En av de viktigste vitenskapelige utfordringene i vår tid har blitt kappløpet om å lage den første nyttige kvantedatamaskinen. Tusenvis av fysikere og ingeniører deltar i det. IBM, Google, Alibaba, Microsoft og Intel utvikler konseptene sine. Hvordan vil en kraftig dataenhet forandre vår verden, og hvorfor er den så viktig?
Tenk deg et øyeblikk: en fullverdig kvantedatamaskin er opprettet. Det har blitt et kjent og naturlig element i livene våre. Klassiske utregninger snakkes det nå kun om på skolen, i historietimene. Et sted dypt i kalde kjellere opererer kraftige maskiner på qubits for å drive kunstig intelligente roboter. De utfører alle de farlige og rett og slett monotone oppgavene. Når du går gjennom parken, ser du deg rundt og ser alle slags roboter. Humanoide skapninger går tur med hunder, selger iskrem, reparerer elektriske ledninger og feier området. Noen modeller erstatter kjæledyr.
Vi fikk muligheten til å avsløre alle universets hemmeligheter og se inn i oss selv. Medisin har nådd et nytt nivå – innovative legemidler utvikles hver uke. Vi kan forutsi og bestemme hvor knappe ressurser som gass og olje befinner seg. Problemet med global oppvarming er løst, energisparingsmetoder er optimert, og det er ikke lenger trafikkork i byene. Kvantecomputeren styrer ikke bare alle robotbiler, men sørger også for fri bevegelse: den overvåker situasjonen på veiene, justerer ruter og overtar kontrollen fra sjåførene om nødvendig. Slik kan kvantealderen se ut.
Quantum Gold Rush
Søknadsutsiktene er fantastiske, og det er grunnen til at investeringer i kvanteutvikling vokser hvert år. Det globale kvantedatamarkedet ble verdsatt til 81,6 millioner dollar i 2018. Market.us-eksperter anslår at det innen 2026 vil nå 381,6 millioner dollar. Det vil si at den vil øke med gjennomsnittlig 21,26 % per år fra 2019 til 2026.
Denne veksten er drevet av den økende bruken av kvantekryptografi i sikkerhetsapplikasjoner og drevet av investeringer fra interessenter i kvantedatamarkedet. Ved begynnelsen av dette året hadde private investorer finansiert minst 52 kvanteteknologiselskaper over hele verden, ifølge en analyse fra det vitenskapelige tidsskriftet Nature. Store aktører som IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel og D-Wave Systems sliter med å lage en praktisk anvendelig kvantedatamaskin.
Ja, så lenge pengene som strømmer inn i dette området hvert år representerer et lite utlegg (sammenlignet med 2018 milliarder dollar i AI-investering i 9,3). Men disse tallene er betydelige for en umoden bransje som ennå ikke kan skryte av ytelsesindikatorer.
Løse kvanteproblemer
Du må forstå at teknologien i dag fortsatt er i sin spede begynnelse. Det var mulig å lage kun prototyper av kvantemaskiner og enkle eksperimentelle systemer. De er i stand til å utføre faste algoritmer med lav kompleksitet. Den første 2-qubit-datamaskinen ble opprettet i 1998, og det tok menneskeheten 21 år å bringe enhetene til riktig nivå, den såkalte "kvanteoverlegenhet". Dette begrepet ble laget av Caltech-professor John Preskill. Og det betyr kvanteenheters evne til å løse problemer raskere enn de kraftigste klassiske datamaskinene.
Et gjennombrudd på dette området ble gjort av det kaliforniske selskapet Google. I september 2019 kunngjorde selskapet at dens 53-qubit Sycamore-enhet fullførte en beregning på 200 sekunder som ville ta en toppmoderne superdatamaskin 10 000 år å fullføre. Uttalelsen skapte mye kontrovers. IBM var kategorisk uenig i slike beregninger. I bloggen sin skrev selskapet at Summit-superdatamaskinen vil takle denne oppgaven om 2,5 dager. Og alt som trengs er å øke disklagringskapasiteten. Selv om forskjellen i virkeligheten ikke var så kolossal, var Google faktisk den første som oppnådde «kvanteoverlegenhet». Og dette er en viktig milepæl innen dataforskning. Men ikke noe mer. Sycamores bragd er utelukkende for demonstrasjonsformål. Den har ingen praktisk anvendelse og er ubrukelig for å løse reelle problemer.
Hovedproblemet er maskinvaren. Mens tradisjonelle beregningsbiter har en verdi på 0 eller 1, i den merkelige kvanteverdenen, kan qubits være i begge tilstander samtidig. Denne egenskapen kalles superposisjon. Qubits er som snurretopper: de roterer både med og mot klokken, beveger seg opp og ned. Hvis du synes dette er forvirrende, er du i godt selskap. Richard Feynman sa en gang: "Hvis du tror du forstår kvantemekanikk, forstår du det ikke." Modige ord fra mannen som vant Nobelprisen for... kvantemekanikk.
Så qubits er ekstremt ustabile og utsatt for ytre påvirkninger. En bil som passerer under laboratorievinduene, den interne støyen fra kjølesystemet, en flygende kosmisk partikkel - enhver tilfeldig interferens, enhver interaksjon forstyrrer synkroniteten deres og de koherer. Dette er skadelig for databehandling.
Nøkkelspørsmålet for utviklingen av kvantedatabehandling er hvilken maskinvareløsning fra de mange utforskede som vil sikre stabiliteten til qubits. Den som løser sammenhengsproblemet og gjør kvantedatamaskiner like vanlige som GPUer, vil vinne Nobelprisen og bli den rikeste personen i verden.
Veien til kommersialisering
I 2011, det kanadiske selskapet D-Wave Systems Inc. var den første som solgte kvantedatamaskiner, selv om deres nytte er begrenset til visse matematiske problemer. Og i løpet av de kommende månedene vil millioner av utviklere kunne begynne å bruke kvanteprosessorer gjennom skyen – IBM lover å gi tilgang til sin 53-qubit-enhet. Så langt har 20 selskaper mottatt dette privilegiet under et program kalt Q Network. Blant dem er utstyrsprodusenten Samsung Electronics, bilprodusentene Honda Motor og Daimler, kjemiselskapene JSR og Nagase, bankene JPMorgan Chase & Co. og Barclays.
De fleste selskaper som eksperimenterer med kvantedatabehandling i dag ser det som en integrert del av fremtiden. Hovedoppgaven deres nå er å finne ut hva som fungerer i kvanteberegning og hva som ikke gjør det. Og vær klar til å være den første til å introdusere teknologi i virksomheten når den er klar.
Transportorganisasjoner. Volkswagen utvikler sammen med D-Wave en kvanteapplikasjon – et trafikkkontrollsystem. Det nye programmet vil gjøre det mulig for kollektivtransportorganisasjoner og drosjeselskaper i store byer å bruke flåten mer effektivt og minimere ventetiden for passasjerer.
Energisektoren. ExxonMobil og IBM fremmer bruken av kvantedatabehandling i energisektoren. De er fokusert på å utvikle en rekke nye energiteknologier, forbedre energieffektiviteten og redusere klimagassutslipp. Omfanget og kompleksiteten til utfordringene energisektoren står overfor er utenfor rekkevidden til dagens tradisjonelle datamaskiner og er godt egnet til å teste på kvantemaskiner.
Farmasøytiske selskaper. Accenture Labs samarbeider med 1QBit, et kvanteprogramvareselskap. På bare 2 måneder gikk de fra forskning til proof-of-concept – ved å bruke en applikasjon for å modellere komplekse molekylære interaksjoner på atomnivå. Takket være kraften til kvanteberegning er det nå mulig å analysere større molekyler. Hva vil dette gi samfunnet? Innovative legemidler med minst mulig bivirkninger.
Finansiell sektor. Teknologier basert på kvanteteoriens prinsipper tiltrekker seg i økende grad interessen til bankene. De er interessert i å behandle transaksjoner, handler og andre typer data så raskt som mulig. Barclays og JP Morgan Chase (med IBM), samt NatWest (med Fujitsu) utfører allerede sine eksperimenter med utvikling av spesialisert programvare.
Aksepten fra slike store selskaper og fremveksten av driftige kvantepionerer sier mye om den kommersielle levedyktigheten til kvante. Vi ser allerede at kvanteberegning blir brukt på problemer i den virkelige verden, fra å forbedre energieffektiviteten til å optimalisere kjøretøyruter. Og viktigere, verdien av teknologien vil øke etter hvert som den utvikler seg.
Kilde: www.habr.com