Jednym z głównych zadań naukowych naszych czasów jest wyścig o stworzenie pierwszego użytecznego komputera kwantowego. Udział w nim bierze tysiące fizyków i inżynierów. Swoje koncepcje opracowują IBM, Google, Alibaba, Microsoft i Intel. Jak potężne urządzenie obliczeniowe zmieni nasz świat i dlaczego jest to tak ważne?
Wyobraź sobie na chwilę: w pełni funkcjonalny komputer kwantowy został stworzony. Stał się powszechnym i naturalnym elementem naszego życia. O klasycznych obliczeniach mówi się już tylko w szkole, na lekcjach historii. Gdzieś głęboko w zimnych piwnicach potężne maszyny operują kubitami, aby wspierać pracę robotów wyposażonych w sztuczną inteligencję. Wykonują wszystkie niebezpieczne oraz monotonne zadania. Spacerując po parku, rozglądasz się i widzisz wszelkiego rodzaju roboty. Istoty humanoidalne wyprowadzają psy, sprzedają lody, naprawiają instalacje elektryczne, zamiatają teren. Niektóre modele zastępują domowych pupili.
Zyskaliśmy możliwość odkrycia wszystkich tajemnic Wszechświata i zajrzenia w głąb samych siebie. Medycyna osiągnęła nowy poziom — innowacyjne leki opracowywane są co tydzień. Możemy przewidywać i określać, gdzie znajdują się deficytowe zasoby, takie jak gaz i ropa. Problem globalnego ocieplenia został rozwiązany, metody oszczędzania energii zostały zoptymalizowane, w miastach nie ma już korków. Komputer kwantowy nie tylko zarządza wszystkimi robotycznymi maszynami, ale również zapewnia swobodny ruch: monitoruje sytuację na drogach, dostosowuje trasy i przejmuje kontrolę nad kierowcami w razie potrzeby. Tak może wyglądać wiek kwantowy.
Kwantowa gorączka złota
Perspektywy zastosowania zachwycają wyobraźnię, dlatego inwestycje w rozwój kwantowy rosną z każdym rokiem. Światowy rynek obliczeń kwantowych został oszacowany na 81,6 mln dolarów USA w 2018 roku. Specjaliści z Market.us przewidują, że do 2026 roku osiągnie 381,6 mln dolarów USA. Oznacza to średni wzrost o 21,26% rocznie od 2019 do 2026.
Ten wzrost jest stymulowany rosnącym wykorzystaniem kryptografii kwantowej w aplikacjach bezpieczeństwa, a także inwestycjami uczestników rynku obliczeń kwantowych. Na początku tego roku, według analizy czasopisma naukowego Nature, prywatni inwestorzy sfinansowali przynajmniej 52 firmy zajmujące się technologiami kwantowymi na całym świecie. Nad stworzeniem praktycznego komputera kwantowego pracują tacy duzi gracze, jak IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, D-Wave Systems.
Tak, na razie fundusze, które płyną do tej dziedziny każdego roku, stanowią niewielkie wydatki (dla porównania: w 2018 roku inwestycje w sztuczną inteligencję wyniosły 9,3 miliarda dolarów USA). Ale te liczby są znaczące dla niedojrzałej branży, która jeszcze nie może poszczycić się wskaźnikami wydajności.
Rozwiązanie problemów kwantowych
Trzeba zrozumieć, że obecnie technologia nadal jest w stadium początkowym. Udało się stworzyć tylko prototypy maszyn kwantowych, pojedyncze eksperymentalne systemy. Są one w stanie realizować ustalone algorytmy o niewielkiej złożoności. Pierwszy komputer 2-kubitowy został stworzony w 1998 roku, a ludzkość potrzebowała 21 lat, aby doprowadzić urządzenia do odpowiedniego poziomu, tzw. „kwantowej przewagi”. Termin ten wprowadził do obiegu profesor California Institute of Technology John Preskill. Oznacza on zdolność urządzeń kwantowych do rozwiązywania problemów szybciej niż najsilniejsze klasyczne komputery.
Przełom w tej dziedzinie dokonała kalifornijska firma Google. We wrześniu 2019 roku korporacja ogłosiła, że ich 53-kubitowe urządzenie Sycamore w ciągu 200 sekund wykonało obliczenie, któremu najnowocześniejszy superkomputer poświęciłby 10 000 lat. Oświadczenie to wywołało wiele kontrowersji. W IBM kategorycznie nie zgodzili się z tymi kalkulacjami. W swoim blogu firma napisała, że ich superkomputer Summit poradzi sobie z takim zadaniem w 2,5 dnia. A wszystko, co trzeba zrobić, to zwiększyć pojemność pamięci dyskowej. Chociaż w rzeczywistości różnica nie okazała się tak kolosalna, Google rzeczywiście jako pierwsza osiągnęła „przewagę kwantową”. I jest to ważny kamień milowy w badaniach komputerowych. Ale nie więcej. Wyczyn Sycamore ma wyłącznie charakter demonstracyjny. Nie ma praktycznego zastosowania i jest bezużyteczny w rozwiązywaniu rzeczywistych problemów.
Głównym problemem jest sprzęt. Jeśli tradycyjne bity obliczeniowe mogą mieć wartość 0 lub 1, to w dziwnym kwantowym świecie kubity mogą znajdować się w obu stanach jednocześnie. Ta cecha nazywana jest superpozycją. Kubity przypominają wirujące bączki: kręcą się jednocześnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie, poruszają się w górę i w dół. Jeśli uważasz, że to nieco skomplikowane, to jesteś w doskonałym towarzystwie. Richard Feynman kiedyś powiedział: „Jeśli myślisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to znaczy, że jej nie rozumiesz”. Odważne słowa od człowieka, który otrzymał Nagrodę Nobla za… mechanikę kwantową.
Tak więc, kubity są niezwykle niestabilne i podatne na zewnętrzne zakłócenia. Przechodzący pod oknami laboratorium samochód, wewnętrzny hałas systemu chłodzenia, przelatująca cząstka kosmiczna — jakiekolwiek przypadkowe zakłócenie, każde oddziaływanie zaburza ich synchronizację i dekohereują. To jest zgubne dla obliczeń.
Kluczowe pytanie dotyczące rozwoju obliczeń kwantowych brzmi, jakie rozwiązanie sprzętowe z wielu badanych zapewni stabilność kubitów. Ten, kto rozwiąże problem zaburzenia koherencji i sprawi, że komputery kwantowe staną się tak powszechne jak procesory graficzne, otrzyma Nagrodę Nobla i zostanie najbogatszym człowiekiem na świecie.
Droga do komercjalizacji
W 2011 roku kanadyjska firma D-Wave Systems Inc. jako pierwsza zaczęła sprzedawać komputery kwantowe, chociaż ich użyteczność ogranicza się do określonych zadań matematycznych. W najbliższych miesiącach miliony deweloperów będą mogły zacząć korzystać z procesorów kwantowych za pośrednictwem chmury — IBM obiecuje udostępnić dostęp do swojego 53-kubitowego urządzenia. Na razie w ramach programu o nazwie Q Network takie przywileje uzyskało 20 firm. Wśród nich znajdują się producent sprzętu Samsung Electronics, producenci samochodów Honda Motor i Daimler, firmy chemiczne JSR i Nagase oraz banki JPMorgan Chase & Co. i Barclays.
Większość firm eksperymentujących dziś z obliczeniami kwantowymi postrzega je jako nieodłączny element przyszłości. Ich główną misją jest obecnie zrozumienie, co działa w obliczeniach kwantowych, a co nie. I być gotowym jako pierwsi wdrożyć technologię w biznesie, gdy będzie ona gotowa.
Organizacje transportowe. Volkswagen wspólnie z firmą D-Wave opracowuje kwantową aplikację — system zarządzania ruchem drogowym. Nowy program umożliwi organizacjom transportu publicznego i firmom taksówkowym w dużych miastach bardziej efektywne wykorzystanie swojego taboru i minimalizację czasu oczekiwania pasażerów.
Sektor energetyczny. ExxonMobil i IBM promują zastosowanie obliczeń kwantowych w energetyce. Skupiają się na opracowaniu szeregu nowych technologii energetycznych, zwiększeniu efektywności energetycznej oraz redukcji emisji gazów cieplarnianych. Skale i złożoność problemów, z którymi boryka się sektor energetyczny, wykraczają poza możliwości nowoczesnych komputerów tradycyjnych i doskonale nadają się do testowania na kwantowych.
Firmy farmaceutyczne. Accenture Labs współpracuje z 1QBit, firmą zajmującą się opracowaniem oprogramowania kwantowego. Zaledwie w ciągu 2 miesięcy od badań przeszli do weryfikacji koncepcji — zastosowania aplikacji do modelowania skomplikowanych interakcji molekularnych na poziomie atomowym. Dzięki mocy obliczeń kwantowych pojawiła się możliwość analizy większych cząsteczek. Co to da społeczeństwu? Innowacyjne leki o minimalnych skutkach ubocznych.
Sektor finansowy. Technologie oparte na zasadach teorii kwantowej coraz bardziej przyciągają uwagę banków. Są one zainteresowane jak najszybszym przetwarzaniem transakcji, transakcji i innych rodzajów danych. Eksperymenty nad opracowaniem wyspecjalizowanego oprogramowania prowadzą już Barclays i JP Morgan Chase (z IBM), a także NatWest (z Fujitsu).
Akceptacja przez takie duże korporacje oraz pojawienie się przedsiębiorczych pionierów kwantowych świadczy o komercyjnej wykonalności kwantów. Już widzimy, jak obliczenia kwantowe są stosowane do zadań z rzeczywistego świata — od zwiększenia efektywności energetycznej po optymalizację tras transportu drogowego. Co ważne, wartość tej technologii będzie rosła w miarę jej rozwoju.
Źródło: habr.com
