Kubiter istället för bitar: vilken framtid förbereder kvantdatorer för oss?

En av de främsta vetenskapliga utmaningarna i vår tid är jakten på att skapa den första användbara kvantdatorn. Tusentals fysiker och ingenjörer deltar i detta. IBM, Google, Alibaba, Microsoft och Intel utvecklar sina koncept. Hur ett kraftfullt beräkningsverktyg kommer att förändra vår värld och varför det är så viktigt?

Tänk dig för ett ögonblick: en fullfjädrad kvantdator är skapad. Den har blivit ett vanligt och naturligt inslag i våra liv. Klassiska beräkningar nämns nu bara i skolan, på historielektionerna. Djupt nere i kalla källare arbetar mäktiga maskiner med kubiter för att stödja robotar utrustade med artificiell intelligens. De utför alla farliga och helt enkelt monotona uppgifter. När du går i parken ser du omkring dig och ser olika robotar. Mänskliga varelser går ut med hundar, säljer glass, reparerar elinstallationer och sopar marken. Vissa modeller ersätter husdjur.

Vi har fått möjlighet att avslöja alla universums hemligheter och blicka in i oss själva. Medicinen har nått en ny nivå – innovativa läkemedel utvecklas varje vecka. Vi kan förutsäga och avgöra var bristande resurser, såsom gas och olja, finns. Problemet med global uppvärmning har lösts, metoder för energibesparing har optimerats, och det finns inga fler trafikstockningar i städerna. Kvantdatorn styr inte bara alla robotiserade maskiner, utan säkerställer också fritt flöde: den övervakar trafikläget, justerar rutter och tar över kontrollen från förare vid behov. Så här kan den kvantala tidsåldern se ut.

Den kvantiga guldfebern

Möjligheterna för tillämpning är häpnadsväckande, och därför växer investeringarna i kvantutvecklingar år för år. Den globala marknaden för kvantdatorberäkningar värderades till 81,6 miljoner USD år 2018. Enligt Market.us förväntas den nå 381,6 miljoner USD år 2026. Det vill säga en genomsnittlig årlig ökning på 21,26 % från 2019 till 2026.

Denna tillväxt drivs av den ökande användningen av kvantkryptografi i säkerhetsapplikationer och på grund av investeringar från intressenter inom kvantdatormarknaden. I början av detta år, enligt en analys av vetenskapliga tidskriften Nature, har privata investerare finansierat minst 52 företag inom kvantteknik världen över. Stora aktörer som IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel och D-Wave Systems tävlar om att skapa en praktiskt tillämpbar kvantdator.

Ja, även om de årliga medlen som flödar in i detta område fortfarande utgör små kostnader (i jämförelse: investeringarna i AI uppgick till 9,3 miljarder USD år 2018). Men dessa siffror är betydande för en omogen bransch som ännu inte kan stoltsera med effektivitetsmått.

Lösning av kvantproblem

Det är viktigt att förstå att teknologin fortfarande är i sin linda. Endast prototyper av kvantmaskiner och några experimentella system har skapats. Dessa kan utföra fasta algoritmer av liten komplexitet. Den första 2-kubitsdatorn skapades 1998, och mänskligheten behövde 21 år för att ta dessa enheter till den nivån som kallas "kvantöverlägsenhet". Termen myntades av professor John Preskill vid California Institute of Technology. Den innebär kvantdatorers förmåga att lösa problem snabbare än de kraftfullaste klassiska datorerna.

Ett genombrott inom detta område gjordes av det kaliforniska företaget Google. I september 2019 meddelade företaget att deras 53-kubits enhet Sycamore klarade av en beräkning som den mest avancerade superdatorn skulle ta 10 000 år på, på 200 sekunder. Påståendet väckte mycket debatt. IBM var helt oense med dessa beräkningar. I sin blogg skrev företaget att deras superdator Summit skulle klara av uppgiften på 2,5 dagar. Och allt som krävs för det är att öka kapaciteten på lagringsutrymmet. Även om skillnaden i praktiken inte var så kolossal, var Google verkligen först med att nå "kvantöverlägsenhet". Och detta är en viktig milstolpe inom datavetenskap. Men inte mer än så. Sycamores prestation har enbart demonstrationskaraktär. Den har ingen praktisk tillämpning och är värdelös för att lösa verkliga problem.

Det huvudsakliga problemet är hårdvaran. Om traditionella beräkningsbitar har värdet 0 eller 1, så kan kubiter i den kvantiga världen befinna sig i båda tillstånden samtidigt. Denna egenskap kallas superposition. Kubiter liknar snurrande topplar: de snurrar både med och moturs, de rör sig uppåt och nedåt. Om du tycker att detta är förvirrande, är du i gott sällskap. Richard Feynman sa en gång: "Om du tror att du förstår kvantmekanik, så förstår du den inte". Modiga ord av en man som fick Nobelpriset för ... kvantmekanik.

Så, kubiter är extremt instabila och känsliga för externa påverkan. En bil som passerar förbi laboratoriets fönster, intern brus från kylsystemet, en kosmisk partikel som flyger förbi - varje slumpmässig störning, varje interaktion rubbar deras synkronisering och de dekohere. Detta är katastrofalt för beräkningarna.

Nyckelfrågan för utvecklingen av kvantdatorer är vilket hårdvarulösning bland de många som har undersökts som kommer att garantera stabiliteten hos kubiter. Den som löser koherensproblemet och gör kvantdatorer lika vanliga som grafiska processorer kommer att få Nobelpriset och bli världens rikaste människa.

Vägen till kommersialisering

År 2011 började det kanadensiska företaget D-Wave Systems Inc. att sälja kvantdatorer, även om deras användbarhet är begränsad till vissa matematiska uppgifter. Under de kommande månaderna kommer miljontals utvecklare att kunna börja använda kvantprocessorer via molnet - IBM lovar att ge tillgång till sin 53-kubits enhet. För närvarande har 20 företag fått denna privilegium inom ramen för programmet som kallas Q Network. Bland dem finns tekniktillverkaren Samsung Electronics, biltillverkarna Honda Motor och Daimler, de kemiska företagen JSR och Nagase, samt bankerna JPMorgan Chase & Co. och Barclays.

De flesta företag som idag experimenterar med kvantdatorer ser dem som en oumbärlig del av framtiden. Deras huvuduppdrag nu är att ta reda på vad som fungerar inom kvantdatorer och vad som inte gör det. De förbereder sig också för att vara de första att implementera tekniken i affärer när den är redo.

Transportorganisationer. Volkswagen utvecklar tillsammans med D-Wave en kvantapplikation - ett system för trafikstyrning. Det nya programmet kommer att möjliggöra för offentliga transportorganisationer och taxiföretag i storstäder att använda sin fordonsflotta mer effektivt och minska väntetiden för passagerare.

Energisektorn. ExxonMobil och IBM främjar användningen av kvantdatorer inom energisektorn. De fokuserar på att utveckla en rad nya energiteknologier, öka energieffektiviteten och minska växthusgasutsläpp. De utmaningar och den komplexitet som energisektorn står inför går bortom dagens traditionella datorer och är väl lämpade för testning på kvantdatorer.

Läkemedelsföretag. Accenture Labs samarbetar med 1QBit, ett företag som utvecklar kvantprogramvara. På bara 2 månader gick de från forskning till konceptutvärdering - tillämpningen av en applikation för modellering av komplexa molekylära interaktioner på atomnivå. Tack vare kvantdatorernas kraft blir det möjligt att analysera större molekyler. Vad kommer detta att ge samhället? Innovativa läkemedel med färre biverkningar.

Finanssektorn. Tekniker baserade på principer från kvantteori väcker allt mer intresse hos banker. De vill kunna bearbeta transaktioner, affärer och andra typer av data så snabbt som möjligt. Barclays och JP Morgan Chase (tillsammans med IBM) samt NatWest (tillsammans med Fujitsu) genomför redan sina experiment med att utveckla specialiserad programvara.

Antagandet från sådana stora företag och framväxten av företagsamma kvantpionjärer visar på kvantans kommersiella livskraft. Vi ser redan hur kvantberäkningar tillämpas på verkliga problem — från att öka energieffektiviteten till att optimera transportsystem. Viktigt är att teknikens värde kommer att växa i takt med utvecklingen.

Källa: habr.com