A tudományos kihívások közül az egyik legfontosabb feladat a világ első hasznos kvantumszámítógépének megalkotása. Ebben a versenyben több ezer fizikus és mérnök vesz részt. Koncepcióikat dolgozza ki az IBM, a Google, az Alibaba, a Microsoft és az Intel. Hogyan változtatja meg a világunkat egy ilyen erőteljes számítógép, és miért olyan fontos ez?
Képzeljük el egy pillanatra: egy teljes értékű kvantumszámítógép készen áll. Ez már természetes és szokványos része az életünknek. A klasszikus számításokról már csak az iskolában, történelemórákon beszélnek. Valahol a hideg pincék mélyén hatalmas gépek kvibit kezelnek, hogy fenntartsák az intelligens robottal felszerelt készülékek működését. Ezek mind a veszélyes, mind a monoton feladatokat elvégzik. Amikor sétál a parkban, körülnéz, és mindenféle robotot lát. Humanoid lények kutyákat sétáltatnak, fagyit árulnak, elektromos vezetékeket javítanak, területet söpörnek. Néhány modell a házi kedvenceket helyettesíti.
Lehetőségünk nyílt arra, hogy felfedjük a világmindenség összes titkát és bepillantást nyerjünk a saját belsőnkbe. Az orvostudomány új szintre lépett - innovatív gyógyszerek fejlesztése zajlik hetente. Képesek vagyunk előre jelezni és meghatározni, hol találhatók a szűkös erőforrások, mint a gáz és az olaj. Megoldódott a globális felmelegedés problémája, optimalizálták az energia-megtakarítási módszereket, a városokban nincsenek dugók. A kvantumszámítógép nemcsak az összes robotizált gépet irányítja, hanem biztosítja a szabad közlekedést is: figyeli az utakat, módosítja az útvonalakat, és szükség esetén átveszi az irányítást a sofőröktől. Így nézhet ki a kvantum kor.
Kvantum aranyláz
A felhasználási lehetőségek lenyűgözőek, ezért a kvantumfejlesztésekbe fektetett befektetések évente növekednek. A kvantumszámítással foglalkozó globális piacot 2018-ban 81,6 millió USD-ra becsülték. A Market.us szakértői azt várják, hogy 2026-ra ez eléri a 381,6 millió USD-t. Ez azt jelenti, hogy 2019 és 2026 között átlagosan évi 21,26%-kal fog növekedni.
Ez a növekedés a kvantumkriptográfia növekvő alkalmazásával a biztonsági megoldások között, valamint a kvantumszámítástechnikai piac érdekeltségeinek befektetéseivel magyarázható. Az év eleji elemzés szerint a Nature tudományos folyóirat szerint a magánbefektetők világszerte legalább 52 kvantumtechnológiás vállalatot támogattak. A gyakorlati kvantumszámítógépek kidolgozásán olyan nagy szereplők dolgoznak, mint az IBM, a Google, az Alibaba, a Microsoft, az Intel és a D-Wave Systems.
Igen, bár a területre évente beérkező tőke még mindig viszonylag kis költség (összehasonlításul: 2018-ban a mesterséges intelligenciába fektetett tőke 9,3 milliárd dollár volt). De ez az összeg jelentős egy éretlen iparág számára, amely még nem büszkélkedhet hatékonysági mutatókkal.
Kvantumproblémák megoldása
Meg kell értenünk, hogy a technológia ma még gyerekcipőben jár. Csak kvantumgépek prototípusait hozták létre, egyedi kísérleti rendszereket. Ezek képesek csak kis bonyolultságú rögzített algoritmusok végrehajtására. Az első 2 qubites számítógép 1998-ban készült, és az emberiségnek 21 évre volt szüksége, hogy a készülékeket a „kvantum fölény” elnevezésű szintre emelje. Ezt a kifejezést John Preskill, a Kaliforniai Műszaki Intézet professzora vezette be, amely azt a képességet jelenti, hogy a kvantumkészülékek gyorsabban oldanak meg feladatokat, mint a legnagyobb teljesítményű klasszikus számítógépek.
A területen áttörést ért el a kaliforniai Google. 2019 szeptemberében a vállalat bejelentette, hogy 53 qubites Sycamore berendezése 200 másodperc alatt elvégezte a számítást, amelyhez a legmodernebb szuperszámítógépnek 10 000 évre lett volna szüksége. A kijelentés sok vitát váltott ki. Az IBM kategorikusan nem értett egyet ezekkel a számítással. A blogjukban a cég azt írta, hogy a Summit szuperszámítógép 2,5 nap alatt képes lenne megoldani ezt a feladatot. És mindössze annyira lenne szükség, hogy növeljék a tárolókapacitást. Bár a valóságban a különbség nem volt olyan óriási, a Google valóban elsőként érte el a "kvantum fölényt". Ez fontos mérföldkő a számítástechnikai kutatásokban. De nem több mint ez. A Sycamore teljesítménye kizárólag demonstrációs jellegű. Nincs gyakorlati felhasználása, és haszontalan a valós problémák megoldására.
A fő probléma a hardver. Míg a hagyományos számítástechnikai bitek értéke 0 vagy 1, a különös kvantum világban a qubiteknak mindkét állapotban egyszerre kell lenniük. Ezt a tulajdonságot szuperpozíciónak hívják. A qubiteket úgy kell elképzelni, mint a forogó pörgettyűket: egyszerre forognak az óramutató járásával megegyezően és ellenkezőleg, felfelé és lefelé mozognak. Ha zavarosnak találja ezt, jó társaságban van. Richard Feynman egyszer azt mondta: "Ha úgy gondolja, hogy érti a kvantummechanikát, akkor nem érti." Merész szavak egy embertől, aki Nobel-díjat kapott a ... kvantummechanikáért.
Tehát a qubiteknak rendkívül instabilnak kell lenniük, és érzékenyek a külső hatásokra. Az ablak alatt elhaladó autó, a hűtőrendszer belső zajai, egy átrepülő űr részecske - bármilyen véletlenszerű zavarás, bármilyen interakció megszakítja az összhangjukat, és dekohereálódnak. Ez pusztító hatással van a számításokra.
A kvantumszámítástechnika fejlődésének kulcskérdése, hogy a sok vizsgált hardver megoldás közül melyik biztosítja a qubit stabilitását. Aki megoldja a koherencia megsértésének problémáját, és a kvantum számítógépeket olyan elterjedté teszi, mint a grafikus processzorokat, Nobel-díjat nyer, és a világ leggazdagabb embere lesz.
Az üzleti hasznosítás felé vezető út
2011-ben a kanadai D-Wave Systems Inc. volt az első, aki kvantumszámítógépeket kezdett árusítani, bár hasznosságuk bizonyos matematikai feladatokra korlátozódik. A közeljövőben pedig milliók számára nyílik lehetőség kvantumprocesszorokat használni felhőn keresztül — az IBM ígérete szerint hozzáférést biztosít a 53-qbit-es eszközéhez. Jelenleg a Q Network program keretein belül 20 vállalat kapott ilyen privilégiumot, köztük a Samsung Electronics, a Honda Motor és a Daimler autógyártók, a JSR és Nagase vegyipari cégek, valamint a JPMorgan Chase & Co. és Barclays bankok.
A legtöbb cég, amely ma kvantumszámításokkal kísérletezik, ezeket a jövő elengedhetetlen részeként tekinti. Jelenlegi fő küldetésük, hogy kiderítsék, mi működik a kvantumszámításokban és mi nem. Készen állnak arra, hogy elsőként vezessék be a technológiát az üzletbe, amikor az készen áll.
Szállítmányozási szervezetek. A Volkswagen a D-Wave céggel közösen kvantumalkalmazást fejleszt ki — egy forgalomirányító rendszert. Az új program lehetővé teszi, hogy a közlekedési szervezetek és a nagyvárosi taxis cégek hatékonyabban használják járműparkjukat és minimalizálják az utasok várakozási idejét.
Energiaágazat. Az ExxonMobil és az IBM a kvantumszámítások alkalmazását népszerűsíti az energetikában. A figyelmük középpontjában új energiatechnológiák fejlesztése, az energiahatékonyság növelése és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése áll. Az energiaágazat által felmerülő feladatok nagysága és bonyolultsága túllép a hagyományos számítógépek képességein, ezért jól illeszkedik a kvantumteszteléshez.
Gyógyszeripari vállalatok. Az Accenture Labs együttműködik az 1QBit-tel, amely kvantumprogramozási szoftvert fejleszt. Mindössze 2 hónap alatt a kutatásból áttértek a koncepció ellenőrzésére — egy alkalmazás alkalmazására, amely a bonyolult molekuláris kölcsönhatások modellezésére szolgál atom szinten. A kvantumszámítások erejének köszönhetően lehetőség nyílik nagyobb molekulák elemzésére. Mit hoz ez a társadalom számára? Innovatív gyógyszerek kevesebb mellékhatással.
Pénzügyi szektor. A kvantumelméleten alapuló technológiák egyre nagyobb figyelmet vonzanak a bankok részéről. Érdeklik őket a tranzakciók, ügyletek és egyéb adatok lehető leggyorsabb feldolgozása. A Barclays és a JP Morgan Chase (az IBM-mel), valamint a NatWest (a Fujitsu-val) már folytatják a szakosodott szoftverek fejlesztésére irányuló kísérleteiket.
Az ilyen nagyvállalatok általi elfogadás és a vállalkozó szellemű kvantum úttörők megjelenése a kvantum kereskedelmi életképességét jelzi. Már látjuk, ahogyan a kvantumszámítást valós világbeli feladatokra használják — az energiahatékonyságtól kezdve a járművek útvonalának optimalizálásáig. Ami fontos, a technológia értéke a fejlődés során növekedni fog.
Forrás: habr.com
