IBM's ambitiøse million-Qubit Quantum Computer Plan

IBM, en af ​​verdens ældste teknologivirksomheder, bygger et køleskab. Det er i sig selv ikke uden fortilfælde. Andre teknologivirksomheder har byggede køleskabe før. LG sælger det imponerende Wi-Fi-forbundne LG InstaView Door-in-Door Smart Fridge. Samsung, en anden global enhedsproducent, laver den fremragende RF23J9011SR 4-dørs Flex med Power Cool-funktion.

Men IBMs køleskab (stadig under udvikling) er anderledes. Meget anderledes, faktisk. Det vil være enormt for én ting: 10 fod høj og 6 fod bred. Det vil også være ufatteligt koldt, omkring 15 millikelvin, eller -459 Fahrenheit, hvilket er koldere end det ydre rum. Den er også opkaldt efter en James Bond-film, Goldeneye.

Den største forskel mellem det og dit almindelige køkkenkøleskab er dog dets planlagte indhold. Forvent ikke en indbygget æggeholder, grøntsagsskuffer og plads til din årstidens æggesnaps. I stedet vil det være hjemsted for verdens første 1-million-qubit kvantecomputer - når den også er bygget.

"For at kvanteeffekterne kan opstå, skal [kvantecomputere] køles ned til ekstremt lave temperaturer," Jerry Chow, direktør for Quantum Hardware System Development hos IBM, fortalte Digital Trends. "Faktisk kræver al den infrastruktur, der går rundt, selv bare selve processoren en rimelig mængde køling, især når du skalerer den op, ikke?"

Det var denne opskaleringsproces, der førte Chow og hans team til den uundgåelige konklusion, at IBM virkelig brug for at komme ind i kølebranchen - i hvert fald når det kommer til sin egen kvante computere. For det første er der en grænse for den nuværende kølekapacitet. Så er der problemer med ting som at bevare vakuumintegriteten og afbalancere vægten af ​​de forskellige komponenter, der er nødvendige til nedkøling. Datalogen Alan Kay sagde engang, at virksomheden, der seriøs omkring software, også burde bygge sin egen hardware. Måske skulle kvanteækvivalenten til dette være, at virksomheden seriøs omkring kvantecomputere ikke kun skal bygge sin egen kvantecomputer, men sit eget køleskab til at huse den.

"Hvis vi bare laver en bagsideskalering, begynder du at se, at det, du kan få fra de kommercielle leverandører, på et tidspunkt kommer til kort," sagde Chow. "Du skal begynde at tænke på, hvordan du skubber ud over [det]?"

Hvad gør kvanteberegning så anderledes, så tiltalende?

IBMs superkøleskab er på et eller andet niveau en rød sild. Det er lidt som at bygge en fancy ny garage til den Tesla, du skal have leveret. Sikker på, den smarte fjernbetjent garageport, du har installeret, er spændende - men det er den ikke det spændende lidt. I denne analogi er den nye Tesla Model S eller Cybertruck IBMs planlagte kvante på en million qubit. Og forudsat at IBM kan bygge det som planlagt, vil det være et dumt, mere end værdigt til verdens mest sofistikerede køleskab.

Kvantecomputere blev først foreslået i 1980'erne af den amerikanske fysiker Paul Benioff, selvom kvantemekanikken, som de er baseret på, går tilbage til 1920'erne, hvor fysikere begyndte at bemærke, at visse eksperimenter ikke producerede de resultater, de havde forudsagt ved hjælp af deres nuværende forståelse af fysik. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin og andre greb ideen om en kvantemekanisk model af en Turing-maskine, hvilket antydede at en kvantecomputer kunne bruges til at simulere ting, der simpelthen ikke kan simuleres gennem en klassisk computer ved hjælp af klassisk fysik. I 1994 viste Dan Simon, at en kvantecomputer kunne være eksponentielt hurtigere end en klassisk computer.

En af de store forskelle med kvante er begrebet superposition. En klassisk computer kan enten være en tilstand af A eller B (eller, i binære termer, en eller nul). En kvantecomputer kan være en blanding af de to. (Det er Schrödingers kat tankeeksperiment hvor en kat i en boks kan være enten levende, død eller både levende og død på samme tid.) Så er der andre begreber såsom sammenbrud, usikkerhed og sammenfiltring, som gør kvantecomputere meget forskellige fra dem, du og jeg voksede op på.

På samme måde som en klassisk computer opererer på bits, opererer kvantecomputere på det, der omtales som qubits. På nuværende tidspunkt har IBMs nuværende største kvantecomputer 65 qubits. I 2023 vil den bygge en med 1.000 qubits. Og engang efter det - en dato, som virksomheden ikke vil forpligte sig til, men som bestemt er på dets køreplan - vil den bygge en 1-million-qubit-maskine.

At hoppe fra 65 qubits til en million qubits er et stort spring. Men databehandling, selv klassisk databehandling, viser sig at være ret god, når det kommer til eksponentielle spring. Moores lov angiver, at antallet af transistorer, der kan passe på et printkort, fordobles cirka hvert andet år. Det tætteste, kvantum kommer til Moores lov, er det, der omtales som Roses lov, formuleret af Geordie Rose i 2002. Roses lov siger, at antallet af qubits i en kvantecomputer fordobles hvert par år.

Sammenlignet med Moores lov er implikationerne af Roses lov nok endnu mere dybtgående, fordi som Peter Diamandis og Steven Kotler bemærker i deres bog Fremtiden er hurtigere, end du tror: Hvordan konvergerende teknologier transformerer forretninger, industrier og vores liv, qubits i superposition har langt mere effekt end de binære bits i transistorer.

Fordi "mere" ikke altid er lig med "bedre", er en af ​​IBMs konceptuelle justeringer af denne opfattelse baseret på det mere nuancerede koncept af det, IBM kalder kvantevolumen. "Det handler ikke kun om at skalere det fysiske antal qubits," sagde Chow. “I sidste ende handler det både om antallet af qubits og hvor godt de præsterer; hvor stort et kredsløb kan du egentlig køre på den hardware, før qubits dekoherer, og din kvanteinformation forsvinder. Kvantevolumen er sådan en metrik."

Hvad kan du forvente, når du forventer kvantecomputere

"Alt, hvad vi kalder ægte," sagde Niels Bohr, en af ​​kvantemekanikkens grundfigurer, "er lavet af ting, der ikke kan betragtes som virkelige." I betragtning af forudsætningen om kvantesuperposition er det måske passende, at kvantecomputere i dag eksisterer i en mærkelig skumringsverden her og ikke her. IBM er blot en af ​​de virksomheder, der har bygget fungerende kvantecomputere (Google, Baidu, Amazon er nogle af de andre store navne). også kvantealgoritmer — i nogle tilfælde dem, der endnu ikke kan køres effektivt på de kvantecomputere, folk har bygget.

Og alligevel, på trods af alle beviser for begreber og årsager til spænding, er det rimeligt at sige, at verden endnu ikke er begyndt at komme tæt på at udnytte kvantecomputerens enorme kraft. "Hvad [quantum computing] indebærer i form af faktiske applikationer er stadig ikke fuldt ud kendt," sagde Chow.

Nogle af de mest spændende potentielle use cases - uanset om det er beregningskemi, finansiel modellering, cybersikkerhed og kryptovaluta eller avanceret prognose - forbliver spøgelser i kvante maskine. For nu i hvert fald.

Hvorfor er IBM fokuseret på kvanteberegning? "Vores fokus er på, hvordan vi leverer fremtidens beregninger," sagde Chow. Quantum er en uundgåelig del af den fremtid.

Quantum computing er en af ​​IBMs tre store satsninger for fremtiden. Denne hellige treenighed af fremtidige teknologier består af kvantecomputere, kunstig intelligens og skyen. Men det er ikke individuelle væddemål, som det ville være tilfældet, hvis du skulle investere dine opsparinger i tre lovende startups, at tro, at en af ​​de tre har chancen for at blive en enhjørning, der vil mere end opveje ethvert tab, som to andre.

Quantum kunne for eksempel være en game-changer for A.I. Der er ingen tvivl om, at kunstig intelligens - og mest specifikt, maskinelæring — har nydt forbløffende fremskridt ved brug af klassisk computerarkitektur. Men quantum lover at fremskynde tingene endnu mere. Kvanteversioner af nuværende maskinlæringsalgoritmer (eller, mere sandsynligt, helt nye, meget hurtigere alternativer) vil være i stand til at udføre enorme datadrevne A.I. beregninger på et væsentligt hurtigere sats. De vil være i stand til at håndtere det forbløffende antal dimensioner, der opstår fra data og kortlægge dem i det store kvantefunktionsrum. Kvantesammenfiltring kunne bruges til at opdage friske mønstre, der ikke kan opdages med traditionel klassisk databehandling.

Flydende på kvanteskyen

Skyen er også en grundlæggende del af IBMs kvantesatsning. I store træk var den populære udvikling af klassisk databehandling en overgang fra mainframes til minicomputere til personlige computere. I 1950'erne havde folk kun adgang til enorme computere i store værelser med aircondition. I slutningen af ​​1970'erne og 80'erne havde folk computere i deres hjem. I 1990'erne havde folk bærbare computere, de kunne have med i deres tasker. I dag har vi computere i form af smartphones, som vi har i lommen.

Det virker usandsynligt, at kvantecomputere vil opleve det samme skift i formfaktor på grund af kravene (såsom ekstrem afkøling) til en kvantecomputer.

"Med hensyn til [at have en fysisk kvantecomputer] på dit skrivebord, kan jeg tage fejl, men det er ikke klart for mig, at det vil være tilfældet," sagde Chow. "De fleste af de systemer, du bygger, kræver dette niveau af kvantekohærens, det være sig et superledende system eller fangede ioner, kræver alle en del infrastruktur, for at du kan vedligeholde dem - og især når du skalerer op."

Men det er her, forstyrrelsen af ​​cloud computing kommer ind i billedet. Cloud computing betyder, at brugere har adgang til supercomputerfunktioner, uanset om de er i samme fysiske nærhed. Computerkraft eller lagring er ikke længere begrænset til den hardware, der er tilgængelig på dit skrivebord, som det var for 20 år siden.

"Så meget i dag bliver gjort over skyen [og] folk lægger ikke engang mærke til det," sagde Chow. "Hvor mange gange indser folk, at noget ikke bearbejdes af sig selv bærbare computere eller på deres egne telefoner, men et andet sted? Det er sådan, kvantum over skyen kommer til at fungere."

Det er til en vis grad, hvordan kvantecomputere er allerede arbejder. I maj 2016 lancerede IBM sin Kvanteoplevelse, en fem-qubit kvanteprocessor og tilsluttet matchende simulator, der lader brugere udføre eksperimenter på et kvantecomputersystem. Til dato har IBM Quantum implementeret 32 ​​kvanteprocessorer i skyen, hvor mere end 280.000 brugere verden over tilsammen kører op mod 1 milliard kvantekredsløb dagligt. Efterhånden som mere kraftfulde kvantecomputere gøres tilgængelige, vil disse også være tilgængelige for brugerne via skyen.

"Du vil have problemer, der naturligt løses ved hjælp af de bedste teknikker, som vi kender i traditionelle computere," sagde Chow. "Men så er der også dele af disse problemer, som er for komplekse til at løse [med selv højtydende computersystemer] i dag, som måske er velegnede til kvantecomputere."

Nej, du vil ikke køre dit Excel-regneark på en kvantecomputer på et tidspunkt (hvis nogensinde). Klassiske computere kan køre Excel fint. Men dele af applikationer kunne bestemt udnytte kvantekapaciteter, hvad enten det drejer sig om ting som kryptering eller bedre maskinlæring. Der kunne endda være nogle mere fascinerende useriøse eksempler. For eksempel, James Wootton, en anden IBM-ingeniør, bruger kvantecomputere til at gøre tilfældig terrængenerering inden for computerspil. Har du nogensinde drømt om et spil, der totalt kunne rekonfigurere sig selv, hver gang du spiller i en ufattelig grad? Quantum er dit svar.

Hybridmodellen

"Dette er, hvad vi mener med den hybride cloud-beregningsmodel," sagde Chow. "Du vil have din problem-arbejdsbyrde, der er ført ind i en computer, og de rigtige dele går til en klassisk computer, og de andre dele går til en kvantecomputer. Så kommer der en løsning. Det er det billede, du kan forestille dig i fremtiden. [Quantum is] er ikke en erstatning [for klassiske computere], men de vil helt sikkert arbejde hånd i hånd."

IBM vil ikke forpligte sig til præcis, hvornår den vil levere sin million qubit-computer - eller for den sags skyld, hvornår dens Goldeneye-køleskab vil være færdig. Men det er ret klart om dens tro på, at kvantecomputere vil være en game-changer.

I en indlæg skrevet til IBMs blog tidligere i år, Jay Gambetta, IBM-stipendiat og vicepræsident for kvantecomputere, sammenlignede den næste generation af IBM kvantecomputere med Apollo-missionerne, der resulterede i månelandingen. Det er noget af sammenligningen. Det kan også være præcist.

Her i 2020 med udsigt til en nymånelanding fristende tættere på, end det har været i årtier, det lyder som en langt mere optimistisk sammenligning, end det måske havde været for blot et par år siden. Det burde være ventetiden værd.

Redaktørens anbefalinger

• AI kunne erstatte omkring 7.800 job hos IBM som en del af en ansættelsespause
• Inde i det britiske laboratorium, der forbinder hjerner med kvantecomputere
• IBMs nye 127-qubit-processor er et stort gennembrud inden for kvanteberegning
• Forskere skaber 'manglende stiksavsstykke' i udviklingen af ​​kvantecomputere
• IBM-præsident bekræfter, at chipmanglen vil vare 'et par år' mere