller betjene disse systemer, og potentielle købere er fascineret af at prøve at finde ud af, hvordan de rent faktisk skal bruge det.
Det store kvanteløb
Analytikere siger, at IBM i øjeblikket fører an i kvantecomputerræset takket være den begrænsede kommercielle tilgængelighed af IBM Q System One. Fordi der er adgang til den via skyen, kan IBM opretholde disse særlige betingelser for at holde denne kvantecomputer fungerende, mens den stadig giver udvalgte kunder mulighed for at bruge den.
"Jeg tror, at [IBM's kvantecomputer] gynger," sagde analytiker Briss. "Jeg tror, at kvantecomputere som en servicemodel er den rigtige model." Ved at lægge det i en beholder og behandle det specifikt, forsøger de virkelig at forbedre kvaliteten af det."
IBMs Sarah Sheldon og Pat Gumann arbejder på et opløsningskøleskab, der køler kvantecomputere. Foto: IBM
Samtidig bemærker analytikere, at enhver af aktørerne på dette marked kan få et gennembrud til enhver tid, der vil gøre det muligt for det at komme videre, og at dette stadig er en nødvendig rivalisering.
Forskellige it-giganter griber dette problem forskelligt an. Intel, IBM, Google og quantum computing startup Rigetti bygger systemer baseret på superledende kredsløb, drevet af state-of-the-art supercomputere.
tager en helt anden og måske mere risikabel tilgang i forsøget på at skabe en bedre qubit. Den topologiske qubit, som Microsoft forsøger at skabe, fragmenterer elektroner for at gemme information flere steder på én gang, hvilket gør den mere stabil og mindre tilbøjelig til at blive ødelagt. Det er mindre robust, end dets konkurrenter forsøger at bygge, men resultatet ville være et stort skridt fremad for hele feltet af kvantecomputere, sagde analytiker Hopkins.
"De er på et gamble, og mange mennesker tror, at de aldrig vil lykkes," sagde Hopkins.
På den mere eventyrlystne side satser startups som IonQ og D-Wave på avancerede teknologier som ionfangning og kvanteudglødning. Kort sagt, de forsøger på forskellige måder at opnå større ydeevne og stabilitet fra hver qubit ved hjælp af helt nye metoder.
"Dette giver os mulighed for at bygge en kvantecomputer, der løser komplekse problemer og løbende gør fremskridt i at gøre det," siger Mark Johnson, vicepræsident for processor- og kvanteproduktdesign og -udvikling hos D-Wave, til Business Insider.
En IBM-kvanteforsker går gennem IBM Q Computing Center ved Thomas J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York. Foto: Connie Zhou for IBM
Quantum Startups
Stigningen i kvantecomputere har udløst en bølge af investorinteresse for relaterede startups. IBMs Robert Sutor anslår, at der er omkring 100 kvantesoftware, hardware og endda konsulentstartups rundt om i verden. Dette er lille i forhold til det enorme startup-marked, men meget større end før.
"Jeg har været i dette rum i lang tid, lige fra begyndelsen," sagde IonQs Monroe. — Det var længe i sin vorden, indtil det for 5-8 år siden vakte opsigt og tiltrak enorme investeringer. Det stod klart, at tiden var inde.”
Chris Monroe, CEO og medstifter af quantum computing startup IonQ. Foto: IonQ
Nogle, som Rigetti, er klar til at gå tå-til-tå med tech-titaner med deres egne kvantechips og sofistikerede kvantecomputersystemer.
"Det er kernen i vores forretning," siger Betsy Masiello, vicepræsident for produkt hos Rigetti, til Business Insider. — Der er mange virksomheder i kvanteområdet, der arbejder på softwareapplikationer inden for kvantecomputere. Vi producerer mikrochips og bygger computersystemer."
Matthew Kinsella, administrerende direktør for Maverick Ventures, siger, at han er bullish på kvantecomputerområdet. Hans firma er gået så langt som at investere i ColdQuanta, en virksomhed, der laver udstyr, der bruges i kvantesystemer. Han forventer, at kvantecomputere vil overgå nutidens systemer inden for fem til XNUMX år. Maverick Ventures satser på lang sigt.
“Jeg tror virkelig på kvantecomputere, selvom det kan tage længere tid end forventet, før en kvantecomputer bliver bedre end en traditionel computer til at løse hverdagsproblemer. Vi vil sandsynligvis se fordelene ved kvantecomputere ved at løse småskalaproblemer i de næste par år," sagde Kinsella.
D-Waves 2000Q Systems laboratorier. Foto: D-Wave
Kinsella forventer, ligesom de analytikere, vi talte med, en såkaldt "kvantevinter." Der kan være hype omkring kvantecomputere, men folk får deres håb op, advarer eksperter. Maskinerne er endnu ikke perfekte, og der vil gå år, før investorerne ser resultater.
I perspektiv
Selv ud over kvanteoverherredømme forsikrer eksperter os om, at der stadig er plads til traditionelle computere og supercomputere. Indtil da er der stadig problemer med omkostninger, størrelse, pålidelighed og processorkraft, der skal løses, før vi kan diskutere det.
"Vi er nødt til at trække vejret," sagde analytiker Briss. "Der sker en masse spændende ting på dette område, som tager tid." Det er et konglomerat af fysik, datalogi og ærligt talt videnskabelig analyse. Vi skulle ikke studere dette, hvis vi kendte alle svarene, men der er en masse forskningsarbejde forude."
Rigetti kvantecomputer. Foto: Rigetti
For mange er det dog klart, at det er fremtiden. Ligesom skaberne af den første mainframe-computer ikke var klar over, at dette i sidste ende ville føre til flere smartphones i håndfladestørrelse. En kvantecomputer kan være det første skridt på en helt ny vej.
Få, som Microsofts VP for Corporate Governance Todd Holmdahl, er optimistiske nok til at sige, at det kunne være mere betydningsfuldt end kunstig intelligens og maskinlæring i dag. Han plejede at fortælle sine børn, at de skulle gøre det, de brænder for, og at de altid kunne få et job inden for kunstig intelligens. Nu vil han sige det samme om kvanteberegning.
»Det er et område, der vil udvikle sig. Vi har brug for, at folk fylder det og forhindrer det i at visne væk,” sagde Holmdahl. "Det spiller en vigtig rolle i vores generation og giver os muligheden for at skabe fantastiske ting i fremtiden."
Kilde: www.habr.com