Амбициозният план на IBM за квантов компютър от милиони кубити

IBM, една от най-старите технологични компании в света, създава хладилник. Това само по себе си не е безпрецедентно. Други технологични компании имат построени хладилници преди. LG продава впечатляващия интелигентен хладилник LG InstaView Door-in-Door, свързан с Wi-Fi. Samsung, друг световен производител на устройства, прави отличния RF23J9011SR 4-Door Flex с функция Power Cool.

Но хладилникът на IBM (все още в процес на разработка) е различен. Всъщност много различни. Ще бъде огромен за едно нещо: 10 фута висок и 6 фута широк. Освен това ще бъде невъобразимо студено, около 15 миликелвина или -459 по Фаренхайт, което е по-студено от космоса. Също така е кръстен на филм за Джеймс Бонд, Goldeneye.

Въпреки това, най-голямата разлика между него и вашия обикновен кухненски хладилник е планираното му съдържание. Не очаквайте вграден държач за яйца, чекмеджета за зеленчуци и място за вашия сезонен яйчен ликьор. Вместо това, той ще бъде дом на първия в света квантов компютър с 1 милион кубита – след като и той бъде построен.

„За да се появят квантовите ефекти, [квантовите компютри] трябва да бъдат охладени до изключително ниски температури,“ Джери Чоу, директор на Quantum Hardware System Development в IBM, каза пред Digital Trends. „Всъщност цялата инфраструктура, която обикаля дори само самия процесор, изисква доста охлаждане, особено когато го увеличавате, нали?“

Именно този процес на мащабиране доведе Чоу и неговия екип до неизбежното заключение, че IBM наистина е необходимо, за да влезе в хладилния бизнес - поне що се отнася до собственото му количество компютри. От една страна, има ограничение на текущия капацитет на охлаждане. След това има проблеми с неща като поддържане на целостта на вакуума и балансиране на теглото на различните компоненти, необходими за охлаждане. Компютърният учен Алън Кей веднъж каза, че компанията, която сериозно се занимава със софтуера, също трябва да изгради свой собствен хардуер. Може би квантовият еквивалент на това трябва да бъде, че компанията, която сериозно се занимава с квантовите изчисления, трябва не само да изгради свой собствен квантов компютър, но и свой собствен хладилник, в който да го съхранява.

„Ако просто направим малко мащабиране на задната част на плика, започвате да виждате, че в един момент това, което можете да получите от търговските доставчици, не достига“, каза Чоу. „Трябва да започнете да мислите как да преминете отвъд [това]?“

Какво прави квантовите изчисления толкова различни, толкова привлекателни?

Супер хладилникът на IBM е на някакво ниво червена херинга. Това е малко като да построите луксозен нов гараж за Tesla, който сте доставили. Разбира се, тази луксозна гаражна врата с дистанционно управление, която сте инсталирали, е вълнуваща – но не е на вълнуващо малко. В тази аналогия новият Tesla Model S или Cybertruck е планираният от IBM квант от един милион кубита. И при условие, че IBM може да го изгради, както е планирано, той ще бъде ужасен, повече от достоен за най-сложния хладилник в света.

Квантовите компютри са предложени за първи път през 80-те години на миналия век от американския физик Пол Бениоф, въпреки че квантовата механика, на която се основават, датира от до 20-те години на миналия век, когато физиците започват да забелязват, че някои експерименти не дават резултатите, които са прогнозирали, използвайки сегашното си разбиране за физика. Ричард Файнман, Дейвид Дойч, Юрий Манин и други се хванаха за идеята за квантовомеханичен модел на машина на Тюринг, като предложиха че квантовият компютър може да се използва за симулиране на неща, които просто не могат да бъдат симулирани чрез класически компютър, използвайки класически физика. През 1994 г. Дан Саймън показа, че може да съществува квантов компютър експоненциално по-бърз от класически компютър.

Една от големите разлики с кванта е концепцията за суперпозиция. Класическият компютър може да бъде или състояние на A, или B (или, в двоични термини, едно или нула). Квантовият компютър може да бъде смесица от двете. (Това е Котешкият мисловен експеримент на Шрьодингер в която котка в кутия може да бъде или жива, или мъртва, или и жива, и мъртва едновременно.) След това има и други концепции като колапс, несигурност и заплитане, които правят квантовите компютри много различни от тези, в които вие и аз сме израснали На.

По същия начин, по който класическият компютър работи с битове, квантовите компютри работят с това, което се нарича кубити. В момента най-големият квантов компютър на IBM има 65 кубита. До 2023 г. иска да построи такъв с 1000 кубита. И някъде след това - дата, с която компанията няма да се ангажира, но която със сигурност е в нейната пътна карта - тя ще построи машина с 1 милион кубита.

Прескачането от 65 кубита до един милион кубита е голям скок. Но компютрите, дори класическите компютри, се оказват доста добри, когато става въпрос за експоненциални скокове. Закон на Мур заявява, че броят на транзисторите, които могат да се поберат на една платка, се удвоява приблизително на всеки две години. Най-близкото квантово нещо до закона на Мур е това, което се нарича закон на Роуз, формулирано от Джорди Роуз през 2002 г. Законът на Роуз гласи, че броят на кубитите в квантовия компютър се удвоява на всеки две години.

В сравнение със закона на Мур, последиците от закона на Роуз са може би дори по-дълбоки, защото, както Питър Диамандис и Стивън Котлър отбелязват в своята книга Бъдещето е по-бързо, отколкото си мислите: Как конвергентните технологии трансформират бизнеса, индустриите и нашия живот, кубитите в суперпозиция имат много по-голяма мощност от двоичните битове в транзисторите.

Тъй като „повече“ не винаги е равно на „по-добро“, едно от концептуалните промени на IBM към това понятие се основава на по-нюансираната концепция за това, което IBM нарича квантов обем. „Не става въпрос само за мащабиране на физическия брой кубити“, каза Чоу. „В крайна сметка става въпрос както за броя на кубитите, така и за това колко добре се представят; колко голяма верига всъщност можете да стартирате на този хардуер, преди кубитите да се декохерират и вашата квантова информация да изчезне. Квантовият обем е такъв показател.“

Какво да очаквате, когато очаквате квантови компютри

„Всичко, което наричаме реално“, каза Нилс Бор, една от основоположниците на квантовата механика, „е направено от неща, които не могат да се считат за реални.“ Като се има предвид предпоставката за квантовата суперпозиция, може би е уместно квантовите компютри днес да съществуват в един странен здрачен свят тук, а не тук. IBM е само една от компаниите, създали функциониращи квантови компютри (Google, Baidu, Amazon са някои от другите големи имена.) Има квантовите алгоритми също — в някои случаи такива, които все още не могат да се изпълняват ефективно на квантовите компютри, които хората са изградили.

И все пак, въпреки всички доказателства за концепциите и причините за вълнение, справедливо е да се каже, че светът все още не е започнал да се доближава до огромната мощ на квантовите изчисления. „Какво включва [квантовото изчисление] по отношение на действителните приложения, все още не е напълно известно“, каза Чоу.

Някои от най-вълнуващите потенциални случаи на употреба - независимо дали става дума за изчислителна химия, финансова моделиране, киберсигурност и криптовалута или разширено прогнозиране - остават призраци в квантовата машина. Поне за сега.

Защо IBM се фокусира върху квантовите изчисления? „Нашият фокус е върху това как предоставяме бъдещето на изчисленията“, каза Чоу. Quantum е неизбежна част от това бъдеще.

Квантовите изчисления са един от трите големи залога на IBM за бъдещето. Тази свята троица от бъдещи технологии се състои от квантово изчисление, изкуствен интелект и облак. Но това не са индивидуални залози, какъвто би бил случаят, ако инвестирате спестяванията си в три обещаващи стартиращи фирми, вярвайки, че един от тримата има шанса да стане еднорог, който повече от компенсира всички загуби, понесени от други две.

Quantum, например, може да промени играта за ИИ. Няма съмнение, че изкуственият интелект - и по-специално, машинно обучение — се радва на удивителен напредък, използвайки класическа изчислителна архитектура. Но Quantum обещава да ускори нещата още повече. Квантови версии на настоящите алгоритми за машинно обучение (или, по-вероятно, изцяло нови, много по-бързи алтернативи) ще могат да извършват огромни управлявани от данни ИИ. изчисления значително по-бързо процент. Те ще могат да се справят с умопомрачителния брой измерения, които възникват от данни, и да ги картографират в голямото пространство на квантовите характеристики. Квантовото заплитане може да се използва за откриване на свежи модели, които не могат да бъдат открити с традиционните класически изчисления.

Нося се в квантовия облак

Облакът също е основна част от квантовия залог на IBM. Най-общо казано, популярната прогресия на класическото изчисление беше преходът от мейнфрейми към миникомпютри към персонални компютри. През 50-те години хората са имали достъп до огромни компютри само в големи, климатизирани стаи. До края на 70-те и 80-те години хората имаха компютри в домовете си. До 90-те години на миналия век хората имаха лаптопи, които можеха да носят в чантите си. Днес имаме компютри под формата на смартфони, които носим в джобовете си.

Изглежда малко вероятно квантовите компютри да претърпят същата промяна във форм-фактора поради изискванията (като екстремно охлаждане) за квантов компютър.

„Що се отнася до [физическия квантов компютър] на бюрото ви, може и да греша, но не ми е ясно дали ще е така“, каза Чоу. „Повечето системи, които изграждате, изискват това ниво на квантова кохерентност, било то свръхпроводяща система или уловени йони, всички изискват справедлива част от инфраструктурата, за да ги поддържате – и особено докато мащабирате нагоре.”

Но тук се появява прекъсването на облачните изчисления. Облачните изчисления означава, че потребителите имат достъп до суперкомпютърни възможности, независимо дали са в същата физическа близост. Компютърната мощност или съхранението вече не са ограничени до хардуера, който е на разположение на бюрото ви по начина, по който беше преди 20 години.

„Толкова много днес се прави в облака [и] хората дори не забелязват“, каза Чоу. „Колко пъти хората осъзнават, че нещо не се обработва сами лаптопи или на собствените си телефони, но някъде другаде? Ето как квантовата работа над облака ще работи.

До известна степен това е квантовото изчисление вече работещ. През май 2016 г. IBM пусна своя Квантов опит, пет-кубитов квантов процесор и свързан симулатор за съвпадение, който позволява на потребителите да извършват експерименти върху квантова компютърна система. Към днешна дата IBM Quantum е внедрила 32 квантови процесора в облака, с повече от 280 000 потребители по целия свят, управляващи колективно над 1 милиард квантови вериги дневно. С появата на по-мощни квантови компютри те също ще бъдат достъпни за потребителите чрез облака.

„Ще имате проблеми, които естествено се решават с помощта на най-добрите техники, които познаваме в традиционните компютри“, каза Чоу. „Но има и части от тези проблеми, които са твърде сложни за решаване [дори с високопроизводителни изчислителни системи] днес, които могат да бъдат подходящи за квантови компютри.“

Не, скоро няма да стартирате своята електронна таблица в Excel на квантов компютър (ако изобщо някога). Класическите компютри могат да работят добре с Excel. Но части от приложения със сигурност биха могли да използват квантови възможности, независимо дали за неща като криптиране или по-добро машинно обучение. Може дори да има някои по-очарователно несериозни примери. Например, Джеймс Уутън, друг инженер от IBM, използва квантово изчисление, за да направи генериране на случаен терен в рамките на компютърни игри. Някога мечтали ли сте за игра, която може напълно да се преконфигурира всеки път, когато играете до невъобразима степен? Quantum е вашият отговор.

Хибридният модел

„Това е, което имаме предвид под изчислителния модел на хибриден облак“, каза Чоу. „Ще имате вашето проблемно работно натоварване, което се захранва в компютър и правилните части отиват в класически компютър, а другите части отиват в квантов компютър. Тогава излиза решение. Това е картината, която можете да си представите в бъдещето. [Quantum е] не е заместител [на класическите компютри], но те със сигурност ще работят ръка за ръка.“

IBM няма да се ангажира кога точно ще достави своя милион qubit компютър – или по този въпрос кога ще бъде завършен неговият хладилник Goldeneye. Но е доста ясно относно убеждението, че квантовите изчисления ще променят играта.

В публикация, написана за блога на IBM по-рано тази година, Джей Гамбета, сътрудник на IBM и вицепрезидент по квантовите компютри, сравни следващото поколение квантови компютри на IBM с мисиите на Аполо, довели до кацането на Луната. Това е точното сравнение. Може също да е точен.

Тук през 2020 г., с перспективата за a кацане на новолуние изкусително по-близо, отколкото е било от десетилетия, това звучи като много по-оптимистично сравнение, отколкото можеше да е било дори само преди няколко години. Трябва да си заслужава чакането.

Препоръки на редакторите

• AI може да замени около 7800 работни места в IBM като част от паузата за наемане
• Вътре в лабораторията на Обединеното кралство, която свързва мозъци с квантови компютри
• Новият 127-кубитов процесор на IBM е голям пробив в квантовите изчисления
• Изследователите създават „липсваща част от мозайката“ в развитието на квантовите изчисления
• Президентът на IBM потвърждава, че недостигът на чипове ще продължи още „няколко години“.