Yksi aikamme tärkeimmistä tieteellisistä haasteista on ollut kilpailu ensimmäisen hyödyllisen kvanttitietokoneen luomisesta. Tuhannet fyysikot ja insinöörit osallistuvat siihen. IBM, Google, Alibaba, Microsoft ja Intel kehittävät konseptejaan. Miten tehokas tietokonelaite muuttaa maailmaamme ja miksi se on niin tärkeä?
Kuvittele hetki: täysimittainen kvanttitietokone on luotu. Siitä on tullut tuttu ja luonnollinen osa elämäämme. Klassisista laskennoista puhutaan nykyään vain koulussa, historian tunneilla. Jossain syvällä kylmissä kellareissa tehokkaat koneet toimivat kubiteilla keinotekoisesti älykkäiden robottien tehostamiseksi. He suorittavat kaikki vaaralliset ja yksinkertaisesti yksitoikkoiset tehtävät. Puiston läpi kävellessäsi katselet ympärillesi ja näet kaikenlaisia robotteja. Humanoidiolennot ulkoiluttavat koiria, myyvät jäätelöä, korjaavat sähköjohtoja ja lakaisvat aluetta. Jotkut mallit korvaavat lemmikkieläimet.
Saimme mahdollisuuden paljastaa kaikki universumin salaisuudet ja katsoa itseemme. Lääketiede on saavuttanut uuden tason - innovatiivisia lääkkeitä kehitetään joka viikko. Voimme ennustaa ja määrittää, missä niukat resurssit, kuten kaasu ja öljy, sijaitsevat. Ilmaston lämpenemisen ongelma on ratkaistu, energiansäästömenetelmiä on optimoitu, eikä kaupungeissa ole enää ruuhkaa. Kvanttitietokone ei ainoastaan ohjaa kaikkia robottiautoja, vaan varmistaa myös vapaan liikkumisen: se seuraa tilannetta tiellä, säätää reittejä ja ottaa ohjauksen tarvittaessa kuljettajilta. Tältä kvanttiaika saattaa näyttää.
Quantum Gold Rush
Sovellusnäkymät ovat hämmästyttävät, minkä vuoksi panostukset kvanttikehitykseen kasvavat joka vuosi. Maailmanlaajuisten kvanttilaskentamarkkinoiden arvoksi arvioitiin 81,6 miljoonaa dollaria vuonna 2018. Market.us-asiantuntijat arvioivat, että vuoteen 2026 mennessä se nousee 381,6 miljoonaan dollariin. Tämä tarkoittaa, että se kasvaa keskimäärin 21,26 prosenttia vuodessa vuodesta 2019 vuoteen 2026.
Kasvua vauhdittaa kvanttisalauksen lisääntyvä käyttö tietoturvasovelluksissa ja kvanttilaskentamarkkinoiden sidosryhmien investoinnit. Tämän vuoden alkuun mennessä yksityiset sijoittajat olivat rahoittaneet vähintään 52 kvanttiteknologiayritystä maailmanlaajuisesti, Nature-tiedejulkaisun analyysin mukaan. Tärkeimmät toimijat, kuten IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel ja D-Wave Systems, kamppailevat luodakseen käytännössä käyttökelpoista kvanttitietokonetta.
Kyllä, kunhan tälle alueelle vuosittain virtaava raha edustaa pientä menoa (verrattuna 2018 miljardin dollarin AI-investointiin vuonna 9,3). Mutta nämä luvut ovat merkittäviä kehittymättömälle toimialalle, jolla ei vielä ole suorituskykyindikaattoreita.
Kvanttiongelmien ratkaiseminen
Sinun on ymmärrettävä, että tänään tekniikka on vielä lapsenkengissään. Oli mahdollista luoda vain prototyyppejä kvanttikoneista ja yksittäisistä koejärjestelmistä. Ne pystyvät suorittamaan kiinteitä ja vähän monimutkaisia algoritmeja. Ensimmäinen 2-kubitinen tietokone luotiin vuonna 1998, ja ihmiskunnalla kesti 21 vuotta saada laitteet oikealle tasolle, niin sanotulle "kvanttiylivallalle". Tämän termin loi Caltechin professori John Preskill. Ja se tarkoittaa kvanttilaitteiden kykyä ratkaista ongelmia nopeammin kuin tehokkaimmat klassiset tietokoneet.
Tällä alueella läpimurron teki kalifornialainen Google. Syyskuussa 2019 yhtiö ilmoitti, että sen 53 kubitin Sycamore-laitteensa suoritti 200 sekunnissa laskelman, joka vaati huippuluokan supertietokoneen suorittamiseen 10 000 vuotta. Lausunto aiheutti paljon keskustelua. IBM oli kategorisesti eri mieltä tällaisista laskelmista. Yritys kirjoitti blogissaan, että sen Summit-supertietokone selviää tästä tehtävästä 2,5 päivässä. Ja kaikki mitä tarvitaan, on lisätä levyn tallennuskapasiteettia. Vaikka todellisuudessa ero ei ollut niin valtava, Google oli todellakin ensimmäinen, joka saavutti "kvanttiylivallan". Ja tämä on tärkeä virstanpylväs tietokonetutkimuksessa. Mutta ei sen enempää. Sycamoren saavutus on puhtaasti esittelytarkoituksessa. Sillä ei ole käytännön sovellusta, ja se on hyödytön todellisten ongelmien ratkaisemiseen.
Suurin ongelma on laitteisto. Perinteisten laskennallisten bittien arvo on 0 tai 1, mutta oudossa kvanttimaailmassa kubitit voivat olla molemmissa tiloissa samanaikaisesti. Tätä ominaisuutta kutsutaan superpositioksi. Qubitit ovat kuin kehruja: ne pyörivät sekä myötä- että vastapäivään, liikkuvat ylös ja alas. Jos tämä on mielestäsi hämmentävää, olet loistavassa seurassa. Richard Feynman sanoi kerran: "Jos luulet ymmärtäväsi kvanttimekaniikkaa, et ymmärrä sitä." Rohkeat sanat mieheltä, joka voitti Nobelin... kvanttimekaniikasta.
Joten kubitit ovat erittäin epävakaita ja alttiina ulkoisille vaikutuksille. Laboratorion ikkunoiden alta kulkeva auto, jäähdytysjärjestelmän sisäinen melu, lentävä kosminen hiukkanen - mikä tahansa satunnainen häiriö, mikä tahansa vuorovaikutus häiritsee niiden synkronisuutta ja ne hajoavat. Tämä on haitallista tietojenkäsittelylle.
Kvanttilaskennan kehittämisen avainkysymys on, mikä laitteistoratkaisu monista tutkituista takaa kubittien vakauden. Se, joka ratkaisee koherenssiongelman ja tekee kvanttitietokoneista yhtä yleisiä kuin GPU:t, voittaa Nobel-palkinnon ja hänestä tulee maailman rikkain ihminen.
Tie kaupallistamiseen
Vuonna 2011 kanadalainen yritys D-Wave Systems Inc. oli ensimmäinen, joka myi kvanttitietokoneita, vaikka niiden käyttökelpoisuus rajoittuu tiettyihin matemaattisiin ongelmiin. Ja lähikuukausina miljoonat kehittäjät voivat aloittaa kvanttiprosessorien käytön pilven kautta – IBM lupaa tarjota pääsyn 53 qubit-laitteeseensa. Tähän mennessä 20 yritystä on saanut tämän etuoikeuden Q Network -nimisen ohjelman puitteissa. Heidän joukossaan ovat laitevalmistaja Samsung Electronics, autonvalmistajat Honda Motor ja Daimler, kemianyhtiöt JSR ja Nagase, pankit JPMorgan Chase & Co. ja Barclays.
Useimmat tänään kvanttilaskentaa kokeilevat yritykset näkevät sen olennaisena osana tulevaisuutta. Heidän päätehtävänsä on nyt selvittää, mikä toimii kvanttilaskennassa ja mikä ei. Ja ole valmis ottamaan teknologian käyttöön ensimmäisenä, kun se on valmis.
Kuljetusorganisaatiot. Volkswagen kehittää yhdessä D-Waven kanssa kvanttisovellusta – liikenteenohjausjärjestelmää. Uusi ohjelma mahdollistaa suurten kaupunkien joukkoliikenneorganisaatioiden ja taksiyritysten tehokkaamman kaluston käytön ja matkustajien odotusajan minimoimisen.
Energia-ala. ExxonMobil ja IBM edistävät kvanttilaskennan käyttöä energia-alalla. Ne keskittyvät uusien energiateknologioiden kehittämiseen, energiatehokkuuden parantamiseen ja kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen. Energia-alan kohtaamien haasteiden laajuus ja monimutkaisuus ovat nykypäivän perinteisten tietokoneiden ulottumattomissa, ja ne soveltuvat hyvin kvanttitietokoneiden testaukseen.
Lääkeyhtiöt. Accenture Labs tekee yhteistyötä kvanttiohjelmistoyrityksen 1QBitin kanssa. Vain kahdessa kuukaudessa he siirtyivät tutkimuksesta konseptin todistamiseen käyttämällä sovellusta monimutkaisten molekyylien vuorovaikutusten mallintamiseen atomitasoilla. Kvanttilaskennan tehon ansiosta on nyt mahdollista analysoida suurempia molekyylejä. Mitä tämä antaa yhteiskunnalle? Innovatiiviset lääkkeet, joilla on vähiten sivuvaikutuksia.
Taloussektori. Kvanttiteorian periaatteisiin perustuvat tekniikat herättävät yhä enemmän pankkien kiinnostusta. He ovat kiinnostuneita käsittelemään tapahtumat, kaupat ja muun tyyppiset tiedot mahdollisimman nopeasti. Barclays ja JP Morgan Chase (IBM:n kanssa) sekä NatWest (Fujitsun kanssa) tekevät jo kokeilujaan erikoisohjelmistojen kehittämiseksi.
Tällaisten suurten yritysten hyväksyntä ja yritteliäiden kvanttipioneerien ilmaantuminen puhuu paljon kvantin kaupallisesta kannattavuudesta. Näemme jo nyt kvanttilaskentaa soveltavan todellisiin ongelmiin energiatehokkuuden parantamisesta ajoneuvoreittien optimointiin. Ja mikä tärkeintä, teknologian arvo kasvaa sen kehittyessä.
Lähde: will.com