Korunk egyik fő tudományos kihívása az első hasznos kvantumszámítógép megalkotásáért folytatott verseny lett. Fizikusok és mérnökök ezrei vesznek részt benne. Az IBM, a Google, az Alibaba, a Microsoft és az Intel fejleszti koncepcióit. Hogyan változtatja meg világunkat egy nagy teljesítményű számítástechnikai eszköz, és miért olyan fontos?
Képzeld el egy pillanatra: egy teljes értékű kvantumszámítógépet hoztak létre. Életünk megszokott és természetes elemévé vált. A klasszikus számításokról ma már csak az iskolában, történelemórákon esik szó. Valahol a hideg pincék mélyén nagy teljesítményű gépek qubitekkel működnek mesterségesen intelligens robotok meghajtására. Minden veszélyes és egyszerűen monoton feladatot elvégeznek. A parkban sétálva körülnézel és mindenféle robotot látsz. Humanoid lények kutyákat sétáltatnak, fagylaltot árulnak, elektromos vezetékeket javítanak, és felseperik a területet. Egyes modellek helyettesítik a háziállatokat.
Lehetőséget kaptunk, hogy felfedjük az Univerzum minden titkát, és magunkba nézzünk. Az orvostudomány új szintre lépett - minden héten innovatív gyógyszereket fejlesztenek ki. Előre jelezhetjük és meghatározhatjuk, hol találhatók a szűkös erőforrások, például a gáz és az olaj. Megoldódott a globális felmelegedés problémája, optimalizálták az energiatakarékossági módszereket, és nincs többé torlódás a városokban. A kvantumszámítógép nemcsak az összes robotautót irányítja, hanem a szabad mozgást is biztosítja: figyeli az utakon kialakult helyzetet, igazítja az útvonalakat, és szükség esetén átveszi az irányítást a vezetőktől. Így nézhet ki a kvantumkorszak.
Quantum Gold Rush
Az alkalmazási kilátások elképesztőek, ezért a kvantumfejlesztésekbe való befektetések évről évre nőnek. A kvantumszámítástechnikai világpiac értéke 81,6-ban 2018 millió dollár volt. A Market.us szakértői becslése szerint 2026-ra eléri a 381,6 millió dollárt. Vagyis 21,26-től 2019-ig átlagosan évi 2026%-kal fog növekedni.
Ezt a növekedést a kvantumkriptográfia növekvő biztonsági alkalmazásai, valamint a kvantumszámítástechnikai piac érdekelt feleitől származó befektetések ösztönzik. A Nature tudományos folyóirat elemzése szerint az idei év elejéig a magánbefektetők legalább 52 kvantumtechnológiai vállalatot finanszíroztak világszerte. A főbb szereplők, mint például az IBM, a Google, az Alibaba, a Microsoft, az Intel és a D-Wave Systems küzdenek egy gyakorlatilag alkalmazható kvantumszámítógép létrehozásával.
Igen, mindaddig, amíg az erre a területre évente befolyó pénz csekély kiadást jelent (szemben a 2018-as 9,3 milliárd dolláros mesterségesintelligencia-befektetéssel). De ezek a számok jelentősek egy éretlen iparág számára, amely még nem büszkélkedhet teljesítménymutatókkal.
Kvantumfeladatok megoldása
Meg kell értenie, hogy a technológia ma még gyerekcipőben jár. Csak kvantumgépek prototípusait és egyedi kísérleti rendszereket lehetett létrehozni. Alacsony bonyolultságú rögzített algoritmusok végrehajtására képesek. Az első 2 qubit-es számítógépet 1998-ban hozták létre, és az emberiségnek 21 évbe telt, mire az eszközöket a megfelelő szintre, az úgynevezett „kvantumfölényre” hozta. Ezt a kifejezést a Caltech professzora, John Preskill alkotta meg. És ez azt jelenti, hogy a kvantumeszközök képesek gyorsabban megoldani a problémákat, mint a legerősebb klasszikus számítógépek.
Ezen a területen a kaliforniai Google cég hozott áttörést. 2019 szeptemberében a vállalat bejelentette, hogy 53 qubit-es Sycamore készüléke 200 másodperc alatt elvégezte azt a számítást, amely egy korszerű szuperszámítógépnek 10 000 évbe telik. A nyilatkozat sok vitát váltott ki. Az IBM kategorikusan nem értett egyet az ilyen számításokkal. A cég blogjában azt írta, hogy Summit szuperszámítógépe 2,5 nap alatt megbirkózik ezzel a feladattal. És csak a lemez tárolókapacitásának növelésére van szükség. Bár a valóságban a különbség nem volt olyan óriási, valóban a Google volt az első, aki elérte a „kvantumfölényt”. És ez egy fontos mérföldkő a számítógépes kutatásban. De semmi több. Sycamore bravúrja pusztán demonstrációs célokat szolgál. Nincs gyakorlati alkalmazása, és valós problémák megoldására használhatatlan.
A fő probléma a hardver. Míg a hagyományos számítási bitek értéke 0 vagy 1, addig a furcsa kvantumvilágban a qubitek mindkét állapotban lehetnek egyszerre. Ezt a tulajdonságot szuperpozíciónak nevezzük. A qubitok olyanok, mint a pörgők: az óramutató járásával megegyezően és azzal ellentétes irányban is forognak, fel-le mozognak. Ha ezt zavarónak találja, akkor remek társaságba került. Richard Feynman egyszer azt mondta: "Ha azt hiszed, hogy értesz a kvantummechanikához, akkor nem érted." Bátor szavak attól az embertől, aki Nobel-díjat kapott... kvantummechanikáért.
Tehát a kubitok rendkívül instabilak és külső hatásoknak vannak kitéve. A laboratórium ablakai alatt elhaladó autó, a hűtőrendszer belső zaja, egy repülő kozmikus részecske - bármilyen véletlenszerű interferencia, bármilyen interakció megzavarja szinkronjukat és dekoherálnak. Ez káros a számítástechnikára.
A kvantumszámítástechnika fejlesztésének kulcskérdése az, hogy a sok feltárt hardveres megoldás közül melyik biztosítja a qubitek stabilitását. Aki megoldja a koherencia problémát, és a kvantumszámítógépeket olyan elterjedtté teszi, mint a GPU-kat, az elnyeri a Nobel-díjat, és a világ leggazdagabb emberévé válik.
Út a kommercializációhoz
2011-ben a kanadai D-Wave Systems Inc. elsőként adott el kvantumszámítógépeket, bár ezek hasznossága bizonyos matematikai problémákra korlátozódik. A következő hónapokban pedig fejlesztők milliói kezdhetik meg a kvantumprocesszorok használatát a felhőn keresztül – az IBM azt ígéri, hozzáférést biztosít 53 qubites eszközéhez. Eddig 20 cég részesült ebben a kiváltságban a Q Network nevű program keretében. Köztük van a Samsung Electronics berendezésgyártó, a Honda Motor és a Daimler autógyártó, a JSR és a Nagase vegyipari cégek, valamint a JPMorgan Chase & Co. bankok. és a Barclays.
A kvantumszámítással ma kísérletező legtöbb vállalat a jövő szerves részének tekinti. Fő küldetésük most az, hogy megtudják, mi működik a kvantumszámítástechnikában, és mi nem. És készen álljon arra, hogy elsőként vezesse be a technológiát az üzleti életbe, amikor az készen áll.
Közlekedési szervezetek. A Volkswagen a D-Wave-vel közösen kvantumalkalmazást – egy forgalomirányító rendszert – fejleszt. Az új program lehetővé teszi a nagyvárosi tömegközlekedési szervezetek és taxitársaságok számára, hogy hatékonyabban használják flottáikat, és minimalizálják az utasok várakozási idejét.
Energia szektor. Az ExxonMobil és az IBM a kvantumszámítástechnika használatát támogatja az energiaszektorban. Egy sor új energiatechnológia kifejlesztésére, az energiahatékonyság javítására és az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésére összpontosítanak. Az energiaszektor előtt álló kihívások nagysága és összetettsége meghaladja a mai hagyományos számítógépek hatókörét, és kiválóan alkalmas kvantum számítógépeken történő tesztelésre.
Gyógyszeripari cégek. Az Accenture Labs együttműködik az 1QBittel, egy kvantumszoftver-céggel. Mindössze 2 hónap alatt eljutottak a kutatástól a koncepció bizonyításához – egy alkalmazás segítségével komplex molekuláris kölcsönhatásokat modelleztek atomi szinten. A kvantumszámítás erejének köszönhetően ma már nagyobb molekulák elemzése is lehetséges. Mit ad ez a társadalomnak? Innovatív gyógyszerek a legkevesebb mellékhatással.
Pénzügyi szektor. A kvantumelmélet elvein alapuló technológiák egyre inkább felkeltik a bankok érdeklődését. Érdekelnek a tranzakciók, kereskedések és más típusú adatok mielőbbi feldolgozásában. A Barclays és a JP Morgan Chase (az IBM-mel), valamint a NatWest (Fujitsuval) már folytatja kísérleteit speciális szoftverek fejlesztésében.
Az ilyen nagyvállalatok elfogadása és a vállalkozó szellemű kvantumúttörők megjelenése sokat beszél a kvantum kereskedelmi életképességéről. Már most látjuk, hogy a kvantumszámítástechnikát valós problémák megoldására alkalmazzák, az energiahatékonyság javításától a járművek útvonalának optimalizálásáig. És ami még fontos, a technológia értéke a fejlődés során növekedni fog.
Forrás: will.com