קוויביטים במקום ביטים: איזה עתיד מחכה לנו מחשבים קוונטיים?

אחד האתגרים המדעיים העיקריים של זמננו הפך למרוץ ליצור את המחשב הקוונטי השימושי הראשון. משתתפים בו אלפי פיזיקאים ומהנדסים. יבמ, גוגל, עליבאבא, מיקרוסופט ואינטל מפתחות את המושגים שלהן. כיצד ישנה מכשיר מחשוב רב עוצמה את העולם שלנו, ומדוע הוא כל כך חשוב?

תארו לעצמכם לרגע: נוצר מחשב קוונטי מן המניין. זה הפך למרכיב מוכר וטבעי בחיינו. עכשיו מדברים על חישובים קלאסיים רק בבית הספר, בשיעורי היסטוריה. אי שם עמוק במרתפים קרים, מכונות חזקות פועלות על קיוביטים כדי להפעיל רובוטים אינטליגנטיים מלאכותיים. הם מבצעים את כל המשימות המסוכנות והפשוט מונוטוניות. בהליכה בפארק, אתה מסתכל מסביב ורואה כל מיני רובוטים. יצורים דמויי אדם מטיילים עם כלבים, מוכרים גלידה, מתקנים חיווט חשמלי ומטאטאים את האזור. דגמים מסוימים מחליפים חיות מחמד.

קיבלנו את ההזדמנות לחשוף את כל סודות היקום ולהסתכל פנימה. הרפואה הגיעה לרמה חדשה - תרופות חדשניות מפותחות מדי שבוע. אנו יכולים לחזות ולקבוע היכן נמצאים משאבים נדירים כגון גז ונפט. בעיית ההתחממות הגלובלית נפתרה, שיטות החיסכון באנרגיה עברו אופטימיזציה, ואין יותר פקקים בערים. המחשב הקוונטי לא רק שולט בכל המכוניות הרובוטיות, אלא גם מבטיח תנועה חופשית: הוא עוקב אחר המצב בכבישים, מתאים מסלולים ומשתלט על הנהגים במידת הצורך. כך עשוי להיראות העידן הקוונטי.

הבהלה לזהב קוונטית

סיכויי היישום מדהימים, וזו הסיבה שההשקעות בפיתוחים קוונטיים גדלות מדי שנה. שוק המחשוב הקוונטי העולמי הוערך ב-81,6 מיליון דולר ב-2018. מומחי Market.us מעריכים שעד 2026 הוא יגיע ל-381,6 מיליון דולר. כלומר, היא תגדל בממוצע של 21,26% בשנה מ-2019 עד 2026.

צמיחה זו מונעת מהשימוש הגובר בהצפנה קוונטית ביישומי אבטחה ומונעת על ידי השקעות מבעלי עניין בשוק המחשוב הקוונטי. עד תחילת השנה הנוכחית, משקיעים פרטיים מימנו לפחות 52 חברות טכנולוגיה קוונטית ברחבי העולם, לפי ניתוח של כתב העת המדעי Nature. שחקנים מרכזיים כמו יבמ, גוגל, עליבאבא, מיקרוסופט, אינטל ו-D-Wave Systems נאבקים ליצור מחשב קוונטי ישים באופן מעשי.

כן, כל עוד הכסף שזורם לאזור זה מדי שנה מייצג הוצאה קטנה (לעומת 2018 מיליארד דולר בהשקעה בבינה מלאכותית ב-9,3). אבל המספרים האלה משמעותיים עבור תעשייה לא בשלה שעדיין לא מתהדרת באינדיקטורים של ביצועים.

פתרון בעיות קוונטיות

צריך להבין שהיום הטכנולוגיה עדיין בחיתוליה. ניתן היה ליצור רק אבות טיפוס של מכונות קוונטיות ומערכות ניסוי בודדות. הם מסוגלים לבצע אלגוריתמים קבועים בעלי מורכבות נמוכה. המחשב הראשון עם 2 קיוביטים נוצר בשנת 1998, ולקח לאנושות 21 שנים להביא את המכשירים לרמה הנכונה, מה שמכונה "העליונות הקוונטית". מונח זה נטבע על ידי פרופסור קלטק ג'ון פרסקיל. וזה אומר את היכולת של מכשירים קוונטיים לפתור בעיות מהר יותר מהמחשבים הקלאסיים החזקים ביותר.

פריצת דרך בתחום זה נעשתה על ידי חברת גוגל הקליפורנית. בספטמבר 2019, הודיע ​​התאגיד כי מכשיר 53-qubit Sycamore שלו השלים חישוב תוך 200 שניות שייקח למחשב-על מתקדם 10 שנים להשלים. ההצהרה עוררה מחלוקת רבה. יבמ לא הסכימה באופן מוחלט לחישובים כאלה. בבלוג שלה כתבה החברה שמחשב העל Summit שלה יתמודד עם המשימה הזו תוך 000 ימים. וכל מה שצריך זה להגדיל את קיבולת אחסון הדיסק. למרות שבמציאות ההבדל לא היה כל כך אדיר, גוגל אכן הייתה הראשונה להשיג "עליונות קוונטית". וזוהי אבן דרך חשובה בחקר המחשבים. אבל לא יותר מזה. ההישג של השקמה הוא אך ורק למטרות הדגמה. אין לו יישום מעשי והוא חסר תועלת לפתרון בעיות אמיתיות.

הבעיה העיקרית היא החומרה. בעוד שלסיביות חישוביות מסורתיות יש ערך של 0 או 1, בעולם הקוונטי המוזר, קיוביטים יכולים להיות בשני המצבים בו-זמנית. תכונה זו נקראת סופרפוזיציה. קוויביטים הם כמו סביבונים: הם מסתובבים גם בכיוון השעון וגם נגד כיוון השעון, נעים למעלה ולמטה. אם אתה מוצא את זה מבלבל, אז אתה בחברה נהדרת. ריצ'רד פיינמן אמר פעם, "אם אתה חושב שאתה מבין במכניקת הקוונטים, אתה לא מבין אותה." מילים אמיצות מאת האיש שזכה בפרס נובל ל... מכניקת הקוונטים.

אז, קיוביטים הם מאוד לא יציבים ונתונים להשפעות חיצוניות. מכונית שעוברת מתחת לחלונות המעבדה, הרעש הפנימי של מערכת הקירור, חלקיק קוסמי מעופף - כל הפרעה אקראית, כל אינטראקציה משבשת את הסינכרוניות שלהם והם מתפרקים. זה מזיק למחשוב.

שאלת המפתח לפיתוח המחשוב הקוונטי היא איזה פתרון חומרה מבין הרבים שנחקרו יבטיח את יציבות הקיוביטים. מי שפותר את בעיית הקוהרנטיות ויעשה מחשבים קוונטיים נפוצים כמו GPUs יזכה בפרס נובל ויהפוך לאדם העשיר בעולם.

הדרך למסחור

בשנת 2011, החברה הקנדית D-Wave Systems Inc. היה הראשון למכור מחשבים קוונטיים, אם כי התועלת שלהם מוגבלת לבעיות מתמטיות מסוימות. ובחודשים הקרובים, מיליוני מפתחים יוכלו להתחיל להשתמש במעבדים קוונטיים דרך הענן - יבמ מבטיחה לספק גישה למכשיר ה-53 קיוביטים שלה. עד כה, 20 חברות קיבלו את הפריבילגיה הזו במסגרת תוכנית בשם Q Network. ביניהם יצרנית הציוד סמסונג אלקטרוניקה, יצרניות הרכב הונדה מוטור ודיימלר, חברות הכימיה JSR ו-Nagase, הבנקים JPMorgan Chase & Co. וברקליס.

רוב החברות שמתנסות היום במחשוב קוונטי רואות בו חלק בלתי נפרד מהעתיד. המשימה העיקרית שלהם כעת היא לגלות מה עובד במחשוב קוונטי ומה לא. והיה מוכן להיות הראשון שמכניס טכנולוגיה לעסקים כשהיא מוכנה.

ארגוני תחבורה. פולקסווגן, יחד עם D-Wave, מפתחת אפליקציה קוונטית - מערכת בקרת תנועה. התוכנית החדשה תאפשר לארגוני תחבורה ציבורית ולחברות מוניות בערים גדולות להשתמש בצי שלהם בצורה יעילה יותר ולמזער את זמן ההמתנה של הנוסעים.

מגזר אנרגיה. ExxonMobil ו-IBM מקדמות את השימוש במחשוב קוונטי במגזר האנרגיה. הם מתמקדים בפיתוח מגוון טכנולוגיות אנרגיה חדשות, שיפור היעילות האנרגטית והפחתת פליטת גזי חממה. קנה המידה והמורכבות של האתגרים העומדים בפני תחום האנרגיה הם מעבר להיקף המחשבים המסורתיים של ימינו והם מתאימים היטב לבדיקה על מחשבים קוונטיים.

חברות תרופות. Accenture Labs משתפת פעולה עם 1QBit, חברת תוכנה קוונטית. תוך חודשיים בלבד, הם עברו ממחקר להוכחת מושג - תוך שימוש באפליקציה למודל של אינטראקציות מולקולריות מורכבות ברמות אטומיות. הודות לכוחו של מחשוב קוונטי, ניתן כיום לנתח מולקולות גדולות יותר. מה זה ייתן לחברה? תרופות חדשניות עם הכי פחות תופעות לוואי.

מגזר פיננסי. טכנולוגיות המבוססות על עקרונות תורת הקוונטים מושכות יותר ויותר את התעניינותם של הבנקים. הם מעוניינים לעבד עסקאות, עסקאות וסוגים אחרים של נתונים במהירות האפשרית. ברקליס וג'יי.פי מורגן צ'ייס (עם IBM), כמו גם NatWest (עם Fujitsu) כבר עורכים את הניסויים שלהם בפיתוח תוכנה מיוחדת.

ההתקבלות על ידי תאגידים גדולים כל כך והופעת חלוצים קוונטיים יוזמים מדברות רבות על הכדאיות המסחרית של הקוונטים. אנחנו כבר רואים את המיחשוב הקוונטי מיושם על בעיות בעולם האמיתי, משיפור יעילות האנרגיה ועד לאופטימיזציה של מסלולי הרכב. וחשוב מכך, הערך של הטכנולוגיה יגדל ככל שהיא תתפתח.

מקור: www.habr.com