Una dintre cele mai importante provocări științifice ale timpului nostru a devenit cursa pentru crearea primului calculator cuantic util. La această competiție participă mii de fizicieni și ingineri. IBM, Google, Alibaba, Microsoft și Intel își dezvoltă conceptele. Cum va schimba un asemenea dispozitiv puternic lumea noastră și de ce este atât de important?
Imaginați-vă pentru o clipă: un calculator cuantic complet a fost creat. Acesta a devenit un element obișnuit și natural al vieții noastre. Despre computația clasică se vorbește acum doar în școală, la orele de istorie. În adâncurile reci ale subsolurilor, mașini puternice operează cu qubiți pentru a susține funcționarea roboților echipați cu inteligență artificială. Aceștia se ocupă de toate sarcinile periculoase și monotone. Plimbându-vă prin parc, priviți în jur și vedeți tot felul de roboți. Ființele umanoide scot câinii la plimbare, vând înghețată, repară instalații electrice, mătură zona. Unele modele înlocuiesc animalele de companie.
Am obținut posibilitatea de a dezvălui toate misterele Universului și de a privi în interiorul nostru. Medicina a atins un nou nivel — medicamente inovatoare sunt dezvoltate în fiecare săptămână. Putem prezice și determina unde se află resursele deficitare, cum ar fi gazul și petrolul. Problema încălzirii globale a fost rezolvată, metodele de economisire a energiei sunt optimizate, iar orașele nu mai au ambuteiaje. Calculatorul cuantic nu numai că gestionează toate mașinile robotizate, dar asigură și un trafic fluid: monitorizează situația de pe drumuri, corectează rutele și preia controlul de la șoferi în caz de necesitate. Așa ar putea arăta era cuantică.
Feverea aurului cuantic
Perspectivele de aplicare sunt uimitoare, de aceea investițiile în dezvoltările cuantice cresc în fiecare an. Piața mondială a calculului cuantic a fost evaluată la 81,6 milioane de dolari SUA în 2018. Specialiștii de la Market.us estimează că până în 2026 va atinge 381,6 milioane de dolari SUA. Aceasta va crește cu o medie de 21,26% pe an între 2019 și 2026.
Această creștere este stimulată de utilizarea tot mai mare a criptografiei cuantice în aplicațiile de securitate și este determinată de investițiile părților interesate din piața calculatoarelor cuantice. La începutul acestui an, conform analizei publicate în revista științifică Nature, investitorii privați au finanțat cel puțin 52 de companii de tehnologie cuantică din întreaga lume. Printre jucătorii mari care lucrează la crearea unui calculator cuantic practic aplicabil se numără IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel și D-Wave Systems.
Da, deocamdată fondurile care intră în acest domeniu anual reprezintă cheltuieli reduse (spre comparație: în 2018, investițiile în IA au totalizat 9,3 miliarde de dolari SUA). Dar aceste cifre sunt semnificative pentru o industrie încă imatură, care nu poate încă să se laude cu indicatori de performanță.
Rezolvarea problemelor cuantice
Trebuie să înțelegem că, în prezent, tehnologia se află încă în stadiul incipient. Au reușit să creeze doar prototipuri de mașini cuantice, câteva sisteme experimentale. Acestea sunt capabile să execute algoritmi fixați de complexitate mică. Primul calculator cu 2 qubiți a fost creat în 1998, iar omenirea a avut nevoie de 21 de ani pentru a aduce dispozitivele la nivelul dorit, cunoscut sub numele de „supremă cuantică”. Acest termen a fost introdus de profesorul de la Institutul de Tehnologie din California, John Preskill. El se referă la capacitatea dispozitivelor cuantice de a rezolva probleme mai repede decât cele mai puternice computere clasice.
Un avans în acest domeniu a fost realizat de compania californiană Google. În septembrie 2019, corporația a declarat că dispozitivul lor Sycamore cu 53 de cubiți a efectuat un calcul în 200 de secunde, o sarcină care ar fi durat supercomputerului cel mai avansat 10.000 de ani. Afirmația a generat multe controverse. La IBM, asemenea calcule au fost categoric contestate. Într-un blog, compania a scris că supercomputerul lor Summit ar putea rezolva acea problemă în 2,5 zile. Iar tot ce trebuie să facă este să crească capacitatea de stocare. Deși diferența nu s-a dovedit a fi atât de colosală, Google a fost cu adevărat prima care a atins „supremația cuantică”. Și aceasta este o piatră de hotar importantă în cercetarea informatică. Dar nu mai mult de atât. Isprava lui Sycamore este exclusiv demonstrativă. Nu are aplicabilitate practică și este inutilă în rezolvarea problemelor reale.
Problema principală este hardware-ul. Dacă biții de calcul tradiționali au valoarea 0 sau 1, atunci în ciudata lume cuantică, cubiții pot fi în ambele stări simultan. Această proprietate se numește superpoziție. Cubiții sunt asemănători cu vârtejuri care se învârt: se rotesc în același timp în sens orar și antiorar, se mișcă în sus și în jos. Dacă găsiți acest lucru confuz, atunci sunteți într-o companie bună. Richard Feynman a spus cândva: „Dacă credeți că înțelegeți mecanica cuantică, înseamnă că nu o înțelegeți”. Cuvinte îndrăznețe de la un om care a câștigat Premiul Nobel pentru... mecanica cuantică.
Așadar, cubiții sunt extrem de instabili și supuși influențelor externe. O mașină care trece pe lângă feroneria laboratorului, zgomotul intern al sistemului de răcire, o particulă cosmică care zboară — orice interferență aleatorie, orice interacțiune rupă sincronia lor și ei decoherează. Acest lucru este devastator pentru calcule.
Întrebarea cheie pentru dezvoltarea calculilor cuantici este care soluție hardware din numeroasele studiate va asigura stabilitatea cubiților. Cine va rezolva problema întreruperii coerenței și va face computerele cuantice la fel de răspândite ca procesoarele grafice va primi Premiul Nobel și va deveni cea mai bogată persoană din lume.
Calea către commercializare
În 2011, compania canadiană D-Wave Systems Inc. a fost prima care a început să vândă calculatoare cuantice, deși utilitatea lor este limitată la anumite probleme matematice. În lunile următoare, milioane de dezvoltatori vor putea începe să utilizeze procesoarele cuantice prin intermediul cloud-ului — IBM promite să ofere acces la dispozitivul său de 53 de qubiți. Până acum, în cadrul programului numit Q Network, 20 de companii au obținut această privilegiu. Printre acestea se numără producătorul de tehnologie Samsung Electronics, constructorii auto Honda Motor și Daimler, companiile chimice JSR și Nagase, precum și băncile JPMorgan Chase & Co. și Barclays.
Majoritatea companiilor care experimentează astăzi cu calculul cuantic îl consideră o componentă esențială a viitorului. Acum, misiunea lor principală este să afle ce funcționează în calculul cuantic și ce nu. Și să fie pregătite să integreze tehnologia în afaceri, atunci când aceasta va fi gata.
Organizațiile de transport. Volkswagen, împreună cu compania D-Wave, dezvoltă o aplicație cuantică — un sistem de gestionare a traficului. Noua programă va permite organizațiilor de transport public și companiilor de taxi din marile orașe să utilizeze mai eficient flota lor și să minimalizeze timpul de așteptare pentru pasageri.
Sectorul energetic. ExxonMobil și IBM promovează aplicarea calculului cuantic în domeniul energetic. Aceștia se concentrează pe dezvoltarea unei serii de noi tehnologii energetice, îmbunătățirea eficienței energetice și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Scala și complexitatea problemelor cu care se confruntă sectorul energetic depășesc limitările calculatoarelor tradiționale moderne și se potrivesc bine pentru testare pe calculatoare cuantice.
Companiile farmaceutice. Accenture Labs colaborează cu 1QBit, o companie de dezvoltare a software-ului cuantic. În doar 2 luni de la cercetare, au trecut la verificarea conceptului — utilizarea unei aplicații pentru modelarea interacțiunilor moleculare complexe la nivel atomic. Datorită puterii calculului cuantic, a devenit posibilă analiza moleculelor mai mari. Ce va aduce aceasta societății? Medicamente inovatoare cu efecte secundare minime.
Sectorul financiar. Tehnologia bazată pe principiile teoriei cuantice atrage din ce în ce mai mult interesul băncilor. Acestea sunt interesate să proceseze tranzacțiile, afacerile și alte tipuri de date cât mai repede posibil. Barclays și JP Morgan Chase (împreună cu IBM) și NatWest (împreună cu Fujitsu) își desfășoară deja experimentele pentru a dezvolta software specializat.
Acceptarea din partea unor mari corporații și apariția antreprenorilor cuantici sugerează viabilitatea comercială a tehnologiei cuantice. Observăm deja cum calculatoarele cuantice sunt folosite pentru probleme din lumea reală — de la creșterea eficienței energetice până la optimizarea rutelor de transport. Și, important, valoarea tehnologiei va crește pe măsură ce progresează.
Sursa: habr.com
