Jednou z hlavných vedeckých výziev našej doby sa stali preteky o vytvorenie prvého užitočného kvantového počítača. Zúčastňujú sa na ňom tisíce fyzikov a inžinierov. IBM, Google, Alibaba, Microsoft a Intel vyvíjajú svoje koncepty. Ako výkonné počítačové zariadenie zmení náš svet a prečo je také dôležité?
Na chvíľu si predstavte: bol vytvorený plnohodnotný kvantový počítač. Stalo sa známym a prirodzeným prvkom nášho života. O klasických výpočtoch sa dnes hovorí už len v škole, na hodinách dejepisu. Niekde hlboko v chladných pivniciach fungujú výkonné stroje na qubitoch, ktoré poháňajú umelo inteligentné roboty. Vykonávajú všetky nebezpečné a jednoducho monotónne úlohy. Pri prechádzke parkom sa obzeráte a vidíte všetky druhy robotov. Humanoidné bytosti venčia psov, predávajú zmrzlinu, opravujú elektrické rozvody a zametajú okolie. Niektoré modely nahrádzajú domáce zvieratá.
Dostali sme príležitosť odhaliť všetky tajomstvá Vesmíru a nahliadnuť do seba. Medicína dosiahla novú úroveň – každý týždeň sa vyvíjajú inovatívne lieky. Dokážeme predpovedať a určiť, kde sa nachádzajú vzácne zdroje, ako je plyn a ropa. Problém globálneho otepľovania bol vyriešený, spôsoby úspory energie boli optimalizované a v mestách už nie sú žiadne dopravné zápchy. Kvantový počítač nielen riadi všetky robotické autá, ale zabezpečuje aj voľný pohyb: monitoruje situáciu na cestách, upravuje trasy a v prípade potreby preberá riadenie od vodičov. Takto by mohol vyzerať kvantový vek.
Kvantová zlatá horúčka
Vyhliadky na uplatnenie sú úžasné, a preto investície do kvantového vývoja každým rokom rastú. Globálny trh s kvantovou výpočtovou technikou bol v roku 81,6 ocenený na 2018 milióna dolárov. Experti Market.us odhadujú, že do roku 2026 dosiahne 381,6 milióna dolárov. To znamená, že od roku 21,26 do roku 2019 sa bude zvyšovať v priemere o 2026 % ročne.
Tento rast je poháňaný rastúcim využívaním kvantovej kryptografie v bezpečnostných aplikáciách a poháňaný investíciami od účastníkov trhu s kvantovou výpočtovou technikou. Podľa analýzy vedeckého časopisu Nature súkromní investori začiatkom tohto roka financovali najmenej 52 kvantových technologických spoločností na celom svete. Významní hráči ako IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel a D-Wave Systems sa snažia vytvoriť prakticky použiteľný kvantový počítač.
Áno, pokiaľ peniaze prúdiace do tejto oblasti každý rok predstavujú malé výdavky (v porovnaní s investíciami do AI vo výške 2018 miliardy dolárov v roku 9,3). Tieto čísla sú však významné pre nezrelé odvetvie, ktoré sa ešte nemôže pochváliť ukazovateľmi výkonnosti.
Riešenie kvantových problémov
Musíte pochopiť, že dnes je technológia stále v plienkach. Bolo možné vytvoriť iba prototypy kvantových strojov a jednotlivých experimentálnych systémov. Sú schopné vykonávať pevné algoritmy nízkej zložitosti. Prvý 2-qubitový počítač bol vytvorený v roku 1998 a ľudstvu trvalo 21 rokov, kým dostalo zariadenia na správnu úroveň, takzvanú „kvantovú nadvládu“. Tento termín vytvoril profesor Caltechu John Preskill. A to znamená schopnosť kvantových zariadení riešiť problémy rýchlejšie ako najvýkonnejšie klasické počítače.
Prelom v tejto oblasti urobila kalifornská spoločnosť Google. V septembri 2019 spoločnosť oznámila, že jej 53-qubitové zariadenie Sycamore dokončilo výpočet za 200 sekúnd, ktorého dokončenie by najmodernejšiemu superpočítaču trvalo 10 000 rokov. Vyhlásenie vyvolalo veľa kontroverzií. IBM s takýmito výpočtami kategoricky nesúhlasila. Spoločnosť vo svojom blogu napísala, že jej superpočítač Summit sa s touto úlohou vyrovná za 2,5 dňa. A všetko, čo je potrebné, je zvýšiť kapacitu disku. Aj keď v skutočnosti rozdiel nebol taký kolosálny, Google bol skutočne prvým, kto dosiahol „kvantovú nadvládu“. A to je dôležitý míľnik v počítačovom výskume. Ale nič viac. Sycamoreov počin slúži čisto na demonštračné účely. Nemá praktické uplatnenie a na riešenie skutočných problémov je nepoužiteľný.
Hlavným problémom je hardvér. Zatiaľ čo tradičné výpočtové bity majú hodnotu 0 alebo 1, v podivnom kvantovom svete môžu byť qubity v oboch stavoch súčasne. Táto vlastnosť sa nazýva superpozícia. Qubity sú ako kolovrátky: otáčajú sa v smere aj proti smeru hodinových ručičiek, pohybujú sa hore a dole. Ak sa vám to zdá mätúce, ste v skvelej spoločnosti. Richard Feynman raz povedal: "Ak si myslíte, že rozumiete kvantovej mechanike, nerozumiete jej." Odvážne slová muža, ktorý získal Nobelovu cenu za... kvantovú mechaniku.
Takže qubity sú extrémne nestabilné a podliehajú vonkajším vplyvom. Auto prechádzajúce pod oknami laboratória, vnútorný hluk chladiaceho systému, letiaca kozmická častica – akékoľvek náhodné rušenie, akákoľvek interakcia narúša ich synchronicitu a dekoherujú. To je škodlivé pre výpočtovú techniku.
Kľúčovou otázkou pre vývoj kvantových výpočtov je, ktoré hardvérové riešenie z množstva preskúmaných zabezpečí stabilitu qubitov. Kto vyrieši problém koherencie a urobí kvantové počítače tak bežnými ako GPU, získa Nobelovu cenu a stane sa najbohatším človekom na svete.
Cesta ku komercializácii
V roku 2011 kanadská spoločnosť D-Wave Systems Inc. bol prvý, kto predával kvantové počítače, hoci ich užitočnosť je obmedzená na určité matematické problémy. A v najbližších mesiacoch budú môcť milióny vývojárov začať využívať kvantové procesory prostredníctvom cloudu – IBM sľubuje, že poskytne prístup k svojmu 53-qubitovému zariadeniu. Doteraz získalo toto privilégium 20 spoločností v rámci programu s názvom Q Network. Medzi nimi výrobca zariadení Samsung Electronics, automobilky Honda Motor a Daimler, chemické spoločnosti JSR a Nagase, banky JPMorgan Chase & Co. a Barclays.
Väčšina spoločností, ktoré dnes experimentujú s kvantovou výpočtovou technikou, ju vníma ako neoddeliteľnú súčasť budúcnosti. Ich hlavným poslaním je teraz zistiť, čo v kvantovej výpočtovej technike funguje a čo nie. A buďte pripravení byť prvý, kto zavedie technológiu do podnikania, keď bude pripravená.
Dopravné organizácie. Volkswagen spolu s D-Wave vyvíja kvantovú aplikáciu – systém riadenia dopravy. Nový program umožní organizáciám verejnej dopravy a taxislužbám vo veľkých mestách efektívnejšie využívať svoj vozový park a minimalizovať čakacie doby cestujúcich.
energetický sektor. ExxonMobil a IBM propagujú využívanie kvantových výpočtov v energetickom sektore. Zameriavajú sa na vývoj celého radu nových energetických technológií, zlepšovanie energetickej účinnosti a znižovanie emisií skleníkových plynov. Rozsah a zložitosť výziev, ktorým čelí energetický sektor, presahujú rámec dnešných tradičných počítačov a sú vhodné na testovanie na kvantových počítačoch.
Farmaceutické spoločnosti. Accenture Labs spolupracuje s 1QBit, spoločnosťou zaoberajúcou sa kvantovým softvérom. Len za 2 mesiace prešli od výskumu k proof-of-concept – pomocou aplikácie na modelovanie zložitých molekulárnych interakcií na atómových úrovniach. Vďaka sile kvantových výpočtov je teraz možné analyzovať väčšie molekuly. Čo to dá spoločnosti? Inovatívne lieky s najmenšími vedľajšími účinkami.
Finančný sektor. Technológie založené na princípoch kvantovej teórie priťahujú čoraz väčší záujem bánk. Majú záujem spracovať transakcie, obchody a iné typy údajov čo najrýchlejšie. Barclays a JP Morgan Chase (s IBM), ako aj NatWest (s Fujitsu) už uskutočňujú svoje experimenty vo vývoji špecializovaného softvéru.
Prijatie takýchto veľkých korporácií a objavenie sa podnikavých kvantových priekopníkov hovorí veľa o komerčnej životaschopnosti kvanta. Už sme svedkami aplikovania kvantových výpočtov na problémy v reálnom svete, od zlepšovania energetickej účinnosti až po optimalizáciu trás vozidiel. A čo je dôležité, hodnota technológie sa bude s vývojom zvyšovať.
Zdroj: hab.com