Een van de belangrijkste wetenschappelijke uitdagingen van onze tijd is de race om de eerste nuttige quantumcomputer te creƫren. Duizenden fysici en ingenieurs zijn hierbij betrokken. Bedrijven zoals IBM, Google, Alibaba, Microsoft en Intel ontwikkelen hun concepten. Hoe zal zo'n krachtig rekentoestel onze wereld veranderen en waarom is dit zo belangrijk?
Stelt u zich even voor: een volwaardige quantumcomputer is ontwikkeld. Het is een algemeen en natuurlijk element van ons leven geworden. Over klassieke berekeningen wordt nu alleen nog op school gesproken, tijdens geschiedenislessen. Diep in koude kelders opereren krachtige machines met qubits om robots, uitgerust met kunstmatige intelligentie, operationeel te houden. Ze voeren alle gevaarlijke en gewoon monotone taken uit. Terwijl u door het park wandelt, kijkt u om u heen en ziet u allerlei soorten robots. Mensachtige wezens die honden uitlaten, ijs verkopen, elektriciteit repareren en de straat schoonmaken. Sommige modellen vervangen huisdieren.
We hebben de mogelijkheid gekregen om alle geheimen van het universum te onthullen en in onszelf te kijken. De geneeskunde is naar een nieuw niveau getild ā innovatieve medicijnen worden elke week ontwikkeld. We kunnen voorspellen en bepalen waar schaarse hulpbronnen, zoals gas en olie, zich bevinden. Het probleem van de opwarming van de aarde is opgelost, energiebesparingsmethoden zijn geoptimaliseerd en in de steden zijn er geen files meer. De quantumcomputer bestuurt niet alleen alle robotmachines, maar zorgt ook voor een vrije doorstroming: hij houdt de situatie op de wegen in de gaten, past routes aan en neemt indien nodig de controle over van bestuurders. Dit is hoe het quantumtijdperk eruit kan zien.
Quantumgoudkoorts
De mogelijkheden van toepassingen zijn verbazingwekkend, daarom groeien de investeringen in quantumtechnologieƫn elk jaar. De wereldmarkt voor quantumcomputing werd in 2018 geschat op 81,6 miljoen dollar. Market.us-specialisten voorspellen dat deze tegen 2026 zal oplopen tot 381,6 miljoen dollar. Dit betekent een gemiddelde groei van 21,26% per jaar van 2019 tot 2026.
Deze groei wordt gestimuleerd door het toenemende gebruik van kwantumcryptografie in beveiligingsapplicaties en is veroorzaakt door investeringen van belanghebbenden in de markt voor kwantumcomputing. Begin dit jaar hebben particuliere investeerders volgens een analyse van het wetenschappelijke tijdschrift Nature minstens 52 bedrijven in kwantumtechnologie wereldwijd gefinancierd. Grote spelers zoals IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel en D-Wave Systems werken aan de ontwikkeling van een praktisch toepasbare kwantumcomputer.
Ja, tot nu toe vertegenwoordigen de middelen die jaarlijks in dit gebied komen nog steeds een relatief kleine uitgave (ter vergelijking: in 2018 bedroegen de investeringen in AI 9,3 miljard dollar). Maar deze cijfers zijn significant voor een onvolwassen sector die nog geen prestatiestatistieken kan voorleggen.
Kwantumproblemen oplossen
Het is belangrijk te begrijpen dat de technologie tot op heden nog in de kinderschoenen staat. Tot nu toe zijn er alleen prototypes van kwantummachines en een aantal experimentele systemen ontwikkeld. Ze kunnen vastgestelde algoritmes van beperkte complexiteit uitvoeren. De eerste 2-qubit computer werd in 1998 geproduceerd en de mensheid heeft 21 jaar nodig gehad om deze apparaten naar het gewenste niveau van zogenaamde 'kwantumovermacht' te brengen. Deze term werd geĆÆntroduceerd door professor John Preskill van het California Institute of Technology. Het betekent dat kwantumapparaten in staat zijn om problemen sneller op te lossen dan de krachtigste klassieke computers.
Een doorbraak op dit gebied werd bereikt door het Californische bedrijf Google. In september 2019 verklaarde de onderneming dat hun 53-qubit apparaat Sycamore in 200 seconden een berekening had uitgevoerd, waarvoor de meest moderne supercomputer 10.000 jaar nodig zou hebben. Deze bewering leidde tot veel discussie. Bij IBM waren ze het met deze berekeningen absoluut niet eens. In hun blog schreef het bedrijf dat hun supercomputer Summit deze taak in 2,5 dag kan uitvoeren. En alles wat daarvoor nodig is, is een grotere opslagcapaciteit. Hoewel het verschil in werkelijkheid niet zo kolossaal bleek, bereikte Google daadwerkelijk als eerste 'kwantumvoordeel'. Dit is een belangrijke mijlpaal in de computeronderzoeken, maar niet meer dan dat. De prestatie van Sycamore is uitsluitend demonstratief. Het heeft geen praktische toepassing en is nutteloos voor het oplossen van echte problemen.
Het belangrijkste probleem is de hardware. Terwijl traditionele rekenbits de waarde 0 of 1 hebben, kunnen qubits in de vreemde kwantumwereld tegelijkertijd in beide toestanden verkeren. Deze eigenschap wordt superpositie genoemd. Qubits zijn vergelijkbaar met draaiende tops: ze draaien tegelijkertijd met de klok mee en tegen de klok in, en bewegen ook omhoog en omlaag. Als je dit verwarrend vindt, dan ben je in goed gezelschap. Richard Feynman zei ooit: 'Als je denkt dat je kwantummechanica begrijpt, dan begrijp je het niet.' Dappere woorden van iemand die de Nobelprijs heeft ontvangen voorā¦ kwantummechanica.
Dus, qubits zijn uiterst instabiel en gevoelig voor externe invloeden. Een passerende auto onder het laboratoriumraam, het interne geluid van het koelsysteem, een voorbijzwevende deeltjes uit de ruimte ā elke willekeurige storing, elke interactie verstoort hun synchronisatie en ze decohereren. Dit is verwoestend voor berekeningen.
De cruciale vraag voor de ontwikkeling van kwantumcomputing is welke hardware-oplossing van de vele onderzochte oplossingen stabiliteit kan garanderen voor qubits. Degene die het probleem van coherentieonderbreking oplost en ervoor zorgt dat kwantumcomputers net zo wijdverbreid worden als grafische processors, zal de Nobelprijs ontvangen en de rijkste persoon ter wereld worden.
De weg naar commercialisering
In 2011, the Canadian company D-Wave Systems Inc. became the first to sell quantum computers, although their usefulness is limited to specific mathematical tasks. In the coming months, millions of developers will be able to start using quantum processors via the cloud ā IBM promises access to its 53-qubit device. Currently, within the framework of a program called Q Network, this privilege has been granted to 20 companies. Among them are the electronics manufacturer Samsung, automakers Honda Motor and Daimler, chemical companies JSR and Nagase, and banks JPMorgan Chase & Co. and Barclays.
Most companies experimenting with quantum computing today view it as an integral part of the future. Their main mission now is to understand what works in quantum computing and what doesnāt. They aim to be the first to implement the technology in business when it is ready.
Transport organizations. Volkswagen, together with D-Wave, is developing a quantum application ā a traffic management system. The new program will enable public transport organizations and taxi companies in large cities to use their fleets more efficiently and minimize passenger waiting times.
Energy sector. ExxonMobil and IBM are promoting the use of quantum computing in energy. They focus on developing a range of new energy technologies, increasing energy efficiency, and reducing greenhouse gas emissions. The scale and complexity of the challenges faced by the energy sector exceed the capabilities of modern traditional computers and are well-suited for testing on quantum systems.
Pharmaceutical companies. Accenture Labs collaborates with 1QBit, a quantum software development company. In just 2 months from research, they transitioned to proof of concept ā applying an application for modeling complex molecular interactions at the atomic level. With the power of quantum computing, it has become possible to analyze larger molecules. What will this bring to society? Innovative drugs with fewer side effects.
FinanciĆ«le sector. TechnologieĆ«n gebaseerd op de principes van de kwantumtheorie trekken steeds meer de aandacht van banken. Ze zijn geĆÆnteresseerd in het snel verwerken van transacties, deals en andere soorten gegevens. Barclays en JP Morgan Chase (met IBM) en NatWest (met Fujitsu) zijn al bezig met experimenten voor de ontwikkeling van gespecialiseerde software.
De acceptatie door grote bedrijven en de opkomst van ondernemende kwantumpioniers wijzen op de commerciĆ«le levensvatbaarheid van kwantumtechnologie. We zien al hoe kwantumcomputing wordt toegepast voor echte wereldproblemen ā van het verbeteren van energie-efficiĆ«ntie tot het optimaliseren van transportroutes. En belangrijk is dat de waarde van de technologie zal toenemen naarmate deze zich ontwikkelt.
Bron: habr.com
