IBM: n kunnianhimoinen miljoonan kubitin kvanttitietokonesuunnitelma

IBM, yksi maailman vanhimmista teknologiayrityksistä, rakentaa jääkaappia. Se ei sinänsä ole ennenkuulumatonta. Muilla teknologiayrityksillä on ennen rakennettu jääkaappeja. LG myy vaikuttavaa Wi-Fi-yhteydellä toimivaa LG InstaView Door-in-Door -älyjääkaappia. Samsung, toinen maailmanlaajuinen laitevalmistaja, valmistaa erinomaisen RF23J9011SR 4-Door Flexin Power Cool -ominaisuudella.

Mutta IBM: n jääkaappi (vielä kehitysvaiheessa) on erilainen. Itse asiassa hyvin erilainen. Se on valtava yhden asian vuoksi: 10 jalkaa korkea ja 6 jalkaa leveä. Se on myös käsittämättömän kylmä, noin 15 millikelviniä tai -459 Fahrenheitia, mikä on kylmempää kuin ulkoavaruus. Se on myös nimetty James Bond -elokuvan Goldeneye mukaan.

Suurin ero sen ja keittiön jääkaapin välillä on kuitenkin sen suunniteltu sisältö. Älä odota sisäänrakennettua munatelinettä, vihanneslaatikoita ja tilaa sesonkimunakoruille. Sen sijaan se on koti maailman ensimmäiselle 1 miljoonan kubitin kvanttitietokoneelle – kun sekin on rakennettu.

"Jotta kvanttiefektit ilmaantuvat, [kvanttitietokoneet] on jäähdytettävä erittäin alhaisiin lämpötiloihin." Jerry Chow, IBM: n Quantum Hardware System Developmentin johtaja kertoi Digital Trendsille. "Itse asiassa kaikki infrastruktuuri, joka kiertää jopa vain prosessoria, vaatii melkoisen jäähdytyksen, varsinkin kun sitä skaalataan, eikö niin?"

Juuri tämä skaalausprosessi johti Chown ja hänen tiiminsä väistämättömään johtopäätökseen, että IBM todella tarvitsi päästä jäähdytysalalle - ainakin mitä tulee sen omaan määrään tietokoneita. Ensinnäkin nykyisellä jäähdytysteholla on raja. Sitten on ongelmia esimerkiksi tyhjiön eheyden ylläpitämisessä ja jäähdytykseen tarvittavien eri komponenttien painon tasapainottamisessa. Tietojenkäsittelytieteilijä Alan Kay sanoi kerran, että ohjelmistoihin vakavasti suhtautuvan yrityksen tulisi myös rakentaa oma laitteistonsa. Ehkä tämän kvanttivastineena pitäisi olla se, että kvanttilaskentaan vakavasti suhtautuvan yrityksen ei pitäisi rakentaa vain omaa kvanttitietokonettaan, vaan myös oma jääkaappi sen sijoittamiseksi.

"Jos teemme vain kirjekuoren takaosan skaalausta, alat nähdä, että jossain vaiheessa se, mitä voit saada kaupallisilta myyjiltä, ​​jää alle", Chow sanoi. "Sinun täytyy alkaa miettiä, kuinka pääset [tämän] pidemmälle?"

Mikä tekee kvanttilaskennasta niin erilaisen, niin houkuttelevan?

IBM: n superjääkaappi on jollain tasolla punainen silli. Se on vähän kuin uuden hienon autotallin rakentaminen toimittamallesi Teslalle. Toki, tuo asentamasi hieno kauko-ohjattava autotallin ovi on jännittävä – mutta se ei ole the jännittävää vähän. Tässä analogiassa uusi Tesla Model S tai Cybertruck on IBM: n suunnittelema miljoonan kubitin kvantti. Ja jos IBM pystyy rakentamaan sen suunnitellusti, siitä tulee umpikuja, joka on enemmän kuin maailman hienostuneimman jääkaapin arvoinen.

Kvanttitietokoneita ehdotti ensimmäisen kerran 1980-luvulla amerikkalainen fyysikko Paul Benioff, vaikka kvanttimekaniikka, johon ne perustuvat, ovat peräisin. 1920-luvulle, jolloin fyysikot alkoivat huomata, että tietyt kokeet eivät tuottaneet tuloksia, joita he olivat ennustaneet nykyisen ymmärryksensä perusteella. fysiikka. Richard Feynman, David Deutsch, Juri Manin ja muut tarttuivat ajatukseen Turingin koneen kvanttimekaanisesta mallista ja ehdottivat että kvanttitietokonetta voitaisiin käyttää simuloimaan asioita, joita ei yksinkertaisesti voida simuloida klassisen tietokoneen avulla klassista tietokonetta käyttäen fysiikka. Vuonna 1994 Dan Simon osoitti, että kvanttitietokone voisi olla eksponentiaalisesti nopeampi kuin klassinen tietokone.

Yksi suurimmista eroista kvantin kanssa on superpositiokäsite. Klassinen tietokone voi olla joko A: n tai B: n tila (tai binäärisesti yksi tai nolla). Kvanttitietokone voi olla näiden kahden sekoitus. (Se on Schrödingerin kissan ajatuskoe jossa kissa laatikossa voi olla joko elävä, kuollut tai sekä elävä että kuollut samanaikaisesti.) Sitten on muita käsitteitä kuten romahtaminen, epävarmuus ja sotkeutuminen, jotka tekevät kvanttitietokoneista hyvin erilaisia ​​kuin niistä, joissa sinä ja minä kasvoimme päällä.

Samalla tavalla kuin klassinen tietokone toimii biteillä, kvanttitietokoneet toimivat kubiteilla. Tällä hetkellä IBM: n suurimmassa kvanttitietokoneessa on 65 kubittia. Vuoteen 2023 mennessä se haluaa rakentaa sellaisen, jossa on 1 000 kubittia. Ja joskus sen jälkeen – päivämäärä, johon yritys ei sitoutu, mutta joka on varmasti sen tiekartalla – se rakentaa miljoonan kubitin koneen.

Hyppääminen 65 kubitista miljoonaan kubitiin on melkoinen harppaus. Mutta tietojenkäsittely, jopa klassinen tietojenkäsittely, osoittautuu melko hyväksi eksponentiaalisten harppauksien suhteen. Mooren laki toteaa, että piirilevylle mahtuvien transistorien määrä kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein. Lähin asia, joka kvantilla on Mooren lakia, on se, jota kutsutaan Rosen laiksi, jonka Geordie Rose muotoili vuonna 2002. Rosen lain mukaan kvanttitietokoneen kubittien määrä kaksinkertaistuu parin vuoden välein.

Verrattuna Mooren lakiin Rosen lain vaikutukset ovat luultavasti vieläkin syvällisempiä, koska kuten Peter Diamandis ja Steven Kotler huomauttavat kirjassaan Tulevaisuus on nopeampi kuin luulet: kuinka lähentyvät tekniikat muuttavat liiketoimintaa, toimialoja ja elämäämme, superpositiossa olevilla kubiteilla on paljon enemmän tehoa kuin transistoreiden binääribiteillä.

Koska "enemmän" ei aina tarkoita "parempaa", yksi IBM: n käsitteellisistä parannuksista tähän käsitteeseen perustuu vivahteikkaampiin käsitteisiin siitä, mitä IBM kutsuu kvanttivolyymiksi. "Kyse ei ole vain kubittien fyysisen määrän skaalaamisesta", Chow sanoi. "Loppujen lopuksi kyse on sekä kubittien määrästä että niiden suorituskyvystä; kuinka suuren piirin voit itse ajaa kyseisellä laitteistolla ennen kuin kubitit hajoavat ja kvanttitietosi katoavat. Kvanttitilavuus on sellainen mittari."

Mitä odottaa, kun odotat kvanttitietokoneita

"Kaikki, mitä kutsumme todelliseksi", sanoi Niels Bohr, yksi kvanttimekaniikan perustajista, "on tehty asioista, joita ei voida pitää todellisina." Kvanttisuperpositiota huomioon ottaen on kenties sopivaa, että kvanttitietokoneet ovat nykyään olemassa oudossa hämärässä täällä eikä tässä. IBM on vain yksi niistä yrityksistä, jotka ovat rakentaneet toimivia kvanttitietokoneita (Google, Baidu, Amazon ovat joitain muita suuria nimiä). myös kvanttialgoritmit - joissakin tapauksissa sellaisia, joita ei vielä voida käyttää tehokkaasti ihmisten rakentamilla kvanttitietokoneilla.

Ja silti, kaikista todisteista käsitteistä ja jännityksen syistä, on reilua sanoa, että maailma ei ole vielä alkanut päästä lähelle kvanttilaskennan valtavan voiman hyödyntämistä. "Mitä [kvanttilaskenta] sisältää todellisten sovellusten kannalta, ei ole vielä täysin tiedossa", Chow sanoi.

Jotkut jännittävimmistä mahdollisista käyttötapauksista – olipa kyseessä laskennallinen kemia tai taloudellinen mallinnus, kyberturvallisuus ja kryptovaluutta tai edistynyt ennustaminen – jää haamuiksi kvantissa kone. Ainakin toistaiseksi.

Miksi IBM keskittyy kvanttilaskentaan? "Keskitymme siihen, kuinka toimitamme laskennan tulevaisuuden", Chow sanoi. Kvantti on väistämätön osa tuota tulevaisuutta.

Kvanttilaskenta on yksi IBM: n kolmesta suuresta panoksesta tulevaisuutta varten. Tämä tulevaisuuden teknologioiden pyhä kolminaisuus koostuu kvanttilaskennasta, tekoälystä ja pilvestä. Mutta nämä eivät ole yksittäisiä vetoja, kuten jos sijoittaisit säästösi kolmeen lupaavaan startupiin, uskoen, että yhdestä kolmesta on mahdollisuus tulla yksisarviseksi, joka enemmän kuin kompensoi kaikki sen aiheuttamat menetykset kaksi muuta.

Esimerkiksi Quantum voisi olla pelin muuttaja A.I: lle. Ei ole epäilystäkään siitä, että tekoäly – ja erityisesti koneoppiminen — on nauttinut hämmästyttävästä edistyksestä klassisen laskenta-arkkitehtuurin avulla. Mutta kvantti lupaa nopeuttaa asioita entisestään. Nykyisten koneoppimisalgoritmien kvanttiversiot (tai todennäköisemmin täysin uudet, paljon nopeammat vaihtoehdot) pystyy suorittamaan valtavia datalähtöisiä A.I. laskelmat huomattavasti nopeammin korko. He pystyvät käsittelemään tiedosta syntyvän hämmentävän määrän ulottuvuuksia ja kartoittaa ne suuressa kvanttiominaisuusavaruudessa. Kvanttisidonnan avulla voitaisiin löytää uusia kuvioita, joita ei voida löytää perinteisellä klassisella tietojenkäsittelyllä.

Kelluu kvanttipilvessä

Pilvi on myös olennainen osa IBM: n kvanttivetoa. Yleisesti ottaen klassisen tietojenkäsittelyn suosittu edistysaskel oli siirtyminen keskustietokoneista minitietokoneisiin henkilökohtaisiin tietokoneisiin. 1950-luvulla ihmisillä oli pääsy valtaviin tietokoneisiin vain suurissa, ilmastoiduissa huoneissa. 1970-luvun lopulla ja 80-luvulla ihmisillä oli tietokoneita kodeissaan. 1990-luvulla ihmisillä oli kannettavia tietokoneita, joita he saattoivat kantaa laukuissaan. Nykyään meillä on älypuhelimien muodossa olevia tietokoneita taskuissamme.

Vaikuttaa epätodennäköiseltä, että kvanttitietokoneet kokisivat saman muotokertoimen muutoksen kvanttitietokoneen vaatimusten (kuten äärimmäisen jäähdytyksen) vuoksi.

"Kun tulee [fyysinen kvanttitietokone] työpöydälläsi, voin olla väärässä, mutta minulle ei ole selvää, että näin on", Chow sanoi. "Suurin osa rakentamistasi järjestelmistä, jotka vaativat tämän tason kvanttikoherenssia, olipa kyseessä suprajohtava järjestelmä tai loukkuun jääneet ionit, kaikki vaativat melkoisen infrastruktuurin ylläpitääksesi niitä – ja varsinkin kun mittaat ylös.”

Mutta tässä tulee kuvaan pilvipalveluiden häiriöt. Pilvilaskenta tarkoittaa, että käyttäjillä on pääsy supertietokoneiden ominaisuuksiin riippumatta siitä, ovatko he samassa fyysisessä läheisyydessä. Laskentateho tai tallennustila ei enää rajoitu työpöydälläsi olevaan laitteistoon samalla tavalla kuin 20 vuotta sitten.

"Nykyään tehdään niin paljon pilven päällä [eivätkä] ihmiset edes huomaa", Chow sanoi. "Kuinka monta kertaa ihmiset ymmärtävät, että jotain ei käsitellä itsestään kannettavat tietokoneet tai omilla puhelimillaan, mutta jossain muualla? Näin quantum over the cloud tulee toimimaan."

Se on jossain määrin sitä, kuinka kvanttilaskenta on jo työskentelee. Toukokuussa 2016 IBM lanseerasi sen Kvanttikokemus, viiden kubitin kvanttiprosessori ja yhdistetty sovitussimulaattori, jonka avulla käyttäjät voivat suorittaa kokeita kvanttitietokonejärjestelmässä. Tähän mennessä IBM Quantum on ottanut käyttöön 32 kvanttiprosessoria pilvessä, ja yli 280 000 käyttäjää ympäri maailmaa käyttää yhdessä yli miljardia kvanttipiiriä päivittäin. Kun tehokkaampia kvanttitietokoneita tulee saataville, myös ne ovat käyttäjien käytettävissä pilven kautta.

"Sinulla tulee olemaan ongelmia, jotka ratkaistaan ​​luonnollisesti käyttämällä parhaita tekniikoita, jotka tunnemme perinteisissä tietokoneissa", Chow sanoi. "Mutta sitten on myös osia näistä ongelmista, jotka ovat liian monimutkaisia ​​ratkaistaviksi [jopa korkean suorituskyvyn laskentajärjestelmillä] nykyään ja jotka saattavat sopia kvanttitietokoneille."

Ei, et käytä Excel-laskentataulukkoasi kvanttitietokoneessa lähiaikoina (jos koskaan). Klassiset tietokoneet voivat käyttää Exceliä hienosti. Mutta osa sovelluksista voisi varmasti hyödyntää kvanttiominaisuuksia, olipa kyse sitten salauksesta tai paremmasta koneoppimisesta. Voisi olla jopa kiehtovamman kevytmielisiä esimerkkejä. Esimerkiksi, James Wootton, toinen IBM: n insinööri, käyttää kvanttilaskentaa tehdäkseen satunnainen maastosukupolvi tietokonepeleissä. Oletko koskaan haaveillut pelistä, joka voisi konfiguroida itsensä täysin uudelleen joka kerta kun pelaat käsittämättömässä määrin? Quantum on vastauksesi.

Hybridi malli

"Tätä tarkoitamme hybridipilvilaskentamallilla", Chow sanoi. ”Sinulla on ongelmatyökuormasi, joka syötetään tietokoneeseen ja oikeat osat menevät klassiseen tietokoneeseen ja muut osat kvanttitietokoneeseen. Sitten tulee ratkaisu. Se on kuva, jonka voit kuvitella tulevaisuudessa. [Quantum is] ei korvaa [klassisia tietokoneita], mutta ne varmasti toimivat käsi kädessä."

IBM ei sitoudu siihen, milloin se tarkalleen toimittaa miljoonan kubitin tietokoneensa - tai milloin sen Goldeneye-jääkaappi valmistuu. Mutta se on melko selvä sen uskomuksesta, että kvanttilaskenta tulee olemaan pelin muuttaja.

Jonkin sisällä IBM: n blogiin aiemmin tänä vuonna kirjoitettu viestiJay Gambetta, IBM: n stipendiaatti ja kvanttilaskennan varatoimitusjohtaja, vertasi seuraavan sukupolven IBM: n kvanttitietokoneita Apollo-tehtäviin, jotka johtivat kuuhun laskeutumiseen. Se on melkoinen vertailu. Se voi myös olla tarkka.

Täällä vuonna 2020, jossa on mahdollisuus a laskeutuminen uuteen kuuhun kiehtovan lähempänä kuin se on ollut vuosikymmeniin, mikä kuulostaa paljon iloisemmalta vertailulta kuin se saattoi olla vielä muutama vuosi sitten. Sen pitäisi olla odottamisen arvoista.

Toimittajien suositukset

• Tekoäly voisi korvata noin 7 800 työpaikkaa IBM: llä osana rekrytointitaukoa
• Iso-Britannian laboratoriossa, joka yhdistää aivot kvanttitietokoneisiin
• IBM: n uusi 127 qubit prosessori on suuri läpimurto kvanttilaskennassa
• Tutkijat luovat "puuttuvan palapelin" kvanttilaskentaa kehittäessään
• IBM: n puheenjohtaja vahvistaa, että sirupula kestää "muutaman vuoden" pidempään