Μία από τις κύριες επιστημονικές προκλήσεις της εποχής μας έχει γίνει ο αγώνας για τη δημιουργία του πρώτου χρήσιμου κβαντικού υπολογιστή. Σε αυτό συμμετέχουν χιλιάδες φυσικοί και μηχανικοί. Η IBM, η Google, η Alibaba, η Microsoft και η Intel αναπτύσσουν τις ιδέες τους. Πώς μια ισχυρή υπολογιστική συσκευή θα αλλάξει τον κόσμο μας και γιατί είναι τόσο σημαντικό;
Φανταστείτε για μια στιγμή: έχει δημιουργηθεί ένας ολοκληρωμένος κβαντικός υπολογιστής. Έχει γίνει ένα οικείο και φυσικό στοιχείο της ζωής μας. Οι κλασικοί υπολογισμοί μιλούν πλέον μόνο στο σχολείο, στα μαθήματα ιστορίας. Κάπου βαθιά σε κρύα υπόγεια, ισχυρά μηχανήματα λειτουργούν με qubits για να τροφοδοτούν τεχνητά ευφυή ρομπότ. Εκτελούν όλες τις επικίνδυνες και απλά μονότονες εργασίες. Περπατώντας μέσα στο πάρκο, κοιτάς τριγύρω και βλέπεις όλα τα είδη ρομπότ. Ανθρωποειδή πλάσματα κάνουν βόλτα με σκύλους, πουλάνε παγωτό, επισκευάζουν ηλεκτρικές καλωδιώσεις και σκουπίζουν την περιοχή. Ορισμένα μοντέλα αντικαθιστούν τα κατοικίδια.
Είχαμε την ευκαιρία να αποκαλύψουμε όλα τα μυστικά του Σύμπαντος και να κοιτάξουμε μέσα μας. Η ιατρική έχει φτάσει σε νέο επίπεδο - κάθε εβδομάδα αναπτύσσονται καινοτόμα φάρμακα. Μπορούμε να προβλέψουμε και να καθορίσουμε πού βρίσκονται οι σπάνιοι πόροι όπως το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο. Το πρόβλημα της υπερθέρμανσης του πλανήτη έχει λυθεί, οι μέθοδοι εξοικονόμησης ενέργειας έχουν βελτιστοποιηθεί και δεν υπάρχει πλέον κυκλοφοριακή συμφόρηση στις πόλεις. Ο κβαντικός υπολογιστής όχι μόνο ελέγχει όλα τα ρομποτικά αυτοκίνητα, αλλά διασφαλίζει επίσης την ελεύθερη κυκλοφορία: παρακολουθεί την κατάσταση στους δρόμους, προσαρμόζει τις διαδρομές και αναλαμβάνει τον έλεγχο από τους οδηγούς, εάν είναι απαραίτητο. Έτσι μπορεί να μοιάζει η κβαντική εποχή.
Quantum Gold Rush
Οι προοπτικές εφαρμογής είναι εκπληκτικές, γι' αυτό και οι επενδύσεις σε κβαντικές εξελίξεις αυξάνονται κάθε χρόνο. Η παγκόσμια αγορά κβαντικών υπολογιστών αποτιμήθηκε στα 81,6 εκατομμύρια δολάρια το 2018. Οι ειδικοί του Market.us εκτιμούν ότι μέχρι το 2026 θα φτάσει τα 381,6 εκατομμύρια δολάρια. Δηλαδή θα αυξάνεται κατά μέσο όρο 21,26% ετησίως από το 2019 έως το 2026.
Αυτή η ανάπτυξη τροφοδοτείται από την αυξανόμενη χρήση της κβαντικής κρυπτογραφίας σε εφαρμογές ασφαλείας και καθοδηγείται από επενδύσεις από ενδιαφερόμενους φορείς της αγοράς κβαντικών υπολογιστών. Μέχρι τις αρχές του τρέχοντος έτους, ιδιώτες επενδυτές είχαν χρηματοδοτήσει τουλάχιστον 52 εταιρείες κβαντικής τεχνολογίας παγκοσμίως, σύμφωνα με ανάλυση του επιστημονικού περιοδικού Nature. Μεγάλοι παίκτες όπως η IBM, η Google, η Alibaba, η Microsoft, η Intel και η D-Wave Systems αγωνίζονται να δημιουργήσουν έναν πρακτικά εφαρμόσιμο κβαντικό υπολογιστή.
Ναι, εφόσον τα χρήματα που εισρέουν σε αυτόν τον τομέα κάθε χρόνο αντιπροσωπεύουν μια μικρή δαπάνη (σε σύγκριση με 2018 δισεκατομμύρια δολάρια σε επενδύσεις τεχνητής νοημοσύνης το 9,3). Αλλά αυτοί οι αριθμοί είναι σημαντικοί για έναν ανώριμο κλάδο που δεν διαθέτει ακόμη δείκτες απόδοσης.
Επίλυση κβαντικών προβλημάτων
Πρέπει να καταλάβετε ότι σήμερα η τεχνολογία είναι ακόμα στα σπάργανα. Ήταν δυνατό να δημιουργηθούν μόνο πρωτότυπα κβαντικών μηχανών και μεμονωμένων πειραματικών συστημάτων. Είναι ικανά να εκτελούν σταθερούς αλγόριθμους χαμηλής πολυπλοκότητας. Ο πρώτος υπολογιστής 2 qubit δημιουργήθηκε το 1998 και χρειάστηκε η ανθρωπότητα 21 χρόνια για να φέρει τις συσκευές στο σωστό επίπεδο, τη λεγόμενη «κβαντική υπεροχή». Αυτός ο όρος επινοήθηκε από τον καθηγητή του Caltech John Preskill. Και σημαίνει την ικανότητα των κβαντικών συσκευών να επιλύουν προβλήματα γρηγορότερα από τους πιο ισχυρούς κλασικούς υπολογιστές.
Μια σημαντική ανακάλυψη σε αυτόν τον τομέα έκανε η καλιφορνέζικη εταιρεία Google. Τον Σεπτέμβριο του 2019, η εταιρεία ανακοίνωσε ότι η συσκευή Sycamore των 53 qubit ολοκλήρωσε έναν υπολογισμό σε 200 δευτερόλεπτα που θα χρειαζόταν έναν υπερσύγχρονο υπερυπολογιστή 10 χρόνια για να ολοκληρωθεί. Η δήλωση προκάλεσε πολλές αντιδράσεις. Η IBM διαφώνησε κατηγορηματικά με τέτοιους υπολογισμούς. Στο blog της, η εταιρεία έγραψε ότι ο υπερυπολογιστής Summit θα αντιμετωπίσει αυτό το έργο σε 000 ημέρες. Και το μόνο που χρειάζεται είναι να αυξηθεί η χωρητικότητα αποθήκευσης του δίσκου. Αν και στην πραγματικότητα η διαφορά δεν ήταν τόσο κολοσσιαία, η Google ήταν πράγματι η πρώτη που πέτυχε την «κβαντική υπεροχή». Και αυτό είναι ένα σημαντικό ορόσημο στην έρευνα υπολογιστών. Αλλά τίποτα περισσότερο. Το κατόρθωμα του Sycamore είναι καθαρά για λόγους επίδειξης. Δεν έχει πρακτική εφαρμογή και είναι άχρηστο για την επίλυση πραγματικών προβλημάτων.
Το κύριο πρόβλημα είναι το υλικό. Ενώ τα παραδοσιακά υπολογιστικά bit έχουν τιμή 0 ή 1, στον περίεργο κβαντικό κόσμο, τα qubits μπορούν να βρίσκονται και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται υπέρθεση. Τα Qubits είναι σαν περιστρεφόμενες κορυφές: περιστρέφονται τόσο δεξιόστροφα όσο και αριστερόστροφα, κινούνται πάνω και κάτω. Αν σας μπερδεύει αυτό, τότε είστε σε εξαιρετική παρέα. Ο Ρίτσαρντ Φάινμαν είπε κάποτε: «Αν νομίζεις ότι καταλαβαίνεις την κβαντική μηχανική, δεν την καταλαβαίνεις». Γενναία λόγια από τον άνθρωπο που κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για την... κβαντομηχανική.
Έτσι, τα qubits είναι εξαιρετικά ασταθή και υπόκεινται σε εξωτερικές επιρροές. Ένα αυτοκίνητο που περνά κάτω από τα παράθυρα του εργαστηρίου, ο εσωτερικός θόρυβος του συστήματος ψύξης, ένα ιπτάμενο κοσμικό σωματίδιο - οποιαδήποτε τυχαία παρεμβολή, οποιαδήποτε αλληλεπίδραση διαταράσσει τη συγχρονικότητά τους και αποσυντονίζονται. Αυτό είναι επιζήμιο για τους υπολογιστές.
Το βασικό ερώτημα για την ανάπτυξη του κβαντικού υπολογισμού είναι ποια λύση υλικού από τα πολλά που διερευνήθηκαν θα εξασφαλίσει τη σταθερότητα των qubits. Όποιος λύσει το πρόβλημα της συνοχής και κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές τόσο κοινούς όσο οι GPU θα κερδίσει το βραβείο Νόμπελ και θα γίνει ο πλουσιότερος άνθρωπος στον κόσμο.
Πορεία προς την εμπορευματοποίηση
Το 2011, η καναδική εταιρεία D-Wave Systems Inc. ήταν ο πρώτος που πούλησε κβαντικούς υπολογιστές, αν και η χρησιμότητά τους περιορίζεται σε ορισμένα μαθηματικά προβλήματα. Και τους επόμενους μήνες, εκατομμύρια προγραμματιστές θα μπορούν να αρχίσουν να χρησιμοποιούν κβαντικούς επεξεργαστές μέσω του cloud - η IBM υπόσχεται να παρέχει πρόσβαση στη συσκευή της 53 qubit. Μέχρι στιγμής, 20 εταιρείες έχουν λάβει αυτό το προνόμιο στο πλαίσιο ενός προγράμματος που ονομάζεται Q Network. Μεταξύ αυτών είναι ο κατασκευαστής εξοπλισμού Samsung Electronics, οι αυτοκινητοβιομηχανίες Honda Motor και Daimler, οι χημικές εταιρείες JSR και Nagase, οι τράπεζες JPMorgan Chase & Co. και Barclays.
Οι περισσότερες εταιρείες που πειραματίζονται με τον κβαντικό υπολογισμό σήμερα τον θεωρούν αναπόσπαστο μέρος του μέλλοντος. Η κύρια αποστολή τους τώρα είναι να ανακαλύψουν τι λειτουργεί στον κβαντικό υπολογισμό και τι όχι. Και να είστε έτοιμοι να εισαγάγετε πρώτοι την τεχνολογία στην επιχείρηση όταν είναι έτοιμη.
Οργανισμοί μεταφορών. Η Volkswagen, μαζί με την D-Wave, αναπτύσσει μια κβαντική εφαρμογή - ένα σύστημα ελέγχου της κυκλοφορίας. Το νέο πρόγραμμα θα επιτρέψει στους οργανισμούς δημόσιων μεταφορών και στις εταιρείες ταξί στις μεγάλες πόλεις να χρησιμοποιούν τον στόλο τους πιο αποτελεσματικά και να ελαχιστοποιήσουν τον χρόνο αναμονής των επιβατών.
Τομέας ενέργειας. Η ExxonMobil και η IBM προωθούν τη χρήση κβαντικών υπολογιστών στον ενεργειακό τομέα. Επικεντρώνονται στην ανάπτυξη μιας σειράς νέων ενεργειακών τεχνολογιών, στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Η κλίμακα και η πολυπλοκότητα των προκλήσεων που αντιμετωπίζει ο ενεργειακός τομέας είναι πέρα από το πεδίο των σημερινών παραδοσιακών υπολογιστών και είναι κατάλληλα για δοκιμή σε κβαντικούς.
Φαρμακευτικές εταιρείες. Η Accenture Labs συνεργάζεται με την 1QBit, μια εταιρεία κβαντικού λογισμικού. Σε μόλις 2 μήνες, πέρασαν από την έρευνα στην απόδειξη της ιδέας—χρησιμοποιώντας μια εφαρμογή για τη μοντελοποίηση πολύπλοκων μοριακών αλληλεπιδράσεων σε ατομικά επίπεδα. Χάρη στη δύναμη του κβαντικού υπολογισμού, είναι πλέον δυνατή η ανάλυση μεγαλύτερων μορίων. Τι θα δώσει αυτό στην κοινωνία; Καινοτόμα φάρμακα με τις λιγότερες παρενέργειες.
Χρηματοοικονομικός τομέας. Οι τεχνολογίες που βασίζονται στις αρχές της κβαντικής θεωρίας προσελκύουν όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον των τραπεζών. Ενδιαφέρονται για την επεξεργασία συναλλαγών, συναλλαγών και άλλων τύπων δεδομένων όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Η Barclays και η JP Morgan Chase (με την IBM), καθώς και η NatWest (με τη Fujitsu) πραγματοποιούν ήδη τα πειράματά τους στην ανάπτυξη εξειδικευμένου λογισμικού.
Η αποδοχή από τέτοιες μεγάλες εταιρείες και η εμφάνιση επιχειρηματιών πρωτοπόρων της κβαντικής μιλάει πολλά για την εμπορική βιωσιμότητα του κβαντικού. Βλέπουμε ήδη την εφαρμογή κβαντικών υπολογιστών σε προβλήματα του πραγματικού κόσμου, από τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης έως τη βελτιστοποίηση των διαδρομών των οχημάτων. Και το σημαντικότερο, η αξία της τεχνολογίας θα αυξάνεται καθώς εξελίσσεται.
Πηγή: www.habr.com