IBMi ambitsioonikas miljonikubitine kvantarvutiplaan

IBM, üks maailma vanimaid tehnoloogiaettevõtteid, ehitab külmikut. Iseenesest pole see enneolematu. Teistel tehnoloogiaettevõtetel on varem ehitanud külmikuid. LG müüb muljetavaldavat WiFi-ühendusega LG InstaView Door-in-Door Smart-külmikut. Samsung, teine ​​ülemaailmne seadmetootja, toodab suurepärast RF23J9011SR 4-Door Flexi koos Power Cool funktsiooniga.

Kuid IBMi külmik (veel arendamisel) on erinev. Tegelikult väga erinev. See on ühe asja jaoks tohutu: 10 jalga pikk ja 6 jalga lai. Samuti on see kujuteldamatult külm, umbes 15 millikelvini ehk -459 Fahrenheiti, mis on külmem kui kosmoses. See on oma nime saanud ka James Bondi filmi Goldeneye järgi.

Suurim erinevus selle ja teie kaasaegse köögikülmiku vahel on aga selle kavandatud sisu. Ärge oodake sisseehitatud munahoidjat, köögiviljasahtleid ja ruumi hooajalise munakoogi jaoks. Selle asemel on see koduks maailma esimesele 1 miljoni kubitile kvantarvutile – kui see on samuti ehitatud.

"Kvantefektide ilmnemiseks tuleb [kvantarvutid] jahutada äärmiselt madalale temperatuurile," Jerry Chow, IBMi Quantum Hardware System Development direktor, rääkis Digital Trendsile. "Tegelikult nõuab kogu infrastruktuur, mis käib isegi ainult protsessori enda ümber, parajalt jahutust, eriti selle suurendamisel, eks?"

Just see suurendamisprotsess viis Chow ja tema meeskonna vältimatule järeldusele, et IBM külmutusärisse sisenemiseks oli tõesti vaja - vähemalt kui see puudutab oma kvantiteeti arvutid. Esiteks on praegusel jahutusvõimsusel piirang. Siis on probleeme selliste asjadega nagu vaakumi terviklikkuse säilitamine ja erinevate jahutamiseks vajalike komponentide kaalu tasakaalustamine. Arvutiteadlane Alan Kay ütles kunagi, et tarkvara tõsiseltvõetav ettevõte peaks ehitama ka oma riistvara. Võib-olla peaks selle kvantekvivalendina olema see, et kvantarvutisse tõsiselt suhtuv ettevõte ei peaks ehitama mitte ainult oma kvantarvutit, vaid ka oma külmiku selle majutamiseks.

"Kui teeme lihtsalt ümbriku tagumist skaleerimist, hakkate nägema, et mingil hetkel jääb see, mida saate kaubanduslikelt müüjatelt saada," ütles Chow. "Sa pead hakkama mõtlema, kuidas te sellest kaugemale jõuate?"

Mis teeb kvantarvutamise nii erinevaks ja ahvatlevaks?

IBMi superkülmik on mingil tasemel punane heeringas. See on natuke nagu uue uhke garaaži ehitamine teie tarnitavale Teslale. Muidugi, see uhke kaugjuhtimispuldiga garaažiuks, mille olete paigaldanud, on põnev, kuid see pole nii a põnev natuke. Selle analoogia kohaselt on uus Tesla Model S või Cybertruck IBMi kavandatud ühe miljoni kubitine kvant. Ja eeldusel, et IBM suudab selle plaanipäraselt ehitada, on see udune, enam kui maailma kõige keerukama külmiku vääriline.

Kvantarvutid pakkus esmakordselt välja 1980. aastatel Ameerika füüsik Paul Benioff, kuigi kvantmehaanika, millel need põhinevad, pärineb tagasi. kuni 1920. aastateni, mil füüsikud hakkasid märkama, et teatud katsed ei andnud tulemusi, mida nad olid ennustanud, kasutades oma praegust arusaama Füüsika. Richard Feynman, David Deutsch, Juri Manin ja teised võtsid kinni Turingi masina kvantmehaanilise mudeli ideest, soovitades et kvantarvutit saaks kasutada selliste asjade simuleerimiseks, mida lihtsalt ei saa klassikalise arvuti abil simuleerida, kasutades klassikalist Füüsika. 1994. aastal näitas Dan Simon, et kvantarvuti võib olla eksponentsiaalselt kiirem kui klassikaline arvuti.

Üks suuri erinevusi kvantidega on superpositsiooni mõiste. Klassikaline arvuti võib olla kas A või B olek (või binaarselt üks või null). Kvantarvuti võib olla nende kahe segu. (See on Schrödingeri kassi mõttekatse milles kassis olev kass võib olla kas elus, surnud või korraga elus ja surnud.) Siis on ka teisi mõisteid nagu kokkuvarisemine, ebakindlus ja takerdumine, mis muudavad kvantarvutid väga erinevaks nendest, milles teie ja mina üles kasvasime peal.

Samamoodi nagu klassikaline arvuti töötab bittidel, töötavad kvantarvutid nn kubitid. Praegu on IBMi praegusel suurimal kvantarvutil 65 kubitti. Aastaks 2023 soovib see ehitada 1000 kubiti. Ja millalgi pärast seda – kuupäeva, millele ettevõte ei pühendu, kuid mis on kindlasti tema tegevuskavas – ehitab ta 1 miljoni kubitise masina.

65 kubitilt miljoni kubitini hüppamine on üsna suur hüpe. Kuid andmetöötlus, isegi klassikaline andmetöötlus, osutub eksponentsiaalsete hüpete osas päris heaks. Moore'i seadus väidab, et trükkplaadile mahtuvate transistoride arv kahekordistub ligikaudu iga kahe aasta järel. Kõige lähedasem asi, mis kvantil Moore'i seadusele on, on see, mida nimetatakse Rose'i seaduseks, mille sõnastas Geordie Rose 2002. aastal. Rose'i seadus ütleb, et kubitite arv kvantarvutis kahekordistub iga paari aasta järel.

Võrreldes Moore'i seadusega on Rose'i seaduse tagajärjed vaieldamatult veelgi sügavamad, sest nagu Peter Diamandis ja Steven Kotler oma raamatus märgivad. Tulevik on kiirem, kui arvate: kuidas lähenevad tehnoloogiad muudavad äri, tööstust ja meie elu, on superpositsioonis olevatel kubitidel palju suurem võimsus kui transistoride binaarsetel bittidel.

Kuna "rohkem" ei ole alati võrdne "paremaga", põhineb üks IBMi selle mõiste kontseptuaalseid muudatusi nüansirikkamal kontseptsioonil, mida IBM nimetab kvantmahuks. "See ei seisne ainult kubitide füüsilise arvu skaleerimises, " ütles Chow. „Lõppkokkuvõttes puudutab see nii kubitide arvu kui ka seda, kui hästi need toimivad; kui suurt vooluringi saate selle riistvaraga tegelikult käivitada, enne kui kubitid dekohereeruvad ja teie kvantteave kaob. Kvantmaht on selline mõõdik.

Mida oodata, kui ootate kvantarvuteid?

"Kõik, mida me nimetame tõeliseks," ütles Niels Bohr, üks kvantmehaanika asutajatest, "on valmistatud asjadest, mida ei saa tõelisteks pidada." Arvestades kvantsuperpositsiooni eeldust, on võib-olla kohane, et kvantarvutid eksisteerivad tänapäeval kummalises hämaras maailmas ja mitte. siin. IBM on vaid üks ettevõtetest, kes on ehitanud toimivaid kvantarvuteid (Google, Baidu ja Amazon on mõned teised suured nimed). ka kvantalgoritmid - mõnel juhul sellised, mida ei saa veel tõhusalt käivitada inimeste ehitatud kvantarvutites.

Ja ometi, vaatamata kontseptsioonide ja põnevuse põhjuste tõenditele, on õiglane öelda, et maailm ei ole veel hakanud lähenema kvantarvutite tohutule võimsusele. "Mida [kvantarvutus] tegelike rakenduste osas endast kujutab, pole ikka veel täielikult teada, " ütles Chow.

Mõned põnevamad potentsiaalsed kasutusjuhtumid – olgu selleks siis arvutuskeemia või finants modelleerimine, küberjulgeolek ja krüptovaluuta või täiustatud prognoosimine – jääge kvantis kummitusteks masin. Praeguseks vähemalt.

Miks on IBM keskendunud kvantarvutamisele? "Meie keskendume sellele, kuidas me arvutamise tulevikku pakume, " ütles Chow. Kvant on selle tuleviku vältimatu osa.

Kvantarvuti on üks IBMi kolmest suurest panusest tulevikule. See tulevikutehnoloogiate püha kolmainsus koosneb kvantandmetöötlusest, tehisintellektist ja pilvest. Kuid need ei ole individuaalsed panused, nagu oleks juhul, kui investeeriksite oma säästud kolme paljutõotavasse idufirmasse, uskudes, et ühel neist kolmest on võimalus saada ükssarvik, mis korvab enam kui kõik kaotused, mida ülejäänud kaks.

Näiteks Quantum võib A.I jaoks mängu muuta. Pole kahtlust, et tehisintellekt – ja eriti masinõpe — on nautinud hämmastavaid edusamme klassikalise andmetöötlusarhitektuuri kasutamisel. Kuid kvant lubab asju veelgi kiirendada. Praeguste masinõppealgoritmide kvantversioonid (või tõenäolisemalt täiesti uued, palju kiiremad alternatiivid) suudavad teostada tohutuid andmepõhiseid AI. arvutused oluliselt kiiremini määra. Nad saavad hakkama hämmastava hulga dimensioonidega, mis tulenevad andmetest, ja kaardistavad need suures kvantfunktsiooni ruumis. Kvantpõimumist saab kasutada uute mustrite avastamiseks, mida traditsioonilise klassikalise andmetöötlusega ei saa avastada.

Hõljub kvantpilvel

Pilv on ka IBMi kvantpanuse oluline osa. Laias laastus oli klassikalise andmetöötluse populaarne areng üleminek suurarvutitelt miniarvutitele personaalarvutitele. 1950. aastatel oli inimestel juurdepääs tohututele arvutitele ainult suurtes konditsioneeriga ruumides. 1970. aastate lõpuks ja 80. aastateks olid inimestel kodudes arvutid. 1990. aastateks olid inimestel sülearvutid, mida nad võisid kotis kanda. Tänapäeval on meil arvutid nutitelefonide kujul, mida kanname taskus.

Tundub ebatõenäoline, et kvantarvutid kogevad kvantarvutile esitatavate nõuete (nt äärmuslik jahutus) tõttu samasugust vormimuutust.

"Seoses [füüsilise kvantarvutiga] töölaual võin ma eksida, kuid mulle pole selge, kas see nii läheb," ütles Chow. "Enamik teie ehitatud süsteeme, mis nõuavad sellist kvantsidususe taset, olgu see siis ülijuhtiv süsteem või lõksus olevad ioonid, kõik nõuavad nende hooldamiseks piisavat infrastruktuuri – ja eriti mastaabis üles."

Kuid siin tuleb pilti pilvandmetöötluse katkemine. Pilvandmetöötlus tähendab, et kasutajatel on juurdepääs superarvuti võimalustele olenemata sellest, kas nad asuvad samas füüsilises läheduses. Arvutusvõimsus või salvestusruum ei piirdu enam teie laual oleva riistvaraga, nagu see oli 20 aastat tagasi.

"Nii palju tehakse täna üle pilve [ja] inimesed ei pane seda isegi tähele," ütles Chow. „Mitu korda saavad inimesed aru, et midagi ei töödelda ise sülearvutid või oma telefonides, aga kuskil mujal? Nii hakkab quantum over the cloud toimima.

Mingil määral on see, kuidas kvantarvuti on juba töötavad. 2016. aasta mais käivitas IBM oma Kvantkogemus, viie kubitine kvantprotsessor ja ühendatud sobitussimulaator, mis võimaldab kasutajatel kvantarvutisüsteemis katseid teha. Praeguseks on IBM Quantum pilves juurutanud 32 kvantprotsessorit, kus üle 280 000 kasutaja kogu maailmas töötab üheskoos üle 1 miljardi kvantahela päevas. Kuna võimsamad kvantarvutid tehakse kättesaadavaks, on ka need kasutajatele pilve kaudu kättesaadavad.

"Teil on probleeme, mis lahendatakse loomulikult parimate tehnikate abil, mida me traditsioonilistes arvutites teame," ütles Chow. "Kuid siis on ka nende probleemide osi, mis on tänapäeval [isegi suure jõudlusega andmetöötlussüsteemidega] lahendamiseks liiga keerulised ja mis võivad sobida kvantarvutite jaoks."

Ei, te ei hakka peagi (kui üldse) oma Exceli tabelit kvantarvutis käivitama. Klassikalised arvutid saavad Exceli suurepäraselt käivitada. Kuid rakenduste osad võiksid kindlasti kasutada kvantvõimalusi, olgu selleks siis krüpteerimine või parem masinõpe. Võiks olla isegi mõni paeluvamalt kergemeelne näide. Näiteks, James Wootton, teine ​​IBMi insener, kasutab selleks kvantarvutust juhuslik maastiku genereerimine arvutimängudes. Kas olete kunagi unistanud mängust, mis suudab end iga kord, kui mängite kujuteldamatul määral ümber seadistada? Quantum on teie vastus.

Hübriidmudel

"Seda me mõtleme hübriidpilvearvutusmudeli all, " ütles Chow. "Teie probleemne töökoormus sisestatakse arvutisse ja õiged osad lähevad klassikalisele arvutile ja ülejäänud osad kvantarvutile. Siis tuleb lahendus välja. See on pilt, mida võite tulevikus ette kujutada. [Quantum is] ei asenda [klassikalisi arvuteid], kuid need töötavad kindlasti käsikäes.

IBM ei võta endale kohustust, millal ta oma miljoni kubitise arvuti täpselt tarnib – ega ka millal selle Goldeneye külmik valmis saab. Kuid tema veendumus, et kvantarvutus muudab mängu, on üsna selge.

Sees selle aasta alguses IBMi ajaveebi jaoks kirjutatud postitus, Jay Gambetta, IBM-i kaaslane ja kvantarvutite asepresident, võrdles IBMi järgmise põlvkonna kvantarvuteid Apollo missioonidega, mille tulemuseks oli Kuu maandumine. See on päris võrdlus. See võib olla ka täpne.

Siin aastal 2020, väljavaatega a noorkuu maandumine ahvatlevalt lähemal kui aastakümnete jooksul, kõlab see palju optimistlikuma võrdlusena, kui see võis olla isegi paar aastat tagasi. See peaks olema ootamist väärt.

Toimetajate soovitused

• AI võib värbamise pausi raames asendada IBMis umbes 7800 töökohta
• Ühendkuningriigi laboris, mis ühendab ajusid kvantarvutitega
• IBMi uus 127-kubitine protsessor on suur läbimurre kvantarvutuses
• Teadlased loovad kvantarvutite arendamisel "puuduva pusle".
• IBM-i president kinnitab, et kiibipuudus kestab veel paar aastat