Üks peamisi teaduslikke ülesandeid meie ajal on esimese kasuliku kvantarvuti loomise võidujooks. Selles osaleb tuhandeid füüsikuid ja insenere. Oma kontekste arendavad IBM, Google, Alibaba, Microsoft ja Intel. Kuidas muudab jõuline arvutusseade meie maailma ja miks on see nii oluline?
Kujutage hetkeks ette: täieõiguslik kvantarvuti on loodud. See on saanud igapäevaseks ja loomulikuks osaks meie elust. Klassikalistest arvutustest räägitakse nüüd ainult koolis, ajaloo tundides. Kusagil sügaval külmades keldrites opereerivad võimsad masinad kubitte, et toetada kunstlikku intelligentsi kandvaid roboteid. Nad teevad kõik ohtlikud ja lihtsalt üksildased tööd. Jalutades pargis, vaatate ringi ja näete igasuguseid roboteid. Inimese moodi olevused jalutavad koeri, müüvad jäätist, parandavad elektrijuhtmeid, puhastavad territooriumi. Mõned mudelid asendavad lemmikloomi.
Olen saanud võimaluse avada universumi kõik saladused ja vaadata endasse. Medicina on jõudnud uuele tasemele - innovaatilisi ravimeid arendatakse iga nädal. Me saame prognoosida ja määrata, kus asuvad nappide ressursside, nagu gaas ja nafta, varud. Globaalse soojenemise probleem on lahendatud, energiasäästu meetodid on optimeeritud, linnades pole enam ummikuid. Kvantkompuuter mitte ainult ei juhi kõiki robotmasinaid, vaid tagab ka sujuva liikluse: jälgib olukorda teedel, kohandab marsruute ja võtab vajadusel juhtimisõiguse üle. Nii võiks välja näha kvantajastu.
Kvantkuldne kiirus
Kvanttehnoloogia rakendamise perspektiivid on hämmastavad, mistõttu investeeringud kvantide arendustesse kasvavad iga aastaga. Globaalne kvantkompuuterturg oli 2018. aastal hinnatud 81,6 miljoni USA dollari suuruseks. Market.us'i spetsialistid ennustavad, et 2026. aastaks saavutab see 381,6 miljoni dollari. Seega suureneb see keskmiselt 21,26% aastas 2019. aastast 2026. aastani.
See tõus on tingitud kasvavast kvantkrüptograafia kasutamisest turvarakendustes ning turuosaliste investeeringutest kvantarvutuste turul. Aasta alguse seisuga on teadusajakiri Nature raporti kohaselt eraettevõtjad rahastanud vähemalt 52 kvanttehnoloogiate ettevõtet üle kogu maailma. Suured mängijad nagu IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel ja D-Wave Systems kõvasti töötavad praktilise kvantarvuti loomise nimel.
Jah, kuigi rahalised vahendid, mis igal aastal sellesse valdkonda suunduvad, on endiselt tagasihoidlikud (võrdluseks: 2018. aastal investeeriti tehisintellekti 9,3 miljardi USA dollari ulatuses). Kuid need numbrid on märkimisväärsed noore tööstuse jaoks, mis ei saa veel uhkeldada efektiivsuse näitajatega.
Kvantprobleemide lahendamine
Tuleb mõista, et tänapäeval on tehnoloogia endiselt algusjärgus. On õnnestunud luua ainult kvantmasinate prototüüpe, üksikuid eksperimentaalseid süsteeme. Nad suudavad täita fikseeritud madala keerukusega algoritme. Esimene 2-kubiti arvuti loodi 1998. aastal ja inimkonnal kulus 21 aastat, et viia seadmed nõutud tasemele, mida nimetatakse "kvantülemuseks". Selle termini tutvustas California Tehnoloogiainstituudi professori John Preskill. See tähendab kvantseadmete võimet lahendada ülesandeid kiiremini kui kõige võimsamad klassikalised arvutid.
Kaliforniast pärit Google tegi sellel alal läbimurde. Septembris 2019 teatas korporatsioon, et nende 53-kubitine seade Sycamore lahendas ülesande 200 sekundiga, mille täitmiseks oleks kõige kaasaegsemal superarvutil kulunud 10 000 aastat. See väide tekitas palju vaidlusi. IBM ei olnud nende arvutustega kategoriliselt nõus. Oma blogis kirjutas ettevõte, et nende superarvuti Summit suudab selle ülesande lahendada 2,5 päevaga. Ja kõik, mis selleks vajalik, on suurendada salvestusruumi. Kuigi tegelikult ei olnud vahe nii suur, saavutas Google tõepoolest esimesena "kvantülimusoleku". See on oluline verstapost arvutiteadustes. Kuid mitte midagi enamat. Sycamore'i saavutus on puhtalt demonstreeriv. Sellel puudub praktiline rakendus ja see on kasututu reaalses probleemide lahendamises.
Peamine probleem on riistvara. Kui traditsioonilised arvutibitid võivad olla 0 või 1, siis kummalises kvantmaailmas võivad kubiidid olla samaaegselt mõlemas olekus. Seda omadust nimetatakse superpositsiooniks. Kubiidid sarnanevad keerlevatele tippudele: nad pöörlevad samaaegselt nii kellaviitiliselt kui ka vastupidi ning liiguvad üles ja alla. Kui leiate, et see on segane, siis olete suurepärases seltskonnas. Richard Feynman ütles kunagi: „Kui arvate, et mõistate kvantmehaanikat, siis te ei mõista seda.“ Julged sõnad inimeselt, kes sai Nobeli preemia ... kvantmehaanika eest.
Nii et kubiidid on äärmiselt ebastabiilsed ja välistele teguritele vastuvõtlikud. Labori akende alt sõitev auto, jahutussüsteemi sisemine müra, lendav kosmoseosake — iga juhuslik segaja, iga suhtlemine häirib nende sünkroonilisust ja nad dekohereeruvad. See on arvutuste jaoks hukka mõistetud.
Peamine küsimus kvantcomputing'i arendamise osas on see, milline riistvaralahendus paljusid uuritud võimalusi suudab tagada kubiitide stabiilsuse. See, kes leiab lahenduse koherentsuse katkemise probleemile ja teeb kvantkompuutrid sama laialdaselt kättesaadavaks kui graafikaprotsessorid, saab Nobeli preemia ja temast saab maailma rikkaim inimene.
Tee kommertslikust kasutamisest
2011. aastal sai Kanada ettevõte D-Wave Systems Inc. esimesena kvantkompuutreid müüma hakata, kuigi nende kasulikkus on piiratud teatud matemaatiliste probleemidega. Järgmise paarikuu jooksul saavad miljonid arendajad hakata kvantprotsessoreid kasutama pilve kaudu — IBM lubab anda ligipääsu oma 53-kubiti seadmele. Praegu on Q Networki programmi raames sellise privileegi saanud 20 ettevõtet. Nende hulgas on seadme tootja Samsung Electronics, autotootjad Honda Motor ja Daimler, keemiatootjad JSR ja Nagase, pangad JPMorgan Chase & Co. ja Barclays.
Enamik ettevõtteid, kes katsetavad täna kvantarvutusi, näevad neid kui tuleviku lahutamatut osa. Nende praegune peamine ülesanne on avastada, mis kvantarvutustes töötab ja mis mitte. Samuti on nad valmis olema esimesed, kes toovad tehnoloogia äriellu, kui see on valmis.
Transpordiorganisatsioonid. Volkswagen koos D-Wave'iga arendab kvantrakendust – liiklusjuhtimissüsteemi. Uus programm võimaldab linnade ühistranspordi ja taksifirmadel tõhusamalt kasutada oma autoparki ning vähendada reisijate ootamisaega.
Energia sektor. ExxonMobil ja IBM edendavad kvantarvutuste kasutamist energiatööstuses. Nad keskenduvad uute energia tehnoloogiate arendamisele, energiakasutuse efektiivsuse parandamisele ja kasvuhoonegaaside emissioonide vähendamisele. Energiasektori ülesannete ulatus ja keerukus ületavad tänapäeva traditsiooniliste arvutite võimekuse ning sobivad hästi kvanttestimiseks.
Farmaatsiattevõtted. Accenture Labs teeb koostööd 1QBitiga, kvantarvutustarkvara arendajaga. Ainult kahe kuuga läksid nad uurimusest prototüübi testimiseni – rakendades rakendust keeruliste molekulaarsete interaktsioonide modelleerimiseks aatomitasemel. Tänu kvantarvutuste jõule on võimalus analüüsida suuremaid molekule. Mida see ühiskonnale annab? Innovaatilised ravimid, millel on vähem kõrvaltoimeid.
Finantssektor. Kvantteooria põhimõtetel põhinevad tehnoloogiad köidavad üha enam pankade tähelepanu. Nad on huvitatud tehingute, äritehingute ja muude andmete võimalikult kiirest töötlemisest. Spetsialiseeritud tarkvara arendamise katseid viivad juba läbi Barclays ja JP Morgan Chase (IBMiga) ning NatWest (Fujitsuga).
Suured ettevõtted ja ettevõtlikud kvantpioneerid näitavad kvanttehnoloogia ärilist elujõudust. Näeme juba, kuidas kvantkompuutereid rakendatakse reaalse maailma ülesannete lahendamiseks – alates energiaefektiivsuse parandamisest kuni transportsüsteemide marsruutide optimeerimiseni. Mis on oluline, et tehnoloogia väärtus kasvab koos selle arenguga.
Allikas: habr.com
