Jednym z głównych wyzwań naukowych naszych czasów stał się wyścig o stworzenie pierwszego użytecznego komputera kwantowego. Uczestniczy w nim tysiące fizyków i inżynierów. IBM, Google, Alibaba, Microsoft i Intel opracowują swoje koncepcje. Jak potężne urządzenie komputerowe zmieni nasz świat i dlaczego jest to takie ważne?
Wyobraźcie sobie przez chwilę: powstał pełnoprawny komputer kwantowy. Stało się to znanym i naturalnym elementem naszego życia. O klasycznych obliczeniach mówi się obecnie tylko w szkole, na lekcjach historii. Gdzieś głęboko w zimnych piwnicach potężne maszyny działają na kubitach, aby zasilać sztucznie inteligentne roboty. Wykonują wszystkie niebezpieczne i po prostu monotonne zadania. Spacerując po parku, rozglądasz się i widzisz wszelkiego rodzaju roboty. Humanoidalne stworzenia wyprowadzają psy, sprzedają lody, naprawiają przewody elektryczne i zamiatają teren. Niektóre modele zastępują zwierzęta domowe.
Dostaliśmy możliwość odkrycia wszystkich tajemnic Wszechświata i zajrzenia w głąb siebie. Medycyna osiągnęła nowy poziom – co tydzień powstają innowacyjne leki. Możemy prognozować i określać, gdzie znajdują się rzadkie zasoby, takie jak gaz i ropa naftowa. Problem globalnego ocieplenia został rozwiązany, zoptymalizowano metody oszczędzania energii, a w miastach nie ma już korków. Komputer kwantowy nie tylko steruje wszystkimi robotami, ale także zapewnia swobodę poruszania się: monitoruje sytuację na drogach, dostosowuje trasy i w razie potrzeby przejmuje kontrolę od kierowców. Tak może wyglądać era kwantowa.
Kwantowa gorączka złota
Perspektywy zastosowań są niesamowite, dlatego z roku na rok rosną inwestycje w rozwój kwantowy. W 81,6 roku globalny rynek obliczeń kwantowych wyceniono na 2018 mln dolarów. Eksperci Market.us szacują, że do 2026 roku wyniesie ona 381,6 mln dolarów. Oznacza to, że od 21,26 r. do 2019 r. będzie rosła średnio o 2026% rocznie.
Wzrost ten jest napędzany coraz większym wykorzystaniem kryptografii kwantowej w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem i napędzany inwestycjami zainteresowanych stron na rynku obliczeń kwantowych. Jak wynika z analizy czasopisma naukowego Nature, do początku tego roku prywatni inwestorzy sfinansowali co najmniej 52 firmy zajmujące się technologią kwantową na całym świecie. Główni gracze, tacy jak IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel i D-Wave Systems, walczą o stworzenie praktycznie nadającego się do zastosowania komputera kwantowego.
Tak, pod warunkiem, że pieniądze napływające co roku do tego obszaru stanowią niewielki nakład (w porównaniu z 2018 miliarda dolarów inwestycji w sztuczną inteligencję w 9,3 r.). Ale te liczby są znaczące dla niedojrzałej branży, która nie może się jeszcze pochwalić wskaźnikami wydajności.
Rozwiązywanie problemów kwantowych
Musisz zrozumieć, że dziś technologia jest wciąż w powijakach. Możliwe było stworzenie jedynie prototypów maszyn kwantowych i pojedynczych układów eksperymentalnych. Potrafią wykonywać ustalone algorytmy o małej złożoności. Pierwszy 2-kubitowy komputer powstał w 1998 roku, a doprowadzenie urządzeń do odpowiedniego poziomu, tzw. „supremacji kwantowej”, zajęło ludzkości 21 lat. Termin ten został ukuty przez profesora Caltech Johna Preskilla. A to oznacza zdolność urządzeń kwantowych do rozwiązywania problemów szybciej niż najpotężniejsze klasyczne komputery.
Przełomu w tej dziedzinie dokonała kalifornijska firma Google. We wrześniu 2019 roku korporacja ogłosiła, że jej 53-kubitowe urządzenie Sycamore wykonało obliczenia w 200 sekund, których wykonanie najnowocześniejszemu superkomputerowi zajęłoby 10 000 lat. Oświadczenie wywołało wiele kontrowersji. IBM kategorycznie nie zgodził się z takimi wyliczeniami. Firma na swoim blogu napisała, że jej superkomputer Summit poradzi sobie z tym zadaniem w 2,5 dnia. A wystarczy tylko zwiększyć pojemność dysku. Choć w rzeczywistości różnica nie była tak kolosalna, Google rzeczywiście jako pierwszy osiągnął „supremację kwantową”. Jest to ważny kamień milowy w badaniach komputerowych. Ale nic więcej. Wyczyn Sycamore'a służy wyłącznie celom demonstracyjnym. Nie ma praktycznego zastosowania i jest bezużyteczny do rozwiązywania rzeczywistych problemów.
Głównym problemem jest sprzęt. Podczas gdy tradycyjne bity obliczeniowe mają wartość 0 lub 1, w dziwnym świecie kwantowym kubity mogą znajdować się w obu stanach jednocześnie. Ta właściwość nazywa się superpozycją. Kubity są jak bączki: obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, poruszają się w górę i w dół. Jeśli uważasz to za zagmatwane, to jesteś w świetnym towarzystwie. Richard Feynman powiedział kiedyś: „Jeśli myślisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to znaczy, że jej nie rozumiesz”. Odważne słowa człowieka, który zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie… mechaniki kwantowej.
Kubity są zatem wyjątkowo niestabilne i podlegają wpływom zewnętrznym. Samochód przejeżdżający pod oknami laboratorium, wewnętrzny hałas układu chłodzenia, latająca cząstka kosmiczna – każda przypadkowa ingerencja, każda interakcja zakłóca ich synchronizację i ulegają dekoherencji. Jest to szkodliwe dla komputerów.
Kluczową kwestią dla rozwoju obliczeń kwantowych jest to, które rozwiązanie sprzętowe spośród wielu badanych zapewni stabilność kubitów. Ktokolwiek rozwiąże problem koherencji i sprawi, że komputery kwantowe będą tak powszechne jak procesory graficzne, zdobędzie Nagrodę Nobla i stanie się najbogatszym człowiekiem na świecie.
Droga do komercjalizacji
W 2011 roku kanadyjska firma D-Wave Systems Inc. jako pierwszy sprzedał komputery kwantowe, choć ich użyteczność ograniczała się do pewnych problemów matematycznych. A w nadchodzących miesiącach miliony programistów będą mogły zacząć korzystać z procesorów kwantowych za pośrednictwem chmury – IBM obiecuje zapewnić dostęp do swojego 53-kubitowego urządzenia. Do tej pory 20 firm otrzymało ten przywilej w ramach programu Q Network. Należą do nich producent sprzętu Samsung Electronics, producenci samochodów Honda Motor i Daimler, firmy chemiczne JSR i Nagase, banki JPMorgan Chase & Co. i Barclaysa.
Większość firm eksperymentujących obecnie z obliczeniami kwantowymi postrzega je jako integralną część przyszłości. Ich główną misją jest teraz sprawdzenie, co sprawdza się w obliczeniach kwantowych, a co nie. I bądź gotowy, aby jako pierwszy wprowadzić technologię do biznesu, gdy będzie na to gotowa.
Organizacje transportowe. Volkswagen wraz z D-Wave opracowują aplikację kwantową – system kontroli ruchu. Nowy program umożliwi organizacjom transportu publicznego i firmom taksówkarskim w dużych miastach efektywniejsze wykorzystanie swojej floty i zminimalizowanie czasu oczekiwania pasażerów.
Sektor energetyczny. ExxonMobil i IBM promują wykorzystanie obliczeń kwantowych w sektorze energetycznym. Koncentrują się na opracowywaniu szeregu nowych technologii energetycznych, poprawie efektywności energetycznej i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Skala i złożoność wyzwań stojących przed sektorem energetycznym wykracza poza możliwości współczesnych tradycyjnych komputerów i doskonale nadają się do testowania na komputerach kwantowych.
Firmy farmaceutyczne. Accenture Labs współpracuje z 1QBit, firmą zajmującą się oprogramowaniem kwantowym. W ciągu zaledwie 2 miesięcy przeszli od badań do weryfikacji koncepcji przy użyciu aplikacji do modelowania złożonych interakcji molekularnych na poziomie atomowym. Dzięki mocy obliczeń kwantowych możliwa jest obecnie analiza większych cząsteczek. Co to da społeczeństwu? Innowacyjne leki z najmniejszą liczbą skutków ubocznych.
Sektor finansowy. Technologie oparte na zasadach teorii kwantowej cieszą się coraz większym zainteresowaniem banków. Są zainteresowani jak najszybszym przetwarzaniem transakcji, transakcji i innych rodzajów danych. Barclays i JP Morgan Chase (z IBM), a także NatWest (z Fujitsu) już prowadzą eksperymenty w zakresie rozwoju specjalistycznego oprogramowania.
Akceptacja przez tak duże korporacje i pojawienie się przedsiębiorczych pionierów technologii kwantowej mówi wiele o komercyjnej wykonalności technologii kwantowej. Już teraz widzimy zastosowanie obliczeń kwantowych do rozwiązywania problemów świata rzeczywistego, od poprawy efektywności energetycznej po optymalizację tras pojazdów. Co ważne, wartość technologii będzie rosła w miarę jej rozwoju.
Źródło: www.habr.com