Meie aja üheks peamiseks teaduslikuks väljakutseks on saanud võidujooks esimese kasuliku kvantarvuti loomise nimel. Selles osalevad tuhanded füüsikud ja insenerid. IBM, Google, Alibaba, Microsoft ja Intel arendavad oma kontseptsioone. Kuidas võimas arvutiseade meie maailma muudab ja miks see nii oluline on?
Kujutage korraks ette: loodud on täisväärtuslik kvantarvuti. Sellest on saanud meie elu tuttav ja loomulik element. Klassikalistest arvutustest räägitakse nüüd ainult koolis, ajalootundides. Kusagil sügaval külmades keldrites töötavad võimsad masinad kunstlikult intelligentsete robotite toiteks kubitidel. Nad täidavad kõiki ohtlikke ja lihtsalt monotoonseid ülesandeid. Läbi pargi jalutades vaatad ringi ja näed igasuguseid roboteid. Humanoidsed olendid jalutavad koeri, müüvad jäätist, parandavad elektrijuhtmeid ja pühivad ala. Mõned mudelid asendavad lemmikloomi.
Saime võimaluse paljastada kõik Universumi saladused ja vaadata enda sisse. Meditsiin on jõudnud uuele tasemele – iga nädal töötatakse välja uuenduslikke ravimeid. Saame prognoosida ja määrata, kus asuvad napid ressursid, nagu gaas ja nafta. Kliima soojenemise probleem on lahendatud, energiasäästumeetodid on optimeeritud ja linnades pole enam ummikuid. Kvantarvuti ei juhi mitte ainult kõiki robotautosid, vaid tagab ka vaba liikumise: jälgib olukorda teedel, kohandab marsruute ja võtab vajadusel juhtimise üle juhtidelt. Selline võib kvantajastu välja näha.
Kvantkullapalavik
Rakendusväljavaated on hämmastavad, mistõttu investeeringud kvantarendustesse kasvavad iga aastaga. Ülemaailmse kvantarvutituru väärtuseks hinnati 81,6. aastal 2018 miljonit dollarit. Market.us ekspertide hinnangul ulatub see 2026. aastaks 381,6 miljoni dollarini. See tähendab, et see kasvab aastatel 21,26–2019 keskmiselt 2026% aastas.
Seda kasvu soodustab kvantkrüptograafia kasvav kasutamine turvarakendustes ja kvantarvutuste turu sidusrühmade investeeringud. Selle aasta alguseks olid erainvestorid rahastanud vähemalt 52 kvanttehnoloogia ettevõtet kogu maailmas, selgub teadusajakirja Nature analüüsist. Peamised tegijad, nagu IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel ja D-Wave Systems, on hädas praktiliselt kasutatava kvantarvuti loomisega.
Jah, seni, kuni sellesse piirkonda igal aastal voolav raha kujutab endast väikest väljaminekut (võrreldes 2018 miljardi dollari suuruse tehisintellekti investeeringuga 9,3. aastal). Kuid need numbrid on märkimisväärsed ebaküpse tööstuse jaoks, millel ei ole veel tulemuslikkuse näitajaid.
Kvantülesannete lahendamine
Peate mõistma, et tänapäeval on tehnoloogia alles lapsekingades. Võimalik oli luua ainult kvantmasinate prototüüpe ja üksikuid katsesüsteeme. Nad on võimelised täitma madala keerukusega fikseeritud algoritme. Esimene 2-kubitine arvuti loodi 1998. aastal ja inimkonnal kulus 21 aastat, et viia seadmed õigele tasemele, niinimetatud "kvantülimuseni". Selle termini võttis kasutusele Caltechi professor John Preskill. Ja see tähendab kvantseadmete võimet lahendada probleeme kiiremini kui võimsaimad klassikalised arvutid.
Läbimurde selles vallas tegi California ettevõte Google. 2019. aasta septembris teatas ettevõte, et tema 53-kubitine Sycamore'i seade lõpetas 200 sekundiga arvutuse, mille valmimiseks kulub tipptasemel superarvutil 10 000 aastat. Avaldus tekitas palju poleemikat. IBM ei nõustunud selliste arvutustega kategooriliselt. Ettevõte kirjutas oma ajaveebis, et tema Summiti superarvuti saab selle ülesandega hakkama 2,5 päevaga. Ja kõik, mida vaja on, on ketta salvestusmahtu suurendamine. Ehkki tegelikkuses polnud erinevus nii kolossaalne, saavutas Google tõepoolest esimesena "kvantiülemuse". Ja see on arvutiuuringute oluline verstapost. Aga ei midagi enamat. Sycamore'i saavutus on puhtalt demonstratsiooni eesmärgil. Sellel pole praktilist rakendust ja see on kasutu tegelike probleemide lahendamiseks.
Peamine probleem on riistvara. Kui traditsiooniliste arvutusbittide väärtus on 0 või 1, siis kummalises kvantmaailmas võivad kubitid olla mõlemas olekus korraga. Seda omadust nimetatakse superpositsiooniks. Kubitid on nagu vurrud: nad pöörlevad nii päri- kui vastupäeva, liiguvad üles-alla. Kui leiate, et see tekitab segadust, olete suurepärases seltskonnas. Richard Feynman ütles kord: "Kui arvate, et mõistate kvantmehaanikat, siis te ei mõista seda." Julged sõnad mehelt, kes võitis Nobeli... kvantmehaanika preemia.
Seega on kubiidid äärmiselt ebastabiilsed ja alluvad välismõjudele. Labori akende alt läbi sõitev auto, jahutussüsteemi sisemine müra, lendav kosmiline osake – igasugune juhuslik häire, igasugune interaktsioon rikub nende sünkroonsust ja need dekohereerivad. See on arvutitööle kahjulik.
Kvantarvutite arendamise võtmeküsimus on see, milline riistvaralahendus paljudest uuritud lahendustest tagab kubittide stabiilsuse. Kes lahendab sidususprobleemi ja teeb kvantarvutid sama tavaliseks kui GPU-d, võidab Nobeli preemia ja temast saab maailma rikkaim inimene.
Teekond kommertsialiseerumiseni
2011. aastal asus Kanada firma D-Wave Systems Inc. oli esimene, kes müüs kvantarvuteid, kuigi nende kasulikkus piirdub teatud matemaatiliste probleemidega. Ja lähikuudel saavad miljonid arendajad hakata pilve kaudu kasutama kvantprotsessoreid – IBM lubab pakkuda ligipääsu oma 53-kubitisele seadmele. Seni on programmi Q Network raames selle privileegi saanud 20 ettevõtet. Nende hulgas on seadmetootja Samsung Electronics, autotootjad Honda Motor ja Daimler, keemiaettevõtted JSR ja Nagase, pangad JPMorgan Chase & Co. ja Barclays.
Enamik ettevõtteid, kes täna kvantarvutust katsetavad, peavad seda tuleviku lahutamatuks osaks. Nende põhiülesanne on nüüd välja selgitada, mis kvantarvutuses töötab ja mis mitte. Ja olge valmis olema esimene, kes tehnoloogia ettevõtlusesse juurutab, kui see on valmis.
Transpordiorganisatsioonid. Volkswagen arendab koos D-Wave’iga kvantrakendust – liiklusjuhtimissüsteemi. Uus programm võimaldab suurte linnade ühistranspordiorganisatsioonidel ja taksofirmadel oma sõidukiparki tõhusamalt kasutada ja reisijate ooteaega minimeerida.
Energiasektor. ExxonMobil ja IBM edendavad energiasektoris kvantarvutite kasutamist. Need on keskendunud uute energiatehnoloogiate väljatöötamisele, energiatõhususe parandamisele ja kasvuhoonegaaside heitkoguste vähendamisele. Energiasektori ees seisvate väljakutsete ulatus ja keerukus on väljaspool tänapäevaste traditsiooniliste arvutite ulatust ja sobivad hästi kvantarvutitega testimiseks.
Farmaatsiaettevõtted. Accenture Labs teeb koostööd kvanttarkvara ettevõttega 1QBit. Vaid 2 kuuga jõudsid nad uurimistööst kontseptsiooni tõestamiseni, kasutades rakendust keerukate molekulaarsete interaktsioonide modelleerimiseks aatomitasandil. Tänu kvantarvutuse võimsusele on nüüd võimalik analüüsida ka suuremaid molekule. Mida see ühiskonnale annab? Uuenduslikud ravimid, millel on kõige vähem kõrvaltoimeid.
Finantssektor. Kvantteooria põhimõtetel põhinevad tehnoloogiad äratavad pankade huvi üha enam. Nad on huvitatud tehingute, tehingute ja muud tüüpi andmete võimalikult kiirest töötlemisest. Barclays ja JP Morgan Chase (koos IBM-iga), aga ka NatWest (koos Fujitsuga) viivad juba läbi oma katseid spetsiaalse tarkvara arendamiseks.
Selliste suurte korporatsioonide heakskiit ja ettevõtlike kvantpioneeride esilekerkimine räägib palju kvantide ärilisest elujõulisusest. Me näeme juba praegu, et kvantarvutust rakendatakse reaalsete probleemide lahendamisel, alates energiatõhususe parandamisest kuni sõidukite marsruutide optimeerimiseni. Ja mis kõige tähtsam, tehnoloogia väärtus kasvab selle arenedes.
Allikas: www.habr.com