Jim Clark, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w firmie Intel, z jednym z procesorów kwantowych firmy. Zdjęcie; Intel
- Komputery kwantowe to niezwykle ekscytująca technologia, która niesie ze sobą obietnicę stworzenia potężnych możliwości obliczeniowych w celu rozwiązania wcześniej nierozwiązywalnych problemów.
- Eksperci twierdzą, że IBM jest liderem w dziedzinie obliczeń kwantowych i dlatego Google, Intel, Microsoft i mnóstwo startupów znajdują się pod jego wpływem.
- Inwestorów przyciągają start-upy zajmujące się obliczeniami kwantowymi, w tym IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems i Rigetti, które mogą zakłócić rynek.
- Jest jednak pewien haczyk: nowoczesne komputery kwantowe na ogół nie są tak wydajne i niezawodne jak dzisiejsze superkomputery, a ponadto wymagają specjalnych warunków do uruchomienia i uruchomienia.
W styczniu IBM zrobił furorę, ogłaszając IBM Q System One, pierwszy na świecie komputer kwantowy dostępny dla biznesu. Urządzenie umieszczono w eleganckiej, szklanej obudowie o objętości 9 stóp sześciennych.
To ważny kamień milowy w historii komputerów kwantowych, które do dziś znajdują się w laboratoriach badawczych. Według IBM nabywcy już chcą zdobyć tę technologię, która jest obiecująca w różnych obszarach: chemii, materiałoznawstwie, produkcji żywności, lotnictwie i kosmonautyce, opracowywaniu leków, prognozowaniu giełdowym, a nawet zmianach klimatycznych.
IBM Q System One. Zdjęcie: IBM
Powodem ekscytacji jest to, że komputer kwantowy ma pozornie magiczne właściwości, które pozwalają mu przetwarzać wykładniczo więcej informacji niż konwencjonalny system. Komputer kwantowy to nie tylko bardzo szybki komputer, a dokładniej to zupełnie inny paradygmat obliczeniowy, który wymaga radykalnego przemyślenia.
Zwycięzcą wyścigu technologicznego zostanie firma, która wykorzysta możliwości, jakie daje ta technologia. Na tę technologię stawiają IBM, Microsoft, Google i inni giganci technologiczni, a także startupy.
Business Insider zapytał Boba Sutora, wiceprezesa ds. strategii i ekosystemu IBM Q, o to, jak udostępnić te systemy ludziom: W jaki sposób ludzie będą mieli do nich dostęp? W jaki sposób wiele osób może nauczyć się wykorzystywać komputery kwantowe do wykonywania swoich zadań?
Szanse na to, że w najbliższym czasie pojawią się w biurach komputery kwantowe, są niewielkie. Eksperci, z którymi rozmawialiśmy, uważają, że pomimo dostępności rozwiązań dla IBM minie kolejne pięć do dziesięciu lat, zanim obliczenia kwantowe naprawdę trafią do głównego nurtu. IBM Q System One jest obecnie dostępny wyłącznie jako usługa przetwarzania w chmurze dla wybranych klientów. Minie trochę czasu, zanim ludzie będą mogli kupić coś takiego i wykorzystać go do własnych celów.
Rzeczywiście, eksperci twierdzą, że komputery kwantowe są bardzo obiecujące, ale daleko im do masowej produkcji. Są niezwykle delikatne i wymagają specjalnych warunków pracy. Co więcej, dzisiejsze komputery kwantowe nie są tak niezawodne i wydajne jak komputery, które już posiadamy.
„Wierzymy, że za około dziesięć lat komputer kwantowy odmieni życie Twoje lub moje” – powiedział Business Insider Jim Clark, dyrektor ds. sprzętu kwantowego w firmie Intel. — Tak naprawdę jesteśmy dopiero na pierwszej mili maratonu. To nie znaczy, że się tym nie przejmujemy.”
Co to jest komputer kwantowy?
Bill Gates powiedział kiedyś, że matematyka stojąca za kwantami przekracza jego zrozumienie, ale nie wszyscy się z tym zgadzali.
„To trochę błędne przekonanie, że fizyka kwantowa to fizyka i że jest zbyt skomplikowana” – mówi Business Insiderowi Chris Monroe, dyrektor generalny i współzałożyciel IonQ. „Niezrozumiałe dla wielu ludzi jest to, że jest to niezrozumiałe, ale dla mnie jest to równie niezrozumiałe, jak dla ciebie”. Jeśli coś może znajdować się w superpozycji, to znaczy, że może znajdować się jednocześnie w dwóch stanach. To dziwne, bo nie doświadczamy tego w prawdziwym świecie.”
Używane przez nas komputery wyświetlają dane w postaci ciągu jedynek lub zer zwanego kodem binarnym. Jednak komputer kwantowy może reprezentować dane jako 1, 0 lub, co najważniejsze, obie liczby jednocześnie.
Kiedy system może znajdować się w więcej niż jednym stanie jednocześnie, nazywa się to „superpozycją” – jedną z pozornie magicznych właściwości obliczeń kwantowych. Inną kluczową zasadą jest „splątanie”, które jest właściwością kwantową, która pozwala dwóm cząstkom poruszać się w doskonałej synchronizacji, niezależnie od tego, jak daleko od siebie są fizycznie oddzielone.
Jak wyjaśnia w „Scientific American” te dwie cechy łączą się, tworząc komputer, który może przetwarzać jednocześnie znacznie więcej danych niż jakikolwiek inny system dostępny obecnie na rynku.
Moc komputera kwantowego mierzy się w kubitach, podstawowej jednostce miary w komputerze kwantowym. Tak jak nowoczesne komputery mają procesory 32-bitowe lub 64-bitowe (miara tego, ile danych mogą przetworzyć jednocześnie), komputer kwantowy z większą liczbą kubitów ma znacznie większą moc obliczeniową.
Wewnątrz komputera kwantowego. Zdjęcie: IBM
Niebo jest granicą
Wszystko to oznacza, że komputer kwantowy może rozwiązywać problemy, które wcześniej ograniczała moc obliczeniowa.
Na przykład komputer kwantowy mógłby z grubsza rozwiązać słynny problem komiwojażera – złożony problem obliczeniowy, który wymaga znalezienia najkrótszej trasy między wieloma miastami przed powrotem do domu. Brzmi prosto, ale jeśli spojrzeć na to matematycznie, znalezienie pojedynczej optymalnej ścieżki staje się trudniejsze w miarę dodawania do jej trasy kolejnych miast.
Podobnie komputer kwantowy mógłby przebrnąć przez najtrudniejsze i najbardziej czasochłonne problemy, przeszukując ogromne ilości danych finansowych, farmaceutycznych lub klimatycznych w celu znalezienia optymalnych rozwiązań. Rzeczywiście, kwantowy start-up D-Wave już współpracuje z Volkswagenem w celu analizy wzorców jazdy i przesiewania ogromnych ilości hałasu, aby dotrzeć do sedna sprawy.
Omówiono jego przydatność w dziedzinie kryptografii. Komputer kwantowy jest w stanie opanować metodę szyfrowania odmienną od dotychczas znanych szyfrów, co pozwala mu z łatwością rozszyfrować nawet tajemnice państwowe. Rządy światowe cieszą się dużym zainteresowaniem tą użyteczną funkcją, a aktywiści obawiają się, że pojawienie się obliczeń kwantowych może zniszczyć prywatność.
Problem z fizyką
„Ponieważ obliczenia kwantowe są wciąż na wczesnym etapie, wiele informacji pozostaje niepotwierdzonych” – powiedział Matthew Briss, wiceprezes ds. badań i rozwoju w firmie Gartner. „Ale kupujący już szukają aplikacji, które pozwoliłyby określić przewagę konkurencyjną obliczeń kwantowych dla ich firmy” – mówi.
Pomimo całego szumu eksperci uważają, że komputery kwantowe są tak samo dalekie od wiodących rozwiązań, jak komputery osobiste w latach pięćdziesiątych. Oczywiście, nabierają tempa, ale powoli.
„Obliczenia kwantowe można porównać do powolnego pociągu” – powiedział Business Insider Brian Hopkins, wiceprezes i główny analityk w firmie Forrester. „Jeśli będzie poruszał się o jeden cal na sekundę, to za miesiąc będzie już poruszał się o dwa cale na sekundę”. Wkrótce zacznie poruszać się szybciej.”
Największym problemem jest to, że komputer kwantowy nie jest w stanie zrobić niczego, czego nie byłby w stanie zrobić komputer klasyczny. Branża nie może się doczekać momentu zwanego supremacją kwantową, kiedy komputery kwantowe wyjdą poza obecne ograniczenia.
„Kiedy klienci do nas przychodzą, mówią nam przede wszystkim, że nie obchodzi ich, jaki to model, byle był przydatny dla ich działalności” – mówi analityk Briss. — Nie ma modelu, który przewyższałby klasyczne algorytmy. Naprawdę musimy poczekać, aż sprzęt komputerów kwantowych zacznie się udoskonalać”.
Katie Pooley, badaczka IBM, bada kriostat, który pomaga komputerom kwantowym utrzymać niską temperaturę. Zdjęcie: Andy Aaron, IBM
Dużym problemem pozostaje brak mocy obliczeniowej. Zakłada się, że supremacja kwantowa będzie wymagała komputera o mocy 50 kubitów. Chociaż ten kamień milowy został osiągnięty w laboratorium, nie jest on trwały i nie da się go utrzymać. Rzeczywiście, kubity mogą być zarówno podatne na błędy, jak i niestabilne, co prowadzi do problemów z ich generowaniem i zmniejsza ich potencjał.
Kolejnym ważnym czynnikiem jest więcej materiału. Aby komputery kwantowe mogły działać, muszą być całkowicie odizolowane od otoczenia i wymagają bardzo niskich temperatur. Nawet najmniejsze wibracje mogą spowodować zapadnięcie się kubitów, wytrącając je z superpozycji, tak jak dziecko pukające w stół powoduje, że wirujące monety spadają na stół.
Poprzednie komputery kwantowe, takie jak IBM Q System One, są tak nieporęczne, że zapewnienie niezbędnych warunków izolacji i chłodzenia stało się prawdziwym wyzwaniem. Problem pogłębia brak niezbędnych komponentów: kabli nadprzewodzących i lodówek niskotemperaturowych. Są w poważnym niedoborze.
Ostatecznie oznacza to, że chociaż wiedza się poprawia, a technologia postępuje, obliczenia kwantowe nadal nie są praktycznie wykonalne.
„Jednym z wyzwań w mojej grupie roboczej jest manipulowanie materiałami, krzemem i metalami, abyśmy mogli stworzyć bardzo jednorodne środowisko” – powiedział Clark z Intela. - To w zasadzie najlepsza technologia półprzewodników. Technologie potrzebne do tworzenia obliczeń kwantowych na dużą skalę jeszcze nie istnieją”.
Innym problemem jest to, że komputery kwantowe mają niezaprzeczalny potencjał zapewnienia nieprzewidzianej mocy obliczeniowej. Jednak na świecie nie ma zbyt wielu ludzi, którzy faktycznie mają doświadczenie w programowaniu lub obsłudze takich systemów, a potencjalni nabywcy są zafascynowani próbą dowiedzenia się, jak faktycznie z nich korzystać.
Wielki wyścig kwantowy
Analitycy twierdzą, że IBM przewodzi obecnie w wyścigu obliczeń kwantowych dzięki ograniczonej dostępności komercyjnej IBM Q System One. Ponieważ dostęp do niego odbywa się za pośrednictwem chmury, IBM może utrzymać te specjalne warunki, aby zapewnić funkcjonowanie tego komputera kwantowego, jednocześnie umożliwiając korzystanie z niego wybranym klientom.
„Myślę, że [komputer kwantowy IBM] ma się świetnie” – powiedział analityk Briss. „Myślę, że obliczenia kwantowe jako model usług są właściwym modelem”. Umieszczając go w pojemniku i odpowiednio traktując, naprawdę starają się poprawić jego jakość.
Sarah Sheldon i Pat Gumann z IBM pracują nad lodówką rozpuszczającą, która chłodzi komputery kwantowe. Zdjęcie: IBM
Jednocześnie analitycy zauważają, że w każdej chwili każdy z graczy na tym rynku może nastąpić przełom, który pozwoli mu wyprzedzić konkurencję, a to wciąż konieczna rywalizacja.
Różni giganci IT różnie podchodzą do tego problemu. Intel, IBM, Google i start-up zajmujący się obliczeniami kwantowymi Rigetti budują systemy oparte na obwodach nadprzewodzących, zasilane przez najnowocześniejsze superkomputery.
przyjmuje zupełnie inne i być może bardziej ryzykowne podejście, próbując stworzyć lepszy kubit. Topologiczny kubit, z którego Microsoft próbuje utworzyć fragmenty elektronów, przechowuje informacje w wielu miejscach jednocześnie, czyniąc je bardziej stabilnymi i mniej podatnymi na zniszczenie. Jest mniej solidny niż to, co próbują zbudować konkurenci, ale wynik byłby poważnym krokiem naprzód w całej dziedzinie obliczeń kwantowych, powiedział analityk Hopkins.
„Podejmują ryzyko i wiele osób uważa, że nigdy im się to nie uda” – powiedział Hopkins.
Jeśli chodzi o bardziej ryzykowne start-upy, takie jak IonQ i D-Wave, stawiają na najnowocześniejsze technologie, takie jak wychwytywanie jonów i wyżarzanie kwantowe. Mówiąc najprościej, próbują na różne sposoby osiągnąć większą wydajność i stabilność z każdego kubitu, stosując zupełnie nowe metody.
„Dzięki temu możemy zbudować komputer kwantowy, który rozwiązuje złożone problemy i stale czyni postępy w tym zakresie” – powiedział Business Insider Mark Johnson, wiceprezes ds. projektowania i rozwoju procesorów i produktów kwantowych w firmie D-Wave.
Naukowiec kwantowy IBM spaceruje po centrum obliczeniowym IBM Q w Centrum Badawczym Thomasa J. Watsona w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork. Zdjęcie: Connie Zhou dla IBM
Startupy kwantowe
Gwałtowny rozwój obliczeń kwantowych wywołał falę zainteresowania inwestorów powiązanymi start-upami. Robert Sutor z IBM szacuje, że na całym świecie istnieje około 100 start-upów zajmujących się oprogramowaniem, sprzętem kwantowym, a nawet firmami konsultingowymi. To niewiele w porównaniu z ogromnym rynkiem start-upów, ale znacznie większy niż wcześniej.
„Jestem w tej przestrzeni od dawna, od samego początku” – powiedział Monroe z IonQ. — Przez długi czas był w powijakach, aż 5-8 lat temu zwrócił na siebie uwagę i przyciągnął ogromne inwestycje. Stało się jasne, że nadszedł ten czas.”
Chris Monroe, dyrektor generalny i współzałożyciel startupu IonQ zajmującego się obliczeniami kwantowymi. Zdjęcie: IonQ
Niektórzy, jak Rigetti, są gotowi zmierzyć się z tytanami technologii posiadającymi własne chipy kwantowe i wyrafinowane systemy obliczeń kwantowych.
„To sedno naszej działalności” – powiedziała Business Insiderowi Betsy Masiello, wiceprezes ds. produktu w Rigetti. — W przestrzeni kwantowej istnieje wiele firm, które pracują nad aplikacjami w dziedzinie obliczeń kwantowych. Produkujemy mikrochipy i budujemy systemy komputerowe.”
Matthew Kinsella, dyrektor zarządzający Maverick Ventures, twierdzi, że jest optymistyczny w dziedzinie obliczeń kwantowych. Jego firma posunęła się tak daleko, że zainwestowała w ColdQuanta, firmę produkującą sprzęt stosowany w układach kwantowych. Oczekuje, że komputery kwantowe przewyższą dzisiejsze systemy w ciągu pięciu do dziesięciu lat. Maverick Ventures stawia na strategię długoterminową.
„Naprawdę wierzę w obliczenia kwantowe, chociaż może minąć więcej czasu, niż się spodziewano, zanim komputer kwantowy stanie się lepszy od komputera tradycyjnego w rozwiązywaniu codziennych problemów. Prawdopodobnie w ciągu najbliższych kilku lat dostrzeżemy zalety komputerów kwantowych w rozwiązywaniu problemów na małą skalę” – powiedział Kinsella.
Laboratoria systemów 2000Q firmy D-Wave. Zdjęcie: D-Wave
Kinsella, podobnie jak analitycy, z którymi rozmawialiśmy, spodziewa się tak zwanej „zimy kwantowej”. Eksperci ostrzegają, że wokół komputerów kwantowych może panować szum, ale ludzie pokładają w nich nadzieje. Maszyny nie są jeszcze doskonałe i miną lata, zanim inwestorzy zobaczą rezultaty.
W perspektywie
Eksperci zapewniają, że nawet poza supremacją kwantową wciąż jest miejsce na tradycyjne komputery i superkomputery. Do tego czasu nadal musimy rozwiązać kwestie kosztów, rozmiaru, niezawodności i mocy obliczeniowej, zanim będziemy mogli je omówić.
„Musimy odetchnąć” – powiedział analityk Briss. „W tej dziedzinie dzieje się wiele ekscytujących rzeczy, które wymagają czasu”. Jest to konglomerat fizyki, informatyki i, szczerze mówiąc, analizy naukowej. Nie musielibyśmy tego badać, gdybyśmy znali odpowiedzi na wszystkie pytania, ale przed nami wiele pracy badawczej”.
Komputer kwantowy Rigetti. Zdjęcie: Rigetti
Jednak dla wielu jest jasne, że to przyszłość. Podobnie jak twórcy pierwszego komputera typu mainframe nie zdawali sobie sprawy, że ostatecznie doprowadzi to do powstania smartfonów mieszczących się w większej dłoni. Komputer kwantowy może być pierwszym krokiem na zupełnie nowej drodze.
Niewielu, jak wiceprezes Microsoft ds. ładu korporacyjnego Todd Holmdahl, jest na tyle optymistą, aby twierdzić, że rozwiązania te mogą mieć większe znaczenie niż dzisiejsza sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe. Powtarzał swoim dzieciom, że powinny robić to, co ich pasjonuje i że zawsze mogą znaleźć pracę w sztucznej inteligencji. Teraz to samo powie o obliczeniach kwantowych.
„To obszar, który będzie się rozwijał. Potrzebujemy ludzi, którzy go zapełnią i zapobiegną uschnięciu” – powiedział Holmdahl. „Odgrywa ważną rolę w naszym pokoleniu, dając nam możliwość tworzenia niesamowitych rzeczy w przyszłości”.
Źródło: www.habr.com