Jim Clark, riaditeľ kvantového hardvéru spoločnosti Intel, s jedným z kvantových procesorov spoločnosti. Foto; Intel
- Kvantové počítače sú mimoriadne vzrušujúcou technológiou, ktorá sľubuje vytvorenie výkonných výpočtových schopností na riešenie predtým neriešiteľných problémov.
- Odborníci tvrdia, že IBM je lídrom v oblasti kvantových počítačov, a preto sú pod jej vplyvom Google, Intel, Microsoft a množstvo startupov.
- Investorov priťahujú začínajúce kvantové počítače, vrátane IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems a Rigetti, ktoré by mohli narušiť trh.
- Má to však háčik: moderné kvantové počítače vo všeobecnosti nie sú také výkonné ani spoľahlivé ako dnešné superpočítače a navyše vyžadujú špeciálne podmienky na spustenie a spustenie.
V januári spoločnosť IBM vzbudila veľkú radosť, keď oznámila IBM Q System One, prvý kvantový počítač na svete dostupný pre podnikanie. Zariadenie bolo umiestnené v elegantnej sklenenej vitríne s objemom 9 kubických stôp.
Ide o dôležitý míľnik pre kvantové počítače, ktoré sa stále nachádzajú vo výskumných laboratóriách. Podľa IBM sa kupujúci už snažia dostať do rúk technológiu, ktorá je sľubná v rôznych oblastiach: chémia, veda o materiáloch, výroba potravín, letecký priemysel, vývoj liekov, prognózy akciového trhu a dokonca aj klimatické zmeny.
IBM Q System One. Foto: IBM
Dôvodom vzrušenia je, že kvantový počítač má zdanlivo magické vlastnosti, ktoré mu umožňujú spracovať exponenciálne viac informácií ako konvenčný systém. Kvantový počítač nie je len veľmi rýchly počítač, presnejšie je to úplne iná výpočtová paradigma, ktorá si vyžaduje radikálne prehodnotenie.
Víťazom technologických pretekov sa stane spoločnosť, ktorá využije príležitosti, ktoré táto technológia poskytuje. Na túto technológiu vsádzajú IBM, Microsoft, Google a ďalší technologickí giganti, ale aj startupy.
Business Insider sa opýtal viceprezidenta pre stratégiu a ekosystém IBM Q Boba Sutora na to, ako sprístupniť tieto systémy ľuďom: Ako k nim budú mať ľudia prístup? Ako sa môže veľa ľudí naučiť používať kvantové počítače na vykonávanie svojich úloh?
Existuje len malá šanca, že v kanceláriách čoskoro uvidíme kvantové počítače. Odborníci, ktorých sme oslovili, veria, že napriek tomu, že sú dostupné pre IBM, bude trvať ďalších päť až desať rokov, kým sa kvantové počítače skutočne dostanú do hlavného prúdu. IBM Q System One je v súčasnosti dostupný len ako služba cloud computingu pre vybraných zákazníkov. Bude to nejaký čas trvať, kým si ľudia budú môcť kúpiť niečo také a uviesť to do prevádzky pre svoje vlastné účely.
Odborníci skutočne tvrdia, že kvantové počítače sú veľmi sľubné, ale od masovej výroby majú ďaleko. Sú mimoriadne krehké a na prácu vyžadujú špeciálne podmienky. Navyše, kvantové počítače dnes nie sú také spoľahlivé ani výkonné ako počítače, ktoré už máme.
„Veríme, že približne o desať rokov zmení kvantový počítač váš alebo môj život,“ povedal pre Business Insider Jim Clark, riaditeľ kvantového hardvéru v Inteli. — V skutočnosti sme teraz len na prvej míli maratónu. To neznamená, že nás to nezaujíma."
Čo je kvantový počítač?
Bill Gates raz povedal, že matematika za kvantom je mimo jeho chápania, ale nie všetci súhlasili.
„Je to trochu mylná predstava, že kvantová fyzika je fyzika a je príliš komplikovaná,“ povedal pre Business Insider Chris Monroe, generálny riaditeľ a spoluzakladateľ IonQ. "Pre mnohých ľudí je to nepochopiteľné, že je to nepochopiteľné, ale pre mňa je to rovnako nepochopiteľné ako pre teba." Ak niečo môže byť v superpozícii, znamená to, že to môže byť v dvoch stavoch súčasne. Je to zvláštne, pretože toto v skutočnom svete nezažívame.“
Počítače, ktoré sme použili, zobrazujú údaje ako reťazec 1 alebo 0 nazývaný binárny kód. Kvantový počítač však môže reprezentovať údaje ako 1, 0 alebo, čo je najdôležitejšie, obe čísla súčasne.
Keď sa systém môže nachádzať vo viac ako jednom stave súčasne, nazýva sa to „superpozícia“, jedna zo zdanlivo magických vlastností kvantových počítačov. Ďalším kľúčovým princípom je "zapletenie", čo je kvantová vlastnosť, ktorá umožňuje dvom časticiam pohybovať sa v dokonalej synchronizácii, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba fyzicky oddelené.
Ako vysvetľuje v Scientific American sa tieto dve vlastnosti spájajú a vytvárajú počítač, ktorý dokáže spracovať oveľa viac údajov súčasne ako ktorýkoľvek systém na dnešnom trhu.
Výkon kvantového počítača sa meria v qubitoch, základnej jednotke merania v kvantovom počítači. Rovnako ako moderné počítače majú 32-bitové alebo 64-bitové procesory (miera toho, koľko dát dokážu spracovať naraz), kvantový počítač s viacerými qubitmi má podstatne väčší výpočtový výkon.
Vo vnútri kvantového počítača. Foto: IBM
Obloha je limit
To všetko znamená, že kvantový počítač dokáže vyriešiť problémy, ktoré boli predtým limitované výpočtovým výkonom.
Napríklad kvantový počítač by mohol hrubo vyriešiť slávny problém obchodného cestujúceho, zložitý výpočtový problém, ktorý si vyžaduje nájsť najkratšiu cestu medzi viacerými mestami pred návratom domov. Znie to jednoducho, ale ak sa na to pozriete matematicky, hľadanie jedinej optimálnej cesty sa stáva zložitejším, keď na jej trasu pridávate ďalšie mestá.
Podobne by sa kvantový počítač mohol predierať aj tými najzložitejšími a časovo najnáročnejšími problémami, preberať obrovské množstvo finančných, farmaceutických alebo klimatických údajov, aby našiel optimálne riešenia. Kvantový startup D-Wave už skutočne spolupracuje s Volkswagenom na analýze jazdných vzorov a preosievaní obrovského množstva hluku, aby sa dostal k podstate vecí.
Diskutuje sa o jeho užitočnosti v oblasti kryptografie. Kvantový počítač je schopný zvládnuť metódu šifrovania, ktorá sa líši od predtým známej šifry, čo mu umožňuje ľahko rozlúštiť aj štátne tajomstvá. O túto užitočnú funkciu je veľký záujem zo strany globálnych vlád, zatiaľ čo aktivisti sa obávajú, že príchod kvantových počítačov by mohol zničiť súkromie.
Fyzikálny problém
„Pretože kvantová výpočtová technika je stále v ranom štádiu, existuje veľa informácií, ktoré zostávajú neoverené,“ povedal Matthew Briss, viceprezident výskumu a vývoja v Gartner. „Kupujúci však už hľadajú aplikácie na určenie konkurenčných výhod kvantovej výpočtovej techniky pre ich podnikanie,“ hovorí.
Napriek všetkému humbuku sa odborníci domnievajú, že kvantové počítače nie sú tak ďaleko od vedenia, ako boli počítače v 1950. rokoch minulého storočia. Samozrejme, naberajú na obrátkach, ale pomaly.
„Kvantové výpočty možno prirovnať k pomaly idúcemu vlaku,“ povedal pre Business Insider Brian Hopkins, viceprezident a hlavný analytik spoločnosti Forrester. "Ak sa pohne o jeden palec za sekundu, potom za mesiac prejde dva palce za sekundu." Čoskoro sa začne pohybovať rýchlejšie."
Veľkým problémom teraz je, že kvantový počítač nedokáže urobiť nič, čo by nedokázal klasický počítač. Priemysel sa teší na moment nazývaný kvantová nadvláda, keď kvantové počítače prekročia súčasné obmedzenia.
„Keď k nám zákazníci prídu, hlavnou vecou, ktorú nám povedia, je, že im je jedno, aký model to je, pokiaľ je to užitočné pre ich podnikanie,“ hovorí analytik Briss. — Neexistuje model, ktorý by dokázal prekonať klasické algoritmy. Naozaj musíme počkať, kým sa hardvér kvantového počítača začne zlepšovať.“
Katie Pooley, výskumníčka IBM, skúma kryostat, ktorý pomáha kvantovým počítačom udržiavať nízke teploty. Foto: Andy Aaron, IBM
Veľkým problémom zostáva nedostatok výpočtového výkonu. Predpokladá sa, že kvantová nadvláda bude vyžadovať počítač s výkonom 50 qubitov. Hoci sa tento míľnik dosiahol v laboratóriu, nie je trvalý a nedá sa udržať. V skutočnosti môžu byť qubity vystavené chybám a môžu byť nestabilné, čo vedie k problémom s ich generovaním a znižuje ich potenciál.
Ďalším dôležitým faktorom je viac materiálu. Aby kvantové počítače fungovali, musia byť úplne izolované od prostredia a vyžadujú veľmi nízke teploty. Dokonca aj tie najmenšie vibrácie môžu spôsobiť zrútenie qubitov a ich vyhadzovanie zo superpozície, rovnako ako dieťa klopanie na stôl spôsobuje, že rotujúce mince padajú na stôl.
Predchádzajúce kvantové počítače, ako napríklad IBM Q System One, sú také objemné, že nevyhnutné podmienky izolácie a chladenia sa stávajú skutočnou výzvou. Tento problém zhoršuje nedostatok potrebných komponentov: supravodivé káble a nízkoteplotné chladničky. Majú veľký nedostatok.
V konečnom dôsledku to znamená, že hoci sa poznatky zlepšujú a technológie napredujú, kvantové výpočty stále nie sú prakticky realizovateľné.
„Jednou z výziev v mojej pracovnej skupine je manipulácia s materiálmi, kremíkom, kovmi, aby sme mohli vytvoriť veľmi homogénne prostredie,“ povedal Clark zo spoločnosti Intel. - Toto je v podstate najlepšia polovodičová technológia. Technológie, ktoré potrebujeme na vytvorenie kvantovej výpočtovej techniky vo veľkom meradle, zatiaľ neexistujú."
Ďalším problémom je, že kvantové počítače majú nepopierateľný potenciál poskytnúť nepredvídaný výpočtový výkon. V tomto svete však nie je veľa ľudí, ktorí majú skutočne skúsenosti s programovaním alebo prevádzkou týchto systémov a potenciálni kupci sú fascinovaní snahou prísť na to, ako ich skutočne používať.
Veľká kvantová rasa
Analytici tvrdia, že IBM v súčasnosti vedie preteky v oblasti kvantových počítačov vďaka obmedzenej komerčnej dostupnosti IBM Q System One. Keďže sa k nemu pristupuje prostredníctvom cloudu, spoločnosť IBM môže zachovať tieto špeciálne podmienky, aby udržala tento kvantový počítač funkčný a zároveň umožnila vybraným zákazníkom jeho používanie.
„Myslím si, že [kvantový počítač IBM] sa otriasa,“ povedal analytik Briss. "Myslím si, že kvantová výpočtová technika ako model služby je tým správnym modelom." Tým, že ho vložia do nádoby a špecificky s ním zaobchádzajú, skutočne sa snažia zlepšiť jeho kvalitu.“
Sarah Sheldon a Pat Gumann z IBM pracujú na rozpúšťacej chladničke, ktorá chladí kvantové počítače. Foto: IBM
Analytici zároveň poznamenávajú, že ktorýkoľvek z hráčov na tomto trhu môže kedykoľvek dosiahnuť prielom, ktorý mu umožní dostať sa dopredu, a že je to stále nevyhnutná rivalita.
Rôzni IT giganti pristupujú k tomuto problému rôzne. Intel, IBM, Google a kvantový počítačový startup Rigetti budujú systémy založené na supravodivých obvodoch, ktoré poháňajú najmodernejšie superpočítače.
používa úplne iný a možno riskantnejší prístup v snahe vytvoriť lepší qubit. Topologický qubit, že Microsoft sa snaží vytvoriť fragmenty elektrónov na ukladanie informácií na viacerých miestach naraz, čím sa stáva stabilnejším a menej náchylným na zničenie. Je menej robustný ako to, čo sa snažia vybudovať jeho konkurenti, ale výsledok by bol veľkým krokom vpred pre celú oblasť kvantových výpočtov, povedal analytik Hopkins.
„Hsádzajú a veľa ľudí si myslí, že nikdy neuspejú,“ povedal Hopkins.
Na dobrodružnejšej strane startupy ako IonQ a D-Wave vsádzajú na špičkové technológie, ako je zachytávanie iónov a kvantové žíhanie. Jednoducho povedané, snažia sa rôznymi spôsobmi dosiahnuť väčší výkon a stabilitu z každého qubitu, a to pomocou úplne nových metód.
„To nám umožňuje postaviť kvantový počítač, ktorý rieši zložité problémy a neustále v tom napreduje,“ povedal pre Business Insider Mark Johnson, viceprezident pre dizajn a vývoj procesorov a kvantových produktov v D-Wave.
Kvantový vedec IBM prechádza výpočtovým centrom IBM Q vo Výskumnom centre Thomasa J. Watsona v Yorktown Heights v štáte New York. Foto: Connie Zhou pre IBM
Kvantové startupy
Nárast kvantovej výpočtovej techniky vyvolal vlnu záujmu investorov o súvisiace startupy. Robert Sutor z IBM odhaduje, že po celom svete existuje asi 100 kvantových softvérových, hardvérových a dokonca poradenských startupov. To je malé v porovnaní s obrovským trhom startupov, ale oveľa väčšie ako predtým.
"Bol som v tomto priestore dlho, od úplného začiatku," povedal Monroe z IonQ. — Dlho bola v plienkach, až pred 5-8 rokmi vzbudila pozornosť a prilákala obrovské investície. Bolo jasné, že prišiel ten čas."
Chris Monroe, generálny riaditeľ a spoluzakladateľ kvantového počítačového startupu IonQ. Foto: IonQ
Niektorí, ako napríklad Rigetti, sú pripravení stretnúť sa s technologickými titánmi s vlastnými kvantovými čipmi a sofistikovanými kvantovými výpočtovými systémami.
„Je to jadro nášho podnikania,“ povedala pre Business Insider Betsy Masiello, produktová viceprezidentka spoločnosti Rigetti. — V kvantovom priestore je veľa spoločností, ktoré pracujú na softvérových aplikáciách v oblasti kvantových počítačov. Vyrábame mikročipy a budujeme výpočtové systémy.“
Matthew Kinsella, výkonný riaditeľ spoločnosti Maverick Ventures, hovorí, že v oblasti kvantových počítačov je optimistický. Jeho spoločnosť zašla tak ďaleko, že investovala do spoločnosti ColdQuanta, ktorá vyrába zariadenia používané v kvantových systémoch. Očakáva, že kvantové počítače do piatich až desiatich rokov prekonajú výkon dnešných systémov. Maverick Ventures vsádza na dlhodobý horizont.
„Skutočne verím v kvantové výpočty, hoci to môže trvať dlhšie, než sa očakávalo, kým sa kvantový počítač stane lepším ako tradičný počítač na riešenie každodenných problémov. V najbližších rokoch pravdepodobne uvidíme výhody kvantových počítačov pri riešení problémov malého rozsahu,“ povedal Kinsella.
Laboratóriá D-Wave 2000Q Systems. Foto: D-Wave
Kinsella, rovnako ako analytici, s ktorými sme hovorili, očakáva takzvanú „kvantovú zimu“. Okolo kvantových počítačov môže byť humbuk, ale ľudia vkladajú svoje nádeje, varujú odborníci. Stroje ešte nie sú dokonalé a investorom potrvá roky, kým uvidia výsledky.
V perspektíve
Aj za hranicou kvantovej nadvlády nás odborníci uisťujú, že pre tradičné počítače a superpočítače stále existuje miesto. Dovtedy sú ešte stále potrebné vyriešiť problémy s cenou, veľkosťou, spoľahlivosťou a výkonom spracovania, kým o tom budeme môcť diskutovať.
"Musíme sa nadýchnuť," povedal analytik Briss. "V tejto oblasti sa deje veľa vzrušujúcich vecí, ktoré si vyžadujú čas." Je to konglomerát fyziky, informatiky a, úprimne povedané, vedeckej analýzy. Nemuseli by sme to študovať, keby sme poznali všetky odpovede, ale čaká nás ešte veľa výskumnej práce.“
Kvantový počítač Rigetti. Foto: Rigetti
Mnohým je však jasné, že toto je budúcnosť. Rovnako ako výrobcovia prvého sálového počítača si neuvedomili, že to nakoniec povedie k ďalším smartfónom veľkosti dlane. Kvantový počítač by mohol byť prvým krokom na úplne novej ceste.
Málokto, ako napríklad viceprezident spoločnosti Microsoft pre správu a riadenie spoločnosti Todd Holmdahl, je dostatočne optimistický na to, aby povedal, že by to mohlo byť významnejšie ako dnešná umelá inteligencia a strojové učenie. Svojim deťom hovorieval, že by mali robiť to, čo ich baví, a že sa vždy môžu zamestnať v umelej inteligencii. Teraz povie to isté o kvantových výpočtoch.
„Toto je oblasť, ktorá sa bude rozvíjať. Potrebujeme ľudí, aby ho naplnili a zabránili tomu, aby vyschol,“ povedal Holmdahl. "V našej generácii hrá dôležitú úlohu a dáva nám príležitosť vytvárať úžasné veci v budúcnosti."
Zdroj: hab.com