Ambiciózní plán kvantových počítačů IBM v milionech qubitů

IBM, jedna z nejstarších technologických společností na světě, vyrábí ledničku. To samo o sobě není bezprecedentní. Ostatní technologické společnosti mají dříve postavené lednice. Společnost LG prodává působivou chytrou ledničku LG InstaView Door-in-Door s připojením k Wi-Fi. Samsung, další globální výrobce zařízení, vyrábí vynikající RF23J9011SR 4-Door Flex s funkcí Power Cool.

Ale lednička IBM (stále ve vývoji) je jiná. Ve skutečnosti velmi odlišné. Bude to obrovské pro jednu věc: 10 stop vysoký a 6 stop široký. Bude také nepředstavitelně chladno, kolem 15 milikelvinů nebo -459 Fahrenheita, což je chladnější než vesmír. Je také pojmenován po filmu s Jamesem Bondem, Goldeneye.

Největší rozdíl mezi ní a vaší zaběhnutou kuchyňskou lednicí je však její plánovaný obsah. Nečekejte vestavěný držák na vejce, zásuvky na zeleninu a prostor pro váš sezónní vaječný koňak. Místo toho se stane domovem pro první kvantový počítač na světě s 1 milionem qubitů – jakmile bude také postaven.

„Aby se kvantové efekty objevily, musí být [kvantové počítače] ochlazeny na extrémně nízké teploty,“ Jerry Chow, ředitel Quantum Hardware System Development v IBM, řekl Digital Trends. "Ve skutečnosti veškerá infrastruktura, která se pohybuje kolem, dokonce i jen samotný procesor, vyžaduje značné množství chlazení, zvláště když jej zvětšujete, že?"

Právě tento proces rozšiřování vedl Chowa a jeho tým k nevyhnutelnému závěru, že IBM skutečně potřeboval dostat se do chladicího byznysu – alespoň pokud jde o jeho vlastní kvanta počítače. Za prvé, existuje omezení aktuální chladicí kapacity. Pak jsou tu problémy s věcmi, jako je udržování integrity vakua a vyvážení hmotnosti různých komponent potřebných pro chlazení. Počítačový vědec Alan Kay jednou řekl, že společnost, která to myslí se softwarem vážně, by měla také stavět svůj vlastní hardware. Kvantovým ekvivalentem by tomu možná mělo být to, že společnost, která to s kvantovými počítači vážně myslí, by neměla postavit pouze svůj vlastní kvantový počítač, ale i vlastní ledničku, do které by jej bylo možné umístit.

"Pokud uděláme jen nějaké škálování na zadní straně obálky, začnete si uvědomovat, že v určitém okamžiku to, co můžete získat od komerčních prodejců, nestačí," řekl Chow. "Musíš začít přemýšlet o tom, jak to [to] překonat?"

Čím jsou kvantové výpočty tak odlišné, tak přitažlivé?

Super lednička IBM je na určité úrovni červený sleď. Je to trochu jako stavět novou luxusní garáž pro Teslu, kterou jste dodali. Jistě, ta luxusní garážová vrata na dálkové ovládání, která jste nainstalovali, jsou vzrušující – ale není a vzrušující kousek. V této analogii je nová Tesla Model S nebo Cybertruck plánovaným kvantem jednoho milionu qubitů IBM. A za předpokladu, že ji IBM dokáže postavit podle plánu, bude to praštěná, více než hodná nejsofistikovanější lednice na světě.

Kvantové počítače byly poprvé navrženy v 80. letech 20. století americkým fyzikem Paulem Benioffem, ačkoli kvantová mechanika, na které jsou založeny, se datuje zpět. do dvacátých let 20. století, kdy si fyzici začali všímat, že některé experimenty nepřinášejí výsledky, které předpovídali na základě jejich současného chápání fyzika. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin a další se chopili myšlenky kvantově mechanického modelu Turingova stroje a navrhli že kvantový počítač by mohl být použit k simulaci věcí, které jednoduše nelze simulovat prostřednictvím klasického počítače pomocí klasického fyzika. V roce 1994 Dan Simon ukázal, že kvantový počítač by mohl být exponenciálně rychlejší než klasický počítač.

Jedním z velkých rozdílů s kvantem je koncept superpozice. Klasický počítač může být buď ve stavu A nebo B (nebo v binárních termínech jedna nebo nula). Kvantový počítač může být směsí obou. (To je Schrödingerův myšlenkový experiment s kočkou ve kterém by kočka v krabici mohla být buď živá, mrtvá, nebo živá i mrtvá současně.) Pak existují další koncepty jako je kolaps, nejistota a zapletení, díky kterým se kvantové počítače velmi liší od těch, které jsme vy a já vyrostli na.

Stejně jako klasický počítač pracuje na bitech, kvantové počítače pracují na tom, čemu se říká qubity. V současnosti má současný největší kvantový počítač IBM 65 qubitů. Do roku 2023 chce postavit jeden s 1000 qubity. A někdy poté – k datu, ke kterému se společnost nezaváže, ale které je jistě na její cestovní mapě – postaví stroj s milionem qubitů.

Skok z 65 qubitů na milion qubitů je docela skok. Ale výpočetní technika, a to i klasická, se ukazuje jako docela dobrá, pokud jde o exponenciální skoky. Moorův zákon uvádí, že počet tranzistorů, které se vejdou na desku plošných spojů, se zdvojnásobí přibližně každé dva roky. Nejbližší věc, kterou má kvantum k Mooreovu zákonu, je to, co se nazývá Roseův zákon, formulovaný Geordie Rose v roce 2002. Roseův zákon říká, že počet qubitů v kvantovém počítači se každých pár let zdvojnásobí.

Ve srovnání s Moorovým zákonem jsou důsledky Roseova zákona pravděpodobně ještě hlubší, protože, jak poznamenávají Peter Diamandis a Steven Kotler ve své knize Budoucnost je rychlejší, než si myslíte: Jak konvergující technologie transformují podnikání, průmysl a naše životy, qubity v superpozici mají mnohem větší výkon než binární bity v tranzistorech.

Protože „více“ se vždy nerovná „lepší“, jedna z koncepčních úprav IBM k tomuto pojmu je založena na jemnějším konceptu toho, co IBM nazývá kvantový objem. "Nejde jen o škálování fyzického počtu qubitů," řekl Chow. „Nakonec jde jak o počet qubitů, tak o to, jak dobře fungují; jak velký obvod můžete na tomto hardwaru skutečně spustit, než se qubity rozloží a vaše kvantové informace zmizí. Kvantový objem je taková metrika.“

Co očekávat, když očekáváte kvantové počítače

"Vše, co nazýváme skutečným," řekl Niels Bohr, jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky, "je vyrobeno z věcí, které nelze považovat za skutečné." Vzhledem k premise kvantové superpozice je možná vhodné, že kvantové počítače dnes existují v podivném soumrakovém světě tady a ne tady. IBM je jen jednou ze společností, které postavily fungující kvantové počítače (Google, Baidu, Amazon jsou některá další velká jména.) také kvantové algoritmy — v některých případech takové, které ještě nelze efektivně provozovat na kvantových počítačích, které lidé postavili.

A přesto, přes všechny důkazy o konceptech a důvodech pro vzrušení, je spravedlivé říci, že svět se ještě nezačal přibližovat k využití obrovské síly kvantových počítačů. "Co [kvantové výpočty] obnáší z hlediska skutečných aplikací, stále není zcela známo, " řekl Chow.

Některé z nejzajímavějších potenciálních případů použití – ať už jde o výpočetní chemii, finanční modelování, kybernetická bezpečnost a kryptoměna nebo pokročilé předpovědi – zůstávají duchy v kvantu stroj. Alespoň prozatím.

Proč se IBM zaměřuje na kvantové výpočty? „Zaměřujeme se na to, jak přinášíme budoucnost výpočtů,“ řekl Chow. Kvantum je nevyhnutelnou součástí této budoucnosti.

Quantum computing je jednou ze tří velkých sázek IBM do budoucnosti. Tato svatá trojice budoucích technologií se skládá z kvantových počítačů, umělé inteligence a cloudu. Nejedná se však o jednotlivé sázky, jak by tomu bylo v případě, kdy byste své úspory investovali do tří slibných startupů, věřit, že jeden z těch tří má šanci stát se jednorožcem, který více než vyrovná jakékoli ztráty, které utrpí další dva.

Quantum by například mohlo změnit hru pro A.I. Není pochyb o tom, že umělá inteligence — a konkrétněji strojové učení — se těší ohromujícímu pokroku pomocí klasické počítačové architektury. Ale kvantum slibuje, že věci ještě urychlí. Kvantové verze současných algoritmů strojového učení (nebo spíše zcela nové, mnohem rychlejší alternativy) budou moci provádět enormní datově řízené A.I. výpočty výrazně rychleji hodnotit. Budou schopni zvládnout ohromující množství dimenzí, které vyplývají z dat, a zmapovat je ve velkém prostoru kvantových prvků. Kvantové zapletení by mohlo být použito k objevování nových vzorců, které nelze objevit tradičními klasickými počítači.

Plovoucí na kvantovém oblaku

Cloud je také základní součástí kvantové sázky IBM. Obecně řečeno, populární vývoj klasického počítače byl přechodem od sálových počítačů přes minipočítače k ​​osobním počítačům. V padesátých letech měli lidé přístup k obrovským počítačům pouze ve velkých klimatizovaných místnostech. Koncem 70. a 80. let měli lidé doma počítače. V devadesátých letech měli lidé přenosné počítače, které mohli nosit v taškách. Dnes máme počítače v podobě chytrých telefonů, které nosíme po kapsách.

Zdá se nepravděpodobné, že kvantové počítače zaznamenají stejný posun tvarového faktoru kvůli požadavkům (jako je extrémní chlazení) na kvantový počítač.

„Pokud jde o [fyzický kvantový počítač] na vašem stole, mohu se mýlit, ale není mi jasné, že to tak bude,“ řekl Chow. „Většina systémů, které stavíte, vyžaduje tuto úroveň kvantové koherence, ať už jde o supravodivý systém nebo zachycené ionty, všechny vyžadují značnou část infrastruktury, abyste je mohli udržovat – a zejména při škálování nahoru."

Ale právě zde vstupuje do hry narušení cloud computingu. Cloud computing znamená, že uživatelé mají přístup k funkcím superpočítače bez ohledu na to, zda se nacházejí ve stejné fyzické blízkosti. Výpočetní výkon nebo úložiště již nejsou omezeny na hardware, který je k dispozici na vašem stole tak, jak tomu bylo před 20 lety.

„Dnes se toho tolik dělá přes cloud [a] lidé si toho ani nevšimnou,“ řekl Chow. „Kolikrát si lidé uvědomí, že něco není zpracováno samo od sebe notebooky nebo na svých vlastních telefonech, ale někde jinde? Tak bude fungovat kvantum přes cloud."

Je to do jisté míry tak, jak je kvantové počítání již pracovní. V květnu 2016 IBM spustila svůj Kvantová zkušenost, pětiqubitový kvantový procesor a připojený simulátor shody, který uživatelům umožňuje provádět experimenty na kvantovém počítačovém systému. K dnešnímu dni IBM Quantum nasadilo 32 kvantových procesorů v cloudu s více než 280 000 uživateli po celém světě, kteří společně používají více než 1 miliardu kvantových obvodů denně. Jakmile budou k dispozici výkonnější kvantové počítače, budou i tyto dostupné uživatelům prostřednictvím cloudu.

"Budete mít problémy, které se přirozeně vyřeší pomocí nejlepších technik, které známe v tradičních počítačích," řekl Chow. "Ale pak jsou zde také části těchto problémů, které jsou dnes příliš složité na to, aby je bylo možné vyřešit [i pomocí vysoce výkonných počítačových systémů], které by mohly být vhodné pro kvantové počítače."

Ne, v brzké době (pokud vůbec někdy) nebudete svou excelovou tabulku spouštět na kvantovém počítači. Na klasických počítačích umí Excel v pohodě. Ale části aplikací by určitě mohly využívat kvantové schopnosti, ať už pro věci jako šifrování nebo lepší strojové učení. Mohly by existovat i další fascinující frivolní příklady. Například, James Wootton, další inženýr IBM, používá k tomu kvantové výpočty náhodné generování terénu v počítačových hrách. Snili jste někdy o hře, která by se při každém hraní dokázala zcela překonfigurovat do nepředstavitelné míry? Quantum je vaše odpověď.

Hybridní model

"To je to, co máme na mysli hybridním cloudovým výpočetním modelem," řekl Chow. „Budete mít svou problémovou zátěž, která se vloží do počítače a správné části půjdou do klasického počítače a ostatní části do kvantového počítače. Pak vyjde řešení. To je obrázek, který si můžete představit v budoucnosti. [Quantum is] není náhradou [klasických počítačů], ale jistě budou fungovat ruku v ruce.“

IBM se nezavazuje, kdy přesně dodá svůj milion qubitových počítačů – nebo, když na to přijde, kdy bude hotová lednička Goldeneye. Ale je docela jasné, že se domnívá, že kvantové výpočty změní hru.

V příspěvek napsaný pro blog IBM začátkem tohoto rokuJay Gambetta, kolega IBM a viceprezident pro kvantové výpočty, přirovnal příští generaci kvantových počítačů IBM k misím Apollo, které vedly k přistání na Měsíci. To je docela srovnání. Může to být také přesné.

Zde v roce 2020 s vyhlídkou na a přistání na novoluní dráždivě blíž, než tomu bylo za desítky let, to zní jako mnohem optimističtější srovnání, než tomu mohlo být ještě před několika lety. Mělo by to stát za to počkat.

Doporučení redakce

• Umělá inteligence by mohla nahradit přibližně 7 800 pracovních míst v IBM v rámci pauzy v náboru
• Uvnitř britské laboratoře, která spojuje mozky s kvantovými počítači
• Nový 127-qubitový procesor IBM je velkým průlomem v oblasti kvantových počítačů
• Výzkumníci vytvářejí „chybějící dílek skládačky“ při vývoji kvantových počítačů
• Prezident IBM potvrzuje, že nedostatek čipů bude trvat ještě „několik let“.