IBMs ehrgeiziger Millionen-Qubit-Quantencomputerplan

IBM, eines der ältesten Technologieunternehmen der Welt, baut einen Kühlschrank. Das ist an sich nicht beispiellos. Andere Technologieunternehmen haben es getan Ich habe schon früher Kühlschränke gebaut. LG verkauft den beeindruckenden, über WLAN verbundenen LG InstaView Door-in-Door Smart Fridge. Samsung, ein weiterer globaler Gerätehersteller, stellt den hervorragenden RF23J9011SR 4-Door Flex mit Power Cool-Funktion her.

Aber der Kühlschrank von IBM (noch in der Entwicklung) ist anders. Eigentlich ganz anders. Zum einen wird es riesig sein: 10 Fuß hoch und 6 Fuß breit. Außerdem wird es unvorstellbar kalt sein, etwa 15 Millikelvin oder -459 Fahrenheit, was kälter ist als der Weltraum. Es ist auch nach einem James-Bond-Film, Goldeneye, benannt.

Der größte Unterschied zu Ihrem gewöhnlichen Küchenkühlschrank ist jedoch der geplante Inhalt. Erwarten Sie keinen eingebauten Eierhalter, Gemüseschubladen und Platz für Ihren saisonalen Eierlikör. Stattdessen wird es die Heimat des weltweit ersten 1-Million-Qubit-Quantencomputers sein – sobald auch dieser gebaut ist.

„Damit die Quanteneffekte entstehen, müssen [Quantencomputer] auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden.“ Jerry Chow, Direktor für Quantum Hardware System Development bei IBM, sagte gegenüber Digital Trends. „Tatsächlich erfordert die gesamte Infrastruktur rund um den Prozessor selbst ziemlich viel Kühlung, insbesondere wenn man sie vergrößert, oder?“

Es war dieser Skalierungsprozess, der Chow und sein Team zu der unausweichlichen Schlussfolgerung führte, dass IBM Es war wirklich notwendig, in das Kühlgeschäft einzusteigen – zumindest, wenn es um das eigene Quantum geht Computers. Zum einen gibt es eine Grenze für die aktuelle Kühlleistung. Dann gibt es Probleme mit Dingen wie der Aufrechterhaltung der Vakuumintegrität und dem Gewichtsausgleich der verschiedenen Komponenten, die zum Kühlen benötigt werden. Der Informatiker Alan Kay sagte einmal, dass ein Unternehmen, das es ernst mit Software meint, auch eigene Hardware bauen sollte. Vielleicht sollte das Quantenäquivalent dazu sein, dass das Unternehmen, das Quantencomputing ernst nimmt, nicht nur seinen eigenen Quantencomputer bauen sollte, sondern auch einen eigenen Kühlschrank, in dem er untergebracht ist.

„Wenn wir nur eine kleine Skalierung vornehmen, merkt man, dass das, was man von den kommerziellen Anbietern bekommen kann, irgendwann nicht mehr ausreicht“, sagte Chow. „Sie müssen darüber nachdenken, wie Sie darüber hinausgehen können?“

Was macht Quantencomputing so anders und so attraktiv?

Der Superkühlschrank von IBM ist in gewisser Weise ein Ablenkungsmanöver. Es ist ein bisschen so, als würde man eine schicke neue Garage für den Tesla bauen, den man geliefert hat. Sicher, das schicke ferngesteuerte Garagentor, das Sie installiert haben, ist aufregend – aber das ist es nicht Die spannendes Stück. In dieser Analogie ist das neue Tesla Model S oder Cybertruck das von IBM geplante Quantum mit einer Million Qubits. Und vorausgesetzt, IBM kann es wie geplant bauen, wird es ein Trottel sein, der dem fortschrittlichsten Kühlschrank der Welt mehr als würdig ist.

Quantencomputer wurden erstmals in den 1980er Jahren vom amerikanischen Physiker Paul Benioff vorgeschlagen, obwohl die Quantenmechanik, auf der sie basieren, älter ist bis in die 1920er Jahre, als Physiker begannen zu bemerken, dass bestimmte Experimente nicht die Ergebnisse lieferten, die sie nach ihrem derzeitigen Verständnis vorhergesagt hatten Physik. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin und andere griffen die Idee eines quantenmechanischen Modells einer Turing-Maschine auf und schlugen vor dass ein Quantencomputer dazu verwendet werden könnte, Dinge zu simulieren, die mit einem klassischen Computer einfach nicht simuliert werden können Physik. Im Jahr 1994 zeigte Dan Simon, dass es einen Quantencomputer geben könnte exponentiell schneller als ein klassischer Computer.

Einer der großen Unterschiede zur Quantenphysik ist das Konzept der Superposition. Ein klassischer Computer kann entweder den Zustand A oder B haben (oder, binär ausgedrückt, Eins oder Null). Ein Quantencomputer kann eine Mischung aus beidem sein. (Das ist das Schrödingers Katzen-Gedankenexperiment in dem eine Katze in einer Kiste entweder lebendig, tot oder gleichzeitig lebendig und tot sein könnte.) Dann gibt es noch andere Konzepte wie Kollaps, Unsicherheit und Verschränkung, die Quantencomputer ganz anders machen als die, mit denen Sie und ich aufgewachsen sind An.

So wie ein klassischer Computer mit Bits arbeitet, arbeiten Quantencomputer mit sogenannten Qubits. Der derzeit größte Quantencomputer von IBM verfügt über 65 Qubits. Bis 2023 will man eines mit 1.000 Qubits bauen. Und irgendwann danach – ein Datum, auf das sich das Unternehmen nicht festlegen will, das aber sicherlich auf seiner Roadmap steht – wird es eine 1-Million-Qubit-Maschine bauen.

Der Sprung von 65 Qubits auf eine Million Qubits ist ein ziemlicher Sprung. Aber das Rechnen, sogar das klassische Rechnen, erweist sich als ziemlich gut, wenn es um exponentielle Sprünge geht. Moores Gesetz gibt an, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf eine Leiterplatte passen, etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Das Quantengesetz, das dem Mooreschen Gesetz am nächsten kommt, ist das sogenannte Rosesche Gesetz, das 2002 von Geordie Rose formuliert wurde. Das Gesetz von Rose besagt, dass sich die Anzahl der Qubits in einem Quantencomputer alle paar Jahre verdoppelt.

Im Vergleich zum Mooreschen Gesetz sind die Implikationen des Roseschen Gesetzes wohl noch tiefgreifender, weil, wie Peter Diamandis und Steven Kotler in ihrem Buch feststellen Die Zukunft ist schneller als Sie denken: Wie konvergierende Technologien Unternehmen, Industrien und unser Leben verändern, Qubits in Überlagerung haben weitaus mehr Leistung als die Binärbits in Transistoren.

Da „mehr“ nicht immer gleich „besser“ ist, basiert eine der konzeptionellen Änderungen von IBM an dieser Vorstellung auf dem differenzierteren Konzept dessen, was IBM Quantenvolumen nennt. „Es geht nicht nur darum, die physische Anzahl der Qubits zu skalieren“, sagte Chow. „Letztendlich kommt es sowohl auf die Anzahl der Qubits als auch auf deren Leistung an; Wie groß ist der Schaltkreis, den Sie tatsächlich auf dieser Hardware betreiben können, bevor die Qubits dekohärieren und Ihre Quanteninformationen verschwinden? Das Quantenvolumen ist eine solche Messgröße.“

Was Sie erwartet, wenn Sie Quantencomputer erwarten

„Alles, was wir real nennen“, sagte Niels Bohr, einer der Begründer der Quantenmechanik, „besteht aus Dingen, die nicht als real angesehen werden können.“ Angesichts der Prämisse der Quantenüberlagerung ist es vielleicht angemessen, dass Quantencomputer heute in einer seltsamen Zwielichtwelt des Hier und Nicht existieren Hier. IBM ist nur eines der Unternehmen, die funktionierende Quantencomputer gebaut haben (Google, Baidu und Amazon sind einige der anderen großen Namen). Es gibt sie Quantenalgorithmen auch – in einigen Fällen solche, die auf den von Menschen gebauten Quantencomputern noch nicht effektiv ausgeführt werden können.

Und doch kann man trotz aller Beweise für Konzepte und Anlass zur Aufregung mit Recht sagen, dass die Welt noch nicht einmal annähernd die enorme Leistungsfähigkeit des Quantencomputings genutzt hat. „Was [Quantencomputing] in Bezug auf tatsächliche Anwendungen bedeutet, ist noch nicht vollständig bekannt“, sagte Chow.

Einige der aufregendsten potenziellen Anwendungsfälle – sei es in der Computerchemie oder im Finanzwesen Modellierung, Cybersicherheit und Kryptowährung oder erweiterte Prognosen – bleiben Geister im Quantum Maschine. Zumindest im Moment.

Warum konzentriert sich IBM auf Quantenberechnungen? „Unser Fokus liegt darauf, wie wir die Zukunft der Informatik gestalten“, sagte Chow. Quanten sind ein unvermeidlicher Teil dieser Zukunft.

Quantencomputing ist eine der drei großen Zukunftsaussichten von IBM. Diese heilige Dreifaltigkeit der Zukunftstechnologien besteht aus Quantencomputing, künstlicher Intelligenz und der Cloud. Dabei handelt es sich jedoch nicht um Einzelwetten, wie es der Fall wäre, wenn Sie Ihr Erspartes in drei vielversprechende Startups investieren würden, Er glaubt, dass einer der drei die Chance hat, ein Einhorn zu werden, das die ihm entstandenen Verluste mehr als ausgleichen wird andere zwei.

Quanten könnten zum Beispiel für die KI bahnbrechend sein. Es besteht kein Zweifel daran, dass künstliche Intelligenz – und insbesondere maschinelles Lernen – hat erstaunliche Fortschritte bei der Verwendung der klassischen Computerarchitektur erzielt. Aber Quanten verspricht, die Dinge noch schneller zu machen. Quantenversionen aktueller Algorithmen für maschinelles Lernen (oder, was wahrscheinlicher ist, völlig neue, viel schnellere). Alternativen) werden in der Lage sein, enorme datengesteuerte KI durchzuführen. Berechnungen deutlich schneller Rate. Sie werden in der Lage sein, die unglaubliche Anzahl von Dimensionen zu bewältigen, die sich aus Daten ergeben, und sie im großen Quantenmerkmalsraum abzubilden. Quantenverschränkung könnte genutzt werden, um neue Muster zu entdecken, die mit traditioneller klassischer Computertechnik nicht entdeckt werden können.

Schweben auf der Quantenwolke

Die Cloud ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Quantenwette von IBM. Im Großen und Ganzen war die populäre Weiterentwicklung der klassischen Informatik ein Übergang von Großrechnern zu Minicomputern und Personalcomputern. In den 1950er-Jahren hatten die Menschen Zugang zu riesigen Computern nur in großen, klimatisierten Räumen. In den späten 1970er und 1980er Jahren hatten die Menschen Computer in ihren Häusern. In den 1990er Jahren gab es Laptops, die man in der Tasche transportieren konnte. Heutzutage haben wir Computer in Form von Smartphones, die wir in unseren Taschen tragen.

Es scheint unwahrscheinlich, dass Quantencomputer aufgrund der Anforderungen (z. B. extreme Kühlung) an einen Quantencomputer dieselbe Verschiebung im Formfaktor erfahren werden.

„Wenn es darum geht, [einen physischen Quantencomputer] auf dem Schreibtisch zu haben, liege ich vielleicht falsch, aber mir ist nicht klar, ob das der Fall sein wird“, sagte Chow. „Die meisten Systeme, die Sie bauen, erfordern dieses Maß an Quantenkohärenz, sei es ein supraleitendes System oder eingefangene Ionen, alle erfordern ein gewisses Maß an Infrastruktur, damit Sie sie warten können – und insbesondere, wenn Sie skalieren hoch."

Aber hier kommt die Störung des Cloud Computing ins Spiel. Cloud Computing bedeutet, dass Benutzer Zugriff auf Supercomputerfunktionen haben, unabhängig davon, ob sie sich in der gleichen physischen Nähe befinden. Rechenleistung oder Speicher sind nicht mehr wie vor 20 Jahren auf die Hardware beschränkt, die auf Ihrem Schreibtisch verfügbar ist.

„Heutzutage wird so viel über die Cloud erledigt, und die Leute merken es nicht einmal“, sagte Chow. „Wie oft merken die Leute, dass etwas nicht von alleine verarbeitet wird? Laptops oder auf ihren eigenen Handys, aber woanders? So wird Quantum over the Cloud funktionieren.“

So ist es bis zu einem gewissen Grad, wie Quantencomputing ist bereits Arbeiten. Im Mai 2016 startete IBM seine Quantenerfahrung, ein Fünf-Qubit-Quantenprozessor und ein angeschlossener Matching-Simulator, mit dem Benutzer Experimente auf einem Quantencomputersystem durchführen können. Bisher hat IBM Quantum 32 Quantenprozessoren in der Cloud bereitgestellt, wobei mehr als 280.000 Benutzer weltweit täglich mehr als 1 Milliarde Quantenschaltungen betreiben. Mit der Verfügbarkeit leistungsfähigerer Quantencomputer werden auch diese für Nutzer über die Cloud zugänglich sein.

„Sie werden Probleme haben, die auf natürliche Weise mit den besten Techniken gelöst werden, die wir von herkömmlichen Computern kennen“, sagte Chow. „Aber es gibt auch Teile dieser Probleme, die heute zu komplex sind, um sie [selbst mit Hochleistungsrechnersystemen] zu lösen, die für Quantencomputer geeignet sein könnten.“

Nein, Sie werden Ihre Excel-Tabelle in naher Zukunft (wenn überhaupt) nicht auf einem Quantencomputer ausführen. Auf klassischen Computern kann Excel problemlos ausgeführt werden. Aber Teile von Anwendungen könnten durchaus Quantenfähigkeiten nutzen, sei es für Dinge wie Verschlüsselung oder besseres maschinelles Lernen. Es könnte sogar einige faszinierendere und frivolere Beispiele geben. Zum Beispiel, James Wootton, ein weiterer IBM-Ingenieur, nutzt dafür Quantencomputing zufällige Geländegenerierung in Computerspielen. Haben Sie jemals von einem Spiel geträumt, das sich jedes Mal, wenn Sie es spielen, in einem unvorstellbaren Ausmaß völlig neu konfiguriert? Quantum ist Ihre Antwort.

Das Hybridmodell

„Das meinen wir mit dem Hybrid-Cloud-Rechenmodell“, sagte Chow. „Ihre Problemarbeitslast wird in einen Computer eingespeist, und die richtigen Teile gehen an einen klassischen Computer und die anderen Teile gehen an einen Quantencomputer. Dann kommt eine Lösung heraus. Das ist das Bild, das Sie sich in der Zukunft vorstellen können. [Quantum ist] kein Ersatz [für klassische Computer], aber sie werden sicherlich Hand in Hand arbeiten.“

IBM macht keine Angaben dazu, wann genau es seinen Millionen-Qubit-Computer ausliefern wird – oder wann sein Goldeneye-Kühlschrank fertig sein wird. Aber es ist ziemlich klar, dass das Unternehmen davon überzeugt ist, dass Quantencomputer bahnbrechend sein werden.

In einem Beitrag, der Anfang des Jahres für den Blog von IBM geschrieben wurdeJay Gambetta, IBM-Stipendiat und Vizepräsident für Quantencomputing, verglich die nächste Generation von IBM-Quantencomputern mit den Apollo-Missionen, die zur Mondlandung führten. Das ist ein ziemlicher Vergleich. Es kann auch zutreffend sein.

Hier im Jahr 2020, mit der Aussicht auf a Neumondlandung verlockend näher als seit Jahrzehnten, das klingt nach einem weitaus optimistischeren Vergleich als noch vor ein paar Jahren. Das Warten dürfte sich lohnen.

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