Το φιλόδοξο σχέδιο κβαντικών υπολογιστών εκατομμυρίων Qubit της IBM

Η IBM, μια από τις παλαιότερες εταιρείες τεχνολογίας στον κόσμο, κατασκευάζει ένα ψυγείο. Αυτό από μόνο του δεν είναι πρωτοφανές. Άλλες εταιρείες τεχνολογίας έχουν κατασκεύασε ψυγεία πριν. Η LG πουλά το εντυπωσιακό έξυπνο ψυγείο LG InstaView Door-in-Door με σύνδεση Wi-Fi. Η Samsung, ένας άλλος παγκόσμιος κατασκευαστής συσκευών, κατασκευάζει το εξαιρετικό RF23J9011SR 4-Door Flex με δυνατότητα Power Cool.

Αλλά το ψυγείο της IBM (ακόμα σε εξέλιξη) είναι διαφορετικό. Πολύ διαφορετικό μάλιστα. Θα είναι τεράστιο για ένα πράγμα: 10 πόδια ύψος και 6 πόδια πλάτος. Θα είναι επίσης αφάνταστα κρύο, περίπου 15 millikelvin, ή -459 Fahrenheit, που είναι πιο κρύο από το διάστημα. Πήρε επίσης το όνομά του από μια ταινία του James Bond, Goldeneye.

Ωστόσο, η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ αυτού και του σύγχρονου ψυγείου της κουζίνας σας είναι το προγραμματισμένο περιεχόμενό του. Μην περιμένετε μια ενσωματωμένη θήκη αυγών, συρτάρια λαχανικών και χώρο για το εποχιακό σας αυγολέμονο. Αντίθετα, θα είναι το σπίτι του πρώτου κβαντικού υπολογιστή 1 εκατομμυρίου qubit στον κόσμο - μόλις κατασκευαστεί και αυτός.

«Για να εμφανιστούν τα κβαντικά εφέ, [οι κβαντικοί υπολογιστές] πρέπει να ψύχονται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες». Τζέρι Τσόου, διευθυντής του Quantum Hardware System Development στην IBM, δήλωσε στο Digital Trends. «Στην πραγματικότητα, όλη η υποδομή που κυκλοφορεί, ακόμη και μόνο ο ίδιος ο επεξεργαστής απαιτεί αρκετή ψύξη, ειδικά καθώς την κλιμακώνετε, σωστά;»

Αυτή η διαδικασία κλιμάκωσης ήταν που οδήγησε τον Chow και την ομάδα του στο αναπόφευκτο συμπέρασμα ότι η IBM χρειαζόταν πραγματικά να μπει στην επιχείρηση ψύξης — τουλάχιστον όταν πρόκειται για το δικό της κβάντο Υπολογιστές. Για ένα πράγμα, υπάρχει ένα όριο στην τρέχουσα ικανότητα ψύξης. Στη συνέχεια, υπάρχουν προβλήματα με πράγματα όπως η διατήρηση της ακεραιότητας του κενού και η εξισορρόπηση του βάρους των διαφόρων εξαρτημάτων που απαιτούνται για την ψύξη. Ο επιστήμονας υπολογιστών Άλαν Κέι είπε κάποτε ότι η εταιρεία που ασχολείται σοβαρά με το λογισμικό θα πρέπει επίσης να κατασκευάσει το δικό της υλικό. Ίσως το κβαντικό ισοδύναμο αυτού θα έπρεπε να είναι ότι η εταιρεία που ασχολείται σοβαρά με τους κβαντικούς υπολογιστές δεν θα έπρεπε μόνο να κατασκευάσει τον δικό της κβαντικό υπολογιστή, αλλά και το δικό της ψυγείο για να τον στεγάσει.

"Αν κάνουμε απλώς λίγη κλιμάκωση στο πίσω μέρος του φακέλου, θα αρχίσετε να βλέπετε ότι, σε κάποιο σημείο, αυτό που μπορείτε να πάρετε από τους εμπορικούς προμηθευτές υπολείπεται", είπε ο Τσόου. «Πρέπει να αρχίσεις να σκέφτεσαι πώς θα πιέσεις πέρα ​​από [αυτό];»

Τι κάνει τον κβαντικό υπολογισμό τόσο διαφορετικό, τόσο ελκυστικό;

Το σούπερ ψυγείο της IBM είναι, σε κάποιο επίπεδο, μια κόκκινη ρέγγα. Είναι λίγο σαν να χτίζετε ένα φανταχτερό νέο γκαράζ για το Tesla που παραδίδετε. Σίγουρα, αυτή η φανταχτερή πόρτα γκαράζ με τηλεχειριστήριο που έχετε εγκαταστήσει είναι συναρπαστική — αλλά δεν είναι ο συναρπαστικό κομμάτι. Σε αυτήν την αναλογία, το νέο Tesla Model S ή Cybertruck είναι το προγραμματισμένο κβάντο ενός εκατομμυρίου qubit της IBM. Και, υπό τον όρο ότι η IBM μπορεί να το κατασκευάσει όπως έχει προγραμματιστεί, θα είναι ένα θορυβώδες, κάτι παραπάνω από αντάξιο του πιο εξελιγμένου ψυγείου στον κόσμο.

Οι κβαντικοί υπολογιστές προτάθηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980 από τον Αμερικανό φυσικό Paul Benioff, αν και η κβαντική μηχανική στην οποία βασίζονται χρονολογείται από πίσω. στη δεκαετία του 1920, όταν οι φυσικοί άρχισαν να παρατηρούν ότι ορισμένα πειράματα δεν παρήγαγαν τα αποτελέσματα που είχαν προβλέψει χρησιμοποιώντας την τρέχουσα κατανόησή τους η φυσικη. Οι Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin και άλλοι άρπαξαν την ιδέα ενός κβαντομηχανικού μοντέλου μιας μηχανής Turing, προτείνοντας ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση πραγμάτων που απλά δεν μπορούν να προσομοιωθούν μέσω ενός κλασικού υπολογιστή χρησιμοποιώντας κλασική η φυσικη. Το 1994, ο Dan Simon έδειξε ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να είναι εκθετικά ταχύτερο από έναν κλασικό υπολογιστή.

Μία από τις μεγάλες διαφορές με το κβαντικό είναι η έννοια της υπέρθεσης. Ένας κλασικός υπολογιστής μπορεί να είναι είτε κατάσταση Α είτε Β (ή, σε δυαδικούς όρους, ένα ή μηδέν). Ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να είναι ένα μείγμα και των δύο. (Αυτό είναι το Το πείραμα σκέψης της γάτας του Σρέντινγκερ στο οποίο μια γάτα σε ένα κουτί θα μπορούσε να είναι είτε ζωντανή, νεκρή, είτε ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα.) Στη συνέχεια, υπάρχουν άλλες έννοιες όπως η κατάρρευση, η αβεβαιότητα και η εμπλοκή, που κάνουν τους κβαντικούς υπολογιστές πολύ διαφορετικούς από αυτούς που μεγαλώσαμε εσείς και εγώ επί.

Με τον ίδιο τρόπο που ένας κλασικός υπολογιστής λειτουργεί σε bit, οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν σε αυτά που αναφέρονται ως qubits. Προς το παρόν, ο σημερινός μεγαλύτερος κβαντικός υπολογιστής της IBM έχει 65 qubits. Μέχρι το 2023, θέλει να δημιουργήσει ένα με 1.000 qubits. Και κάποια στιγμή μετά από αυτό - μια ημερομηνία για την οποία η εταιρεία δεν θα δεσμευτεί, αλλά που σίγουρα βρίσκεται στον οδικό της χάρτη - θα κατασκευάσει μια μηχανή 1 εκατομμυρίου qubit.

Το άλμα από τα 65 qubits σε ένα εκατομμύριο qubits είναι αρκετά το άλμα. Αλλά οι υπολογιστές, ακόμη και οι κλασικοί υπολογιστές, αποδεικνύονται αρκετά καλοί όταν πρόκειται για εκθετικά άλματα. Νόμος του Μουρ δηλώνει ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που μπορούν να χωρέσουν σε μια πλακέτα κυκλώματος διπλασιάζεται περίπου κάθε δύο χρόνια. Το πιο κοντινό πράγμα που έχει το κβαντικό στον νόμο του Μουρ είναι αυτό που αναφέρεται ως Νόμος του Ρόουζ, που διατυπώθηκε από τον Τζόρντι Ρόουζ το 2002. Ο νόμος του Rose λέει ότι ο αριθμός των qubits σε έναν κβαντικό υπολογιστή διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια.

Σε σύγκριση με τον νόμο του Μουρ, οι επιπτώσεις του νόμου του Ρόουζ είναι αναμφισβήτητα ακόμη πιο βαθιές επειδή, όπως παρατηρούν οι Πίτερ Διαμαντίς και Στίβεν Κότλερ στο βιβλίο τους Το μέλλον είναι ταχύτερο από όσο νομίζετε: Πώς οι συγκλίνουσες τεχνολογίες μεταμορφώνουν τις επιχειρήσεις, τις βιομηχανίες και τις ζωές μας, τα qubits σε υπέρθεση έχουν πολύ μεγαλύτερη ισχύ από τα δυαδικά bit στα τρανζίστορ.

Επειδή το "περισσότερο" δεν ισούται πάντα με το "καλύτερο", μία από τις εννοιολογικές τροποποιήσεις της IBM σε αυτήν την έννοια βασίζεται στην πιο διαφοροποιημένη έννοια αυτού που η IBM αποκαλεί κβαντικό όγκο. «Δεν πρόκειται μόνο για την κλιμάκωση του φυσικού αριθμού των qubits», είπε ο Chow. «Στο τέλος, έχει να κάνει τόσο με τον αριθμό των qubits όσο και με το πόσο καλά αποδίδουν. πόσο μεγάλο κύκλωμα μπορείτε πραγματικά να τρέξετε σε αυτό το υλικό προτού αποσυνδεθούν τα qubits και εξαφανιστούν οι κβαντικές πληροφορίες σας. Ο κβαντικός όγκος είναι μια τέτοια μέτρηση».

Τι να περιμένετε όταν περιμένετε κβαντικούς υπολογιστές

«Ό, τι ονομάζουμε πραγματικό», είπε ο Niels Bohr, μια από τις ιδρυτικές προσωπικότητες της κβαντικής μηχανικής, «φτιάχνεται από πράγματα που δεν μπορούν να θεωρηθούν αληθινά». Δεδομένης της υπόθεσης της κβαντικής υπέρθεσης, είναι ίσως σωστό οι κβαντικοί υπολογιστές να υπάρχουν σήμερα σε έναν παράξενο κόσμο του λυκόφωτος εδώ και όχι εδώ. Η IBM είναι μόνο μία από τις εταιρείες που έχουν κατασκευάσει λειτουργικούς κβαντικούς υπολογιστές (η Google, η Baidu, είναι η Amazon είναι μερικά από τα άλλα μεγάλα ονόματα.) Υπάρχουν και οι κβαντικοί αλγόριθμοι — σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτοί που δεν μπορούν ακόμη να εκτελεστούν αποτελεσματικά στους κβαντικούς υπολογιστές που έχουν κατασκευάσει οι άνθρωποι.

Και όμως, παρ' όλη την απόδειξη των εννοιών και των αιτιών για ενθουσιασμό, είναι δίκαιο να πούμε ότι ο κόσμος δεν έχει ακόμη αρχίσει να πλησιάζει στο να αξιοποιήσει την τεράστια δύναμη των κβαντικών υπολογιστών. «Τι συνεπάγεται ο [κβαντικός υπολογισμός] όσον αφορά τις πραγματικές εφαρμογές δεν είναι ακόμα πλήρως γνωστό», είπε ο Τσόου.

Μερικές από τις πιο συναρπαστικές πιθανές περιπτώσεις χρήσης — είτε πρόκειται για υπολογιστική χημεία, είτε για οικονομική μοντελοποίηση, κυβερνοασφάλεια και κρυπτονομίσματα ή προηγμένες προβλέψεις — παραμένουν φαντάσματα στο κβαντικό μηχανή. Προς το παρόν τουλάχιστον.

Γιατί η IBM εστιάζει στον κβαντικό υπολογισμό; «Η εστίασή μας είναι στο πώς προσφέρουμε το μέλλον των υπολογιστών», είπε ο Τσόου. Το κβαντικό είναι ένα αναπόφευκτο μέρος αυτού του μέλλοντος.

Ο κβαντικός υπολογισμός είναι ένα από τα τρία μεγάλα στοιχήματα της IBM για το μέλλον. Αυτή η ιερή τριάδα μελλοντικών τεχνολογιών αποτελείται από τους κβαντικούς υπολογιστές, την τεχνητή νοημοσύνη και το σύννεφο. Αλλά αυτά δεν είναι μεμονωμένα στοιχήματα όπως θα συνέβαινε αν επενδύατε τις αποταμιεύσεις σας σε τρεις πολλά υποσχόμενες νεοσύστατες επιχειρήσεις, πιστεύοντας ότι ένας από τους τρεις έχει την πιθανότητα να γίνει μονόκερος που θα αντισταθμίσει περισσότερο από τις όποιες απώλειες άλλα δύο.

Το Quantum, για παράδειγμα, θα μπορούσε να αλλάξει το παιχνίδι για το A.I. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η τεχνητή νοημοσύνη — και, πιο συγκεκριμένα, μηχανική μάθηση — έχει απολαύσει εκπληκτικές προόδους χρησιμοποιώντας την κλασική αρχιτεκτονική υπολογιστών. Αλλά το quantum υπόσχεται να επιταχύνει ακόμη περισσότερο τα πράγματα. Κβαντικές εκδόσεις των τρεχόντων αλγορίθμων μηχανικής μάθησης (ή, πιο πιθανό, εντελώς νέες, πολύ πιο γρήγορες εναλλακτικές) θα είναι σε θέση να πραγματοποιήσει τεράστιες A.I βάσει δεδομένων. υπολογισμοί σε σημαντικά ταχύτερους τιμή. Θα είναι σε θέση να χειριστούν τον εκπληκτικό αριθμό διαστάσεων που προκύπτουν από δεδομένα και να τις χαρτογραφήσουν στον μεγάλο χώρο κβαντικών χαρακτηριστικών. Η κβαντική εμπλοκή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανακάλυψη φρέσκων μοτίβων που δεν μπορούν να ανακαλυφθούν με τον παραδοσιακό κλασικό υπολογισμό.

Επιπλέει στο κβαντικό σύννεφο

Το σύννεφο είναι επίσης ένα θεμελιώδες μέρος του κβαντικού στοιχήματος της IBM. Σε γενικές γραμμές, η δημοφιλής εξέλιξη των κλασικών υπολογιστών ήταν η μετάβαση από τους μεγάλους υπολογιστές στους μικροϋπολογιστές στους προσωπικούς υπολογιστές. Στη δεκαετία του 1950, οι άνθρωποι είχαν πρόσβαση σε τεράστιους υπολογιστές μόνο σε μεγάλα, κλιματιζόμενα δωμάτια. Στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και του ’80, οι άνθρωποι είχαν υπολογιστές στα σπίτια τους. Μέχρι τη δεκαετία του 1990, οι άνθρωποι είχαν φορητούς υπολογιστές που μπορούσαν να μεταφέρουν στις τσάντες τους. Σήμερα, έχουμε υπολογιστές με τη μορφή smartphone που κουβαλάμε στις τσέπες μας.

Φαίνεται απίθανο οι κβαντικοί υπολογιστές να βιώσουν την ίδια αλλαγή στον παράγοντα μορφής λόγω των απαιτήσεων (όπως η ακραία ψύξη) για έναν κβαντικό υπολογιστή.

«Όσον αφορά το [έχοντας έναν φυσικό κβαντικό υπολογιστή] στο γραφείο σας, μπορεί να κάνω λάθος, αλλά δεν είναι ξεκάθαρο για μένα ότι θα συμβεί αυτό», είπε ο Τσόου. «Τα περισσότερα από τα συστήματα που κατασκευάζετε και απαιτούν αυτό το επίπεδο κβαντικής συνοχής, είτε πρόκειται για υπεραγώγιμο σύστημα ή παγιδευμένα ιόντα, όλα απαιτούν αρκετή υποδομή για να τα συντηρήσετε — και ειδικά καθώς κλιμακώνεστε πάνω."

Αλλά εδώ είναι που μπαίνει στην εικόνα η διακοπή του υπολογιστικού νέφους. Το cloud computing σημαίνει ότι οι χρήστες έχουν πρόσβαση σε δυνατότητες υπερυπολογιστή ανεξάρτητα από το αν βρίσκονται στην ίδια φυσική γειτνίαση. Η υπολογιστική ισχύς ή η αποθήκευση δεν περιορίζεται πλέον στο υλικό που είναι διαθέσιμο στο γραφείο σας όπως ήταν πριν από 20 χρόνια.

«Σήμερα γίνονται τόσα πολλά πάνω από το σύννεφο [και] οι άνθρωποι δεν το προσέχουν καν», είπε ο Τσόου. «Πόσες φορές οι άνθρωποι συνειδητοποιούν ότι κάτι δεν επεξεργάζεται από μόνο του φορητούς υπολογιστές ή στα δικά τους τηλέφωνα, αλλά κάπου αλλού; Έτσι θα λειτουργήσει το κβαντικό πάνω από το σύννεφο».

Είναι, σε ένα βαθμό, πόσο είναι ο κβαντικός υπολογισμός ήδη εργαζόμενος. Τον Μάιο του 2016, η IBM κυκλοφόρησε το Κβαντική εμπειρία, ένας κβαντικός επεξεργαστής πέντε qubit και συνδεδεμένος προσομοιωτής αντιστοίχισης που επιτρέπει στους χρήστες να πραγματοποιούν πειράματα σε ένα σύστημα κβαντικού υπολογιστή. Μέχρι σήμερα, η IBM Quantum έχει αναπτύξει 32 κβαντικούς επεξεργαστές στο cloud, με περισσότερους από 280.000 χρήστες παγκοσμίως να τρέχουν συνολικά πάνω από 1 δισεκατομμύριο κβαντικά κυκλώματα καθημερινά. Καθώς διατίθενται πιο ισχυροί κβαντικοί υπολογιστές, θα είναι επίσης προσβάσιμοι στους χρήστες μέσω του cloud.

«Θα έχετε προβλήματα που λύνονται φυσικά χρησιμοποιώντας τις καλύτερες τεχνικές που γνωρίζουμε στους παραδοσιακούς υπολογιστές», είπε ο Τσόου. «Αλλά υπάρχουν επίσης μέρη αυτών των προβλημάτων που είναι πολύ περίπλοκα για να λυθούν [ακόμα και με υπολογιστικά συστήματα υψηλής απόδοσης] σήμερα που μπορεί να είναι κατάλληλα για κβαντικούς υπολογιστές».

Όχι, δεν θα εκτελείτε το υπολογιστικό φύλλο του Excel σε έναν κβαντικό υπολογιστή σύντομα (αν ποτέ). Οι κλασικοί υπολογιστές μπορούν να τρέξουν το Excel μια χαρά. Αλλά μέρη των εφαρμογών θα μπορούσαν σίγουρα να αξιοποιήσουν τις κβαντικές δυνατότητες, είτε για πράγματα όπως η κρυπτογράφηση ή η καλύτερη μηχανική εκμάθηση. Θα μπορούσαν να υπάρχουν ακόμη και μερικά πιο συναρπαστικά επιπόλαια παραδείγματα. Για παράδειγμα, James Wootton, ένας άλλος μηχανικός της IBM, χρησιμοποιεί κβαντικούς υπολογιστές για να κάνει τυχαία δημιουργία εδάφους σε παιχνίδια υπολογιστή. Ονειρευτήκατε ποτέ ένα παιχνίδι που θα μπορούσε να αναδιαμορφωθεί πλήρως κάθε φορά που παίζετε σε αφάνταστο βαθμό; Η Quantum είναι η απάντησή σας.

Το υβριδικό μοντέλο

«Αυτό εννοούμε με το υπολογιστικό μοντέλο υβριδικού νέφους», είπε ο Τσόου. «Θα έχετε τον φόρτο εργασίας του προβλήματος που τροφοδοτείται σε έναν υπολογιστή και τα σωστά μέρη πηγαίνουν σε έναν κλασικό υπολογιστή και τα άλλα μέρη σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Μετά βγαίνει μια λύση. Αυτή είναι η εικόνα που μπορείτε να φανταστείτε στο μέλλον. Το [Quantum is] δεν αντικαθιστά [για τους κλασικούς υπολογιστές], αλλά σίγουρα θα λειτουργήσουν χέρι-χέρι».

Η IBM δεν θα δεσμευτεί για το πότε ακριβώς θα παραδώσει τον υπολογιστή εκατομμυρίων qubit της — ή, για αυτό το θέμα, πότε θα τελειώσει το ψυγείο Goldeneye. Αλλά είναι αρκετά ξεκάθαρο σχετικά με την πεποίθησή του ότι ο κβαντικός υπολογισμός πρόκειται να αλλάξει το παιχνίδι.

Σε ένα ανάρτηση που γράφτηκε για το blog της IBM νωρίτερα φέτοςΟ Jay Gambetta, συνεργάτης της IBM και αντιπρόεδρος κβαντικών υπολογιστών, παρομοίασε την επόμενη γενιά κβαντικών υπολογιστών της IBM με τις αποστολές Apollo που είχαν ως αποτέλεσμα την προσγείωση στο φεγγάρι. Αυτή είναι η σύγκριση. Μπορεί επίσης να είναι ακριβές.

Εδώ το 2020, με την προοπτική ενός προσγείωση νέας σελήνης Δελεαστικά πιο κοντά από ό, τι ήταν εδώ και δεκαετίες, αυτό ακούγεται σαν μια πολύ πιο αισιόδοξη σύγκριση από ό, τι θα μπορούσε να ήταν πριν από λίγα χρόνια. Θα πρέπει να αξίζει την αναμονή.

Συστάσεις των συντακτών

• Η τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε να αντικαταστήσει περίπου 7.800 θέσεις εργασίας στην IBM ως μέρος μιας παύσης προσλήψεων
• Μέσα στο εργαστήριο του Ηνωμένου Βασιλείου που συνδέει εγκεφάλους με κβαντικούς υπολογιστές
• Ο νέος επεξεργαστής 127 qubit της IBM είναι μια σημαντική ανακάλυψη στον κβαντικό υπολογισμό
• Οι ερευνητές δημιουργούν «κομμάτι παζλ που λείπει» στην ανάπτυξη του κβαντικού υπολογισμού
• Ο πρόεδρος της IBM επιβεβαιώνει ότι η έλλειψη chip θα διαρκέσει «λίγα χρόνια» ακόμη