Kubid bitide asemel: millist tulevikku meile kvantarvutid pakuvad?

Üks meie aja peamisi teadusülesandeid on olnud esimese kasuliku kvantkompuutri loomise võidujooks. Sellesse on kaasatud tuhandeid füüsikuid ja insenere. Oma kontseptsioone arendavad IBM, Google, Alibaba, Microsoft ja Intel. Kuidas muutab võimas arvutusseade meie maailma ja miks on see nii oluline?

Kujutage ette: täiuslik kvantkompuuter on loodud. See on saanud meie elu tavalise ja loomuliku osaks. Klassikalistest arvutustest räägitakse enamasti ainult koolis ajaloo tundides. Kusagil sügaval külmades keldrites opereerivad võimsad masinad kubiitidega, et toetada tehisintellektiga varustatud roboteid. Nad täidavad kõik ohtlikud ja lihtsalt igavad tööd. Jalutades pargis, vaatate ringi ja näete igasuguseid roboteid. Inimese sarnased olendid jalutavad koeri, müüvad jäätist, parandavad elektrijuhtmeid ja koristavad territooriumi. Mõned mudelid asendavad koduloomi.

Me oleme saanud võimaluse avada kõik Universumi saladused ja vaadata sisse endasse. Meditsiin on jõudnud uuele tasemele — innovaatilised ravimid arendatakse välja igal nädalal. Me saame prognoosida ja määrata, kus asuvad defitsiitsed ressursid, nagu gaas ja nafta. Globaalne soojenemine on lahendatud, energia säästmise meetodid on optimeeritud, linnades pole enam ummikuid. Kvantkompuuter mitte ainult ei juhtida kõiki robotiseeritud masinaid, vaid tagab ka vabaliikumise: jälgib olukorda teedel, kohandab marsruute ja võtab vajadusel rooli üle juhilt. Nii võib välja näha kvantajastu.

Kvantkullaahnus

Rakenduste perspektiivid on uimastavad, seetõttu kasvavad investeeringud kvantaruandesse igal aastal. 2018. aastal hinnati globaalne kvantarvutuse turg 81,6 miljoni USA dollari suuruseks. Market.us spetsialistide prognooside kohaselt ulatub see 2026. aastaks 381,6 miljoni USA dollarini. See tähendab, et see suureneb keskmiselt 21,26% aastas ajavahemikus 2019 kuni 2026.

Seda kasv on stimuleeritud kvantkrüptograafia suurenevast kasutamisest turvalisuse rakendustes ning selle taga on kvantkompuutrite turu huviliste investeeringud. Aasta alguseks oli teadusajakirja Nature analüüsi kohaselt erainvestorid rahastanud vähemalt 52 kvanttehnoloogia ettevõtet üle kogu maailma. Suurte mängijate seas, kes töötavad praktiliselt rakendatava kvantkompuutri loomise nimel, on IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.

Jah, kuigi sellele valdkonnale igal aastal suunatud rahasummad on väikesed (näiteks: 2018. aastal investeeriti tehisintellekti 9,3 miljardit dollarit). Kuid need numbrid on märkimisväärsed noore tööstuse puhul, mis ei saa veel uhkeldada tõhususe näitajatega.

Kvantprobleemide lahendamine

On oluline mõista, et tehnoloogia on tänapäeval endiselt algusjärgus. Seni on suudetud luua vaid kvantmasinate prototüüpe, üksikud eksperimentaalsed süsteemid. Need suudavad täita fikseeritud algoritme, mille keerukus on väike. Esimene 2-qubit arvuti loodi 1998. aastal, ja inimkonnal kulus 21 aastat, et viia seadmed soovitud tasemele, mida nimetatakse „kvantüleks”. Selle termini tutvustas California Tehnoloogia Instituudi professor John Preskill. See tähendab kvantseadmete võimet lahendada probleeme kiiremini kui kõige võimsamad klassikalised arvutid.

Läbimurde selles valdkonnas tegi Californian ettevõte Google. Septembris 2019 kuulutas korporatsioon, et nende 53-kubiti seade Sycamore suutis 200 sekundiga arvutada ülesande, mille täitmiseks kuluks kaasaegseima superarvuti puhul 10 000 aastat. Astatement on tekitanud palju vaidlusi. IBM-i arvates on sellised arvutused absoluutsetelt vale. Oma blogis kirjutas ettevõte, et nende superarvuti Summit suudab selle ülesande lahendada 2,5 päevaga. Kõik, mis selleks vajalik, on suurendada kettaruumi mahtu. Kuigi tegelikkuses osutus vahe mitte nii tohutuks, saavutas Google tõesti esimesena 'kvantülevaate'. Ja see on oluline verstapost arvutiteadustes. Kuid mitte rohkem. Sycamore'i saavutus on täielikult näidatuslik. Sellel pole praktilist rakendust ja see on kasutu reaalsete probleemide lahendamisel.

Peamine probleem on riistvara. Kui traditsioonilised arvutusbitid on väärtusega 0 või 1, siis kummalises kvantmaailmas võivad kubiidid olla samal ajal mõlemas olekus. Seda omadust nimetatakse superpositsiooniks. Kubiidid on nagu pöörlevad tippud: nad pöörlevad samaaegselt nii päripäeva kui ka vastupäeva, liiguvad üles ja alla. Kui leiate, et see on segane, siis olete suurepärases seltskonnas. Richard Feynman on kunagi öelnud: 'Kui arvate, et mõistate kvantmehaanikat, siis ei mõista te seda.' Julged sõnad inimeselt, kes sai Nobeli preemia… kvantmehaanika eest.

Nii et kubiidid on äärmiselt ebastabiilsed ja kalduvad välistele häiretele. Laboratooriumi akna alt sõitev auto, jahutussüsteemi sisene mürina, lendav kosmoseosake - iga juhuslik häire, iga interaktsioon rikub nende synkroonsust ja nad dekohereerivad. See on arvutuste jaoks hävitav.

Peamine küsimus kvantarvutuse arendamisel on, milline riistvaralahendus paljusid uuritud lahendusi suudab tagada kubiitide stabiilsuse. See, kes lahendab koherentsuse rikkumise probleemi ja muudab kvantarvutid sama laialdaselt levinud kui graafikaprotsessorid, saab Nobeli preemia ja temast saab maailma rikkaim inimene.

Teekond kaubanduslikuks rakendamiseks

2011. aastal oli Kanada ettevõte D-Wave Systems Inc. esimene, kes hakkas müüma kvantkomplekte, kuigi nende kasulikkus on piiratud teatud matemaatiliste ülesannetega. Järgmiste kuude jooksul saavad miljonid arendajad hakata kasutama kvantprotsessoreid läbi pilveteenuse — IBM lubab anda juurdepääsu oma 53-kubitisele seadmele. Praegu on programm nimega Q Network sellist privileegi saanud 20 ettevõtet. Nende seas on tehnika tootja Samsung Electronics, autotootjad Honda Motor ja Daimler, keemiatootjad JSR ja Nagase, pangad JPMorgan Chase & Co. ja Barclays.

Enamiku ettevõtete jaoks, kes praegu kvantkomplekte katsetavad, on need tuleviku lahutamatu osa. Nende peamine missioon on nüüdseks teada saada, mis töötab kvantkomplektide puhul ja mis mitte. Ja olla valmis esimesena tehnoloogiat ärisse rakendama, kui see on valmis.

Transportorganisatsioonid. Volkswagen koos D-Wave ettevõttega arendab kvantrakendust – liiklusjuhtimissüsteemi. Uus programm võimaldab linnade ühistranspordi organisatsioonidel ja taksoettevõtetel oma autode parki tõhusamalt kasutada ning vähendada reisijate ootamisaega.

Energiasisektor. ExxonMobil ja IBM edendavad kvantkomplektide rakendamist energiatööstuses. Nad keskenduvad mitmete uute energiatehnoloogiate arendamisele, energiatõhususe suurendamisele ja kasvuhoonegaaside heitmete vähendamisele. Energiasektori mastaap ja keerukus ületavad tänapäeva traditsiooniliste arvutite võimekuse ning sobivad hästi kvantkomplektide testimiseks.

Farmaatsiaettevõtted. Accenture Labs teeb koostööd 1QBitiga, kvantprogrammeerimise tarkvara arendajaga. Ahnelt kahe kuu jooksul uurimistööst on nad liikunud kontseptsiooni testimise juurde – rakendades rakendust keeruliste molekulaarsete interaktsioonide modelleerimiseks aatomitasemel. Tänu kvantkomplektide võimekusele on võimalik analüüsida suuremaid molekule. Mida see toob ühiskonnale? Innovaatilised ravimid, millel on minimaalsed kõrvalmõjud.

Rahandussektor. Tehnoloogiad, mis põhinevad kvantteooria printsiipidel, köidavad üha rohkem pankade huvi. Need on huvitatud tehingute, tehingute ja muude andmetüüpide võimalikult kiirest töötlemisest. Oma spetsialiseeritud tarkvara arendamise eksperimente viivad läbi Barclays ja JP Morgan Chase (koostöös IBM-i) ning NatWest (koostöös Fujitsu).

Selliste suurettevõtete aktsepteerimine ning ettevõtlike kvantlaurite tulek räägivad kvanthi kaubanduslikust elujõudest. Me näeme juba, kuidas kvantkompuutrid rakendatakse reaalse maailma probleemide lahendamiseks – alates energiaefektiivsuse suurendamisest kuni maanteetranspordi marsruutide optimeerimiseni. Ja mis on oluline, tehnoloogia väärtus kasvab arenguga.

Allikas: habr.com