Джим Кларк, директор з квантового обладнання Intel, з одним із квантових процесорів компанії. Фото; Intel
- Квантові комп'ютери - надзвичайно захоплююча технологія, що подає надії на створення потужних обчислювальних можливостей для вирішення проблем, які раніше не вирішувалися.
- Експерти стверджують, що IBM лідирувала в області квантових обчислень, тому Google, Intel, Microsoft та безліч стартапів знаходяться під її впливом.
- Інвесторів залучають стартапи в області квантових обчислень, серед них IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems і Rigetti, які зможуть змінити цей ринок.
- Однак, є проблема: сучасні квантові комп'ютери, як правило, не такі потужні і не такі надійні, як існуючі сьогодні суперкомп'ютери, а також їм потрібні особливі умови для запуску та завантаження.
У січні IBM викликала фурор, коли оголосила про випуск IBM Q System One, першої у світі моделі квантового комп'ютера доступною для бізнесу. Пристрій був поміщений у гладкий скляний корпус об'ємом 9 кубічних футів.
Це важлива віха для квантових комп'ютерів, які досі розміщуються у дослідницьких лабораторіях. На думку IBM, покупці вже мають намір взяти в свої руки цю технологію, яка подає надії в різних галузях: хімії, матеріалознавстві, виробництві продуктів харчування, авіакосмічної промисловості, розробці ліків, прогнозуванні фондового ринку та навіть у боротьбі з кліматичними змінами.
IBM Q System One. Фото: IBM
Причина хвилювань полягає в тому, що квантовий комп'ютер має, здавалося б, магічні властивості, які дозволяють йому обробляти експоненційно більшою інформацією, ніж звичайна система. Квантовий комп'ютер не просто дуже швидкий комп'ютер, точніше це зовсім інша парадигма обчислень, яка вимагає радикального переосмислення.
Переможцем у гонці технологій стане та компанія, яка скористається можливостями, що надаються цією технологією. IBM, Microsoft, Google та інші технічні гіганти, а також стартапи роблять ставку на цю технологію.
Business Insider поставив кілька питань віце-президенту IBM Q Strategy and Ecosystem Бобу Сютору про те, як зробити ці системи доступними для людей: як люди отримають до них доступ? Як багато людей зможе навчитися використовувати квантові комп'ютери для виконання своїх завдань?
Мало шансів побачити квантові комп'ютери в офісі найближчим часом. Експерти, з якими ми поговорили, вважають, що, незважаючи на те, що вони доступні IBM, пройде ще п'ять-десять років, перш ніж квантові обчислення справді стануть мейнстримом. IBM Q System One в даний час доступна тільки як служба хмарних обчислень для вибраних покупців. Мине ще якийсь час, перш ніж щось подібне люди зможуть придбати та змусити працювати в особистих цілях.
Справді, експерти запевняють, що квантові комп'ютери дають великі надії, але вони далекі від масового виробництва. Вони надзвичайно тендітні та потребують спеціальних умов для роботи. Більш того, квантові комп'ютери сьогодні не такі надійні і не такі потужні, як комп'ютери, які у нас вже є.
«Ми вважаємо, що приблизно через десять років квантовий комп'ютер змінить ваше життя чи моє, — заявив Business Insider Джим Кларк, директор з квантового обладнання Intel. — Насправді ми зараз лише на першій милі марафону. Це не означає, що ми не стурбовані цим».
Що таке квантовий комп'ютер?
Одного разу Білл Гейтс сказав, що математика, що лежить в основі кванта, була поза його розумінням, але не всі з цим погодилися.
«Дещо помилкове уявлення про те, що квантова фізика — це теж фізика і вона надто складна, — переконує Business Insider Кріс Монро, генеральний директор та співзасновник IonQ. — Незрозумілою для багатьох людей її робить те, що вона незрозуміла, але вона також незрозуміла для мене, як і для вас. Якщо щось може бути в суперпозиції, це означає, що воно може бути в двох станах одночасно. Це дивно, тому що ми не стикаємося із подібним у реальному світі».
Комп'ютери, які ми використовували, відображають дані у вигляді рядка 1 або 0, названого двійковим кодом. Тим не менш, квантовий комп'ютер може представляти дані у вигляді 1, 0 або, що особливо важливо, обидва числа одночасно.
Коли система може бути в більш ніж одному стані одночасно, це називається «суперпозиція» — одна з, здавалося б, магічних властивостей квантових обчислень. Іншим ключовим принципом тут є «заплутаність», яка є квантовою властивістю, що дозволяє двом частинкам рухатися абсолютно синхронно, незалежно від того, наскільки далеко вони фізично розділені.
як пояснює У журналі Scientific American ці дві якості об'єднуються в комп'ютер, який може обробляти одночасно набагато більше даних, ніж будь-яка система на сьогоднішньому ринку.
Потужність квантового комп'ютера вимірюється в кубітах, базової одиниці виміру в квантовому комп'ютері. Так само, як сучасні комп'ютери мають 32-х або 64-розрядні процесори (за мірою того, скільки даних вони можуть обробляти одночасно) квантовий комп'ютер з великою кількістю кубітів має значно більший обсяг обчислювальної потужності.
Усередині квантового комп'ютера. Фото: IBM
Небо – це межа
Усе це означає, що квантовий комп'ютер може вирішувати проблеми, які були обмежені обчислювальної потужністю.
Наприклад, квантовий комп'ютер може грубим методом вирішити відому проблему комівояжера — складне обчислювальне завдання, яке вимагає знаходження найкоротшого маршруту між кількома містами, перш ніж повернутись додому. Це звучить просто, але якщо дивитися на це з точки зору математики, знайти єдиний оптимальний шлях стає складніше, коли ви додаєте більше міст у його маршрут.
Так само квантовий комп'ютер міг би пробратися через найхитріші, найтрудомісткіші завдання, відсіюючи величезні обсяги фінансових, фармацевтичних чи кліматологічних даних, щоб знайти оптимальні рішення. Дійсно, квантовий стартап D-Wave вже співпрацює з Volkswagen, щоб проаналізувати моделі руху та відсіяти величезну кількість перешкод для того, щоб дістатися до суті.
Обговорюється його корисність у сфері криптографії. Квантовий комп'ютер здатний подолати метод шифрування, відмінний від відомого раніше шифру, що дозволяє йому легко розшифрувати навіть державну таємницю. Виявляється великий інтерес із боку світових урядів до цієї корисної функції, тоді як активісти побоюються, що поява квантових обчислень може знищити конфіденційність.
Фізичне завдання
"Оскільки квантові обчислення все ще знаходяться на ранніх стадіях свого розвитку, є багато інформації, яка досі залишається недоведеною", - вважає Метью Брісс, віце-президент Gartner з НДДКР. "Але покупці вже шукають сферу застосування, щоб визначити конкурентні переваги квантових обчислень для їхнього бізнесу", - говорить він.
Незважаючи на весь галас, експерти вважають, що квантові комп'ютери так само далекі від лідируючих позицій, як ПК у 1950-х роках. Звісно, вони набирають обертів, але повільно.
«Квантові обчислення можна порівняти з потягом, що повільно рухається, — заявив Business Insider Браян Хопкінс, віце-президент і головний аналітик Forrester. — Якщо він проходить один дюйм за секунду, то за місяць він пройде вже два дюйми за секунду. Незабаром він почне рухатися швидше».
Велика проблема зараз полягає в тому, що квантовий комп'ютер не може нічого зробити того, що не зміг зробити класичний комп'ютер. Промисловість з нетерпінням чекає на момент, названий квантовою перевагою, коли квантові комп'ютери вийдуть за межі поточних обмежень.
«Коли клієнти приходять до нас, головне, що вони нам кажуть — це те, що їм однаково якась модель, аби вона була корисна для їхнього бізнесу, — каже аналітик Бріс. — Немає жодної моделі, яка могла б випередити класичні алгоритми. Нам справді потрібно почекати, доки апаратура квантового комп'ютера почне вдосконалюватись».
Співробітник IBM Research Кеті Пулі оглядає кріостат, який допомагає квантовим комп'ютерам зберігати низьку температуру. Фото: Енді Аарон, IBM
Великою проблемою залишається нестача обчислювальної потужності. Передбачається, що для квантової переваги знадобиться комп'ютер із потужністю 50 куб. Хоча цей рубіж було подолано в лабораторії, він непостійний і його неможливо підтримувати. Дійсно, кубити можуть як піддаватися помилкам, так і бути непостійними, що призводить до проблем з їх генерацією та знижує їх потенціал.
Інший важливий чинник – більш матеріальний. Квантові комп'ютери повинні бути повністю ізольовані від навколишнього середовища, щоб функціонувати, і їм потрібні дуже низькі температури. Навіть найслабші вібрації можуть призвести до руйнування кубитів, виводячи їх із суперпозиції, подібно до того, як дитина, стукаючи по столу, змушує монети, що обертаються, падати на стіл.
Попередні квантові комп'ютери, такі як IBM Q System One, настільки громіздкі, що необхідні умови ізоляції та охолодження стають реальною проблемою. Ускладнюють цю проблему брак необхідних компонентів: надпровідних кабелів та низькотемпературних рефрижераторів. Вони у сильному дефіциті.
Зрештою це означає, що, хоча знання вдосконалюються і технологія розвивається, квантові обчислення все ще практично неможливі.
«Однією із проблем у моїй робочій групі є маніпулювання матеріалами, кремнієм, металами, щоб ми могли створити дуже однорідне середовище, – сказав Кларк із Intel. — Це переважно найкраща напівпровідникова техніка. Технологій, які нам потрібні для створення квантових обчислень у великих масштабах, поки що не існує».
Інша проблема полягає в тому, що квантові комп'ютери мають незаперечний потенціал для забезпечення непередбачених обчислювальних потужностей. Однак у цьому світі не так багато людей, які насправді мають досвід програмування або управління цими системами, а зачаровані потенційні покупці намагаються з'ясувати, як насправді користуватися цим.
Велика квантова гонка
Аналітики стверджують, що IBM зараз лідирує в гонці квантових обчислень завдяки обмеженій комерційній доступності IBM Q System One. Оскільки доступ до нього здійснюється через хмару, IBM може підтримувати ці особливі умови, щоб цей квантовий комп'ютер функціонував, водночас дозволяючи обраним клієнтам користуватися ними.
«Я думаю, що [квантовий комп'ютер IBM] розгойдується, – сказав аналітик Брісс. — Я думаю, що модель квантових обчислень як сервіс — вірна модель. Помістивши її в контейнер і звертаючись із конкретними завданнями, вони справді намагаються покращити його якість».
Сара Шелдон і Пет Гуман з IBM працюють над рефрижератором розчинення, який охолоджує квантові комп'ютери. Фото: IBM
При цьому аналітики зазначають, що у будь-якого з гравців цього ринку може статися прорив у будь-який момент, який дозволить йому вирватися вперед, і це, як і раніше, необхідне суперництво.
Різні IT - гіганти по-різному підходять до цієї проблеми. Intel, IBM, Google та стартап квантових обчислень Rigetti будують системи, створені на основі надпровідних схем, спираючись на сучасні суперкомп'ютери.
використовує зовсім інший і, можливо, ризикованіший підхід, намагаючись створити кращий кубит. Топологічний кубит, який намагається створити Microsoft, фрагментує електрони для зберігання інформації в декількох місцях одночасно, роблячи її більш стабільною і менш схильною до руйнування. За словами аналітика Хопкінса, це менш надійно, ніж те, що намагаються створити його конкуренти, але результат стане важливим кроком уперед для усієї області квантових обчислень.
"Вони вплуталися в авантюру і багато хто вважає, що їм це ніколи не вдасться", - заявляє Хопкінс.
Що стосується авантюр, такі стартапи, як IonQ та D-Wave, роблять ставку на передові технології, такі як іонне уловлювання та квантовий відпал. Простіше кажучи, намагаються різними способами досягти більшої продуктивності та стабільності від кожного кубіту, використовуючи зовсім нові методи.
"Це дозволяє нам створювати квантовий комп'ютер, який вирішує складні завдання і безперервно прогресує в цьому", - заявив Business Insider Марк Джонсон, віце-президент з проектування та розробки процесорів та квантових продуктів у D-Wave.
Фахівець з квантових технологій IBM ходить по обчислювальному центру IBM Q в дослідному центрі Томаса Дж. Вотсона в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк. Фото: Конні Чжоу для IBM
Квантові стартапи
Зростання потоку квантових обчислень викликало хвилю інтересу інвесторів до пов'язаних стартапів. За оцінками Роберта Сютора з IBM, у світі існує близько 100 стартапів у галузі квантового програмного забезпечення, апаратного забезпечення та навіть консалтингу. Це мало в порівнянні з величезним ринком стартапів, але набагато більше ніж раніше.
«Я у цій сфері дуже довго, від самого початку, – заявив Монро з IonQ. — Довгий час вона перебувала у зародковому стані, поки 5-8 років тому не звернула на себе увагу, та залучила величезні інвестиції. Стало зрозуміло, що час настав».
Кріс Монро, генеральний директор та співзасновник стартапу квантових обчислень IonQ. Фото: IonQ
Деякі, як Rigetti, готові битися на рівних з технічними титанами, розпадаючи власними квантовими чіпами та майстерними системами квантових обчислень.
"Це основа нашого бізнесу", - повідомила Business Insider Бетсі Масієлло, віце-президент з продуктів у Rigetti. — У квантовому просторі існує безліч компаній, які працюють над програмними програмами в галузі квантових обчислень. Ми виробляємо мікросхеми та будуємо обчислювальні системи».
Метью Кінселла, керуючий директор Maverick Ventures, каже, що він налаштований оптимістично щодо області квантових обчислень. Його компанія зайшла так далеко, що інвестувала в ColdQuanta, компанію, яка виготовляє обладнання, яке застосовується у квантових системах. Він очікує, що за п'ять-десять років квантові комп'ютери перевершать сьогоднішні системи. Maverick Ventures зробив ставку на довгострокову перспективу.
“Я дійсно вірю в квантові обчислення, хоча це може зайняти більше часу, ніж очікувалося, перш ніж квантовий комп'ютер стане кращим, ніж традиційний комп'ютер для вирішення повсякденних завдань. Швидше за все, у найближчі кілька років ми отримуватимемо переваги квантових комп'ютерів у вирішенні завдань малого масштабу”, — сказав Кінселла.
D-Wave 2000Q Systems лабораторії. Фото: D-Wave
Кінселла, як і аналітики, з якими ми говорили, чекаючи так званої «квантової зими». Навколо квантових комп'ютерів може бути ажіотаж, але люди обнадіюють самі себе, попереджають експерти. Машини ще не досконалі, і пройдуть роки, перш ніж інвестори побачать результати.
В перспективі
Навіть за межами квантової переваги експерти запевняють нас, що для традиційних комп'ютерів і суперкомп'ютерів все ж таки знайдеться місце. До того часу є ще варто вирішити проблеми з вартістю, розміром, надійністю та обчислювальною потужністю, перш ніж ми зможемо це обговорити.
«Слід перевести подих, — сказав аналітик Брісс. — У цій галузі відбувається багато захоплюючих речей, які забирають час. Це конгломерат фізики, інформатики та, відверто кажучи, наукового аналізу. Нам не довелося б вивчати це, якби ми знали всі відповіді, але в майбутньому на нас чекає великий обсяг дослідницької роботи”.
Квантовий комп'ютер Rigetti. Фото: Rigetti
Тим не менш, для багатьох ясно, що за цим майбутнє. Так само, як виробники першого мейнфрейм-комп'ютера не усвідомлювали, що це зрештою призведе до збільшення числа кишенькових смартфонів розміром з долоню. Квантовий комп'ютер може стати першим кроком на новому шляху.
Мало хто, подібний до віце-президента Microsoft з корпоративного управління Тодда Холмдала, досить оптимістичний, щоб заявити, що це може бути більш значущим, ніж штучний інтелект і машинне навчання сьогодні. Раніше він казав своїм дітям, що вони повинні займатися тим, чим захоплені, і що вони завжди можуть отримати роботу в галузі штучного інтелекту. Тепер він скаже те саме про квантові обчислення.
«Це область, яка розвиватиметься. Нам потрібні люди, щоб заповнити її і не дати зачахнути, - сказав Холмдал. — Вона відіграє важливу роль для нашого покоління, що дає змогу створювати дивовижні речі у майбутньому».
Джерело: habr.com