IBM's ambitieuze Million-Qubit Quantum Computer Plan

IBM, een van de oudste technologiebedrijven ter wereld, bouwt een koelkast. Dat is op zichzelf niet ongekend. Andere technologiebedrijven hebben dat wel gedaan bouwde vroeger koelkasten. LG verkoopt de indrukwekkende, met Wi-Fi verbonden LG InstaView Door-in-Door Smart Fridge. Samsung, een andere wereldwijde apparaatfabrikant, maakt de uitstekende RF23J9011SR 4-Door Flex met Power Cool-functie.

Maar de koelkast van IBM (nog in ontwikkeling) is anders. Heel anders, eigenlijk. In één opzicht zal het enorm zijn: 3 meter hoog en 1,80 meter breed. Het zal ook onvoorstelbaar koud zijn, rond de 15 millikelvin, of -459 Fahrenheit, wat kouder is dan de ruimte. Het is ook vernoemd naar een James Bond-film, Goldeneye.

Het grootste verschil tussen deze koelkast en uw gewone keukenkoelkast is echter de geplande inhoud. Verwacht geen ingebouwde eierhouder, groenteladen en ruimte voor je seizoensadvocaat. In plaats daarvan zal het de thuisbasis worden van ‘s werelds eerste kwantumcomputer met een capaciteit van 1 miljoen qubit – zodra die ook gebouwd is.

“Om de kwantumeffecten te laten ontstaan, moeten [kwantumcomputers] worden afgekoeld tot extreem lage temperaturen,” Jerry Chow, directeur van Quantum Hardware System Development bij IBM, tegen Digital Trends. "In feite vereist de hele infrastructuur die eromheen draait, zelfs alleen de processor zelf, een behoorlijke hoeveelheid koeling, vooral als je deze opschaalt, toch?"

Het was dit schaalvergrotingsproces dat Chow en zijn team tot de onvermijdelijke conclusie bracht dat IBM echt nodig om in de koelbranche te stappen – tenminste als het om zijn eigen kwantum gaat computers. Om te beginnen is er een limiet aan de huidige koelcapaciteit. Dan zijn er problemen met zaken als het handhaven van de vacuümintegriteit en het balanceren van het gewicht van de verschillende componenten die nodig zijn voor koeling. De computerwetenschapper Alan Kay zei ooit dat het bedrijf dat serieus met software bezig is, ook zijn eigen hardware moet bouwen. Misschien zou het kwantumequivalent hiervan moeten zijn dat het bedrijf dat serieus bezig is met kwantumcomputing niet alleen zijn eigen kwantumcomputer moet bouwen, maar ook zijn eigen koelkast om deze in te huisvesten.

"Als we gewoon wat schaalvergroting doen, begin je in te zien dat wat je van de commerciële leveranciers kunt krijgen op een gegeven moment tekortschiet", zei Chow. “Je moet gaan nadenken over hoe je verder kunt gaan dan [dat]?”

Wat maakt quantum computing zo anders en zo aantrekkelijk?

De superkoelkast van IBM is in zekere zin een afleidingsmanoeuvre. Het lijkt een beetje op het bouwen van een mooie nieuwe garage voor de Tesla die je laat afleveren. Zeker, die mooie garagedeur met afstandsbediening die je hebt geïnstalleerd is spannend, maar dat is het niet de spannend stukje. In deze analogie is de nieuwe Tesla Model S of Cybertruck het geplande kwantum van één miljoen qubit van IBM. En als IBM hem volgens plan kan bouwen, zal het een doozy zijn, die de meest geavanceerde koelkast ter wereld meer dan waardig is.

Kwantumcomputers werden voor het eerst voorgesteld in de jaren tachtig door de Amerikaanse natuurkundige Paul Benioff, hoewel de kwantummechanica waarop ze zijn gebaseerd dateert uit de 19e eeuw. tot de jaren twintig, toen natuurkundigen begonnen op te merken dat bepaalde experimenten niet de resultaten opleverden die ze hadden voorspeld op basis van hun huidige kennis van natuurkunde. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin en anderen grepen het idee aan van een kwantummechanisch model van een Turing-machine en suggereerden dat een kwantumcomputer zou kunnen worden gebruikt om dingen te simuleren die eenvoudigweg niet kunnen worden gesimuleerd via een klassieke computer die klassiek gebruikt natuurkunde. In 1994 toonde Dan Simon aan dat een kwantumcomputer dat wel zou kunnen zijn exponentieel sneller dan een klassieke computer.

Een van de grote verschillen met kwantum is het concept van superpositie. Een klassieke computer kan de toestand A of B hebben (of, in binaire termen, één of nul). Een kwantumcomputer kan een combinatie van beide zijn. (Dat is de Het kattengedachtexperiment van Schrödinger waarin een kat in een doos zowel levend als dood kan zijn, of zowel levend als dood tegelijk.) Dan zijn er nog andere concepten zoals ineenstorting, onzekerheid en verstrengeling, waardoor kwantumcomputers heel anders zijn dan de computers waar jij en ik mee zijn opgegroeid op.

Net zoals een klassieke computer met bits werkt, werken kwantumcomputers met zogenaamde qubits. Momenteel beschikt de huidige grootste kwantumcomputer van IBM over 65 qubits. Tegen 2023 wil het er één bouwen met 1.000 qubits. En enige tijd daarna – een datum waar het bedrijf zich niet aan wil binden, maar die zeker op de routekaart staat – zal het een machine van 1 miljoen qubit bouwen.

De sprong van 65 qubits naar een miljoen qubits is een hele sprong. Maar computergebruik, zelfs klassiek computergebruik, blijkt behoorlijk goed te zijn als het gaat om exponentiële sprongen. De wet van Moore stelt dat het aantal transistors dat op een printplaat past ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Wat kwantum het dichtst in de buurt komt van de wet van Moore is wat de wet van Rose wordt genoemd, geformuleerd door Geordie Rose in 2002. De wet van Rose stelt dat het aantal qubits in een kwantumcomputer elke paar jaar verdubbelt.

Vergeleken met de wet van Moore zijn de implicaties van de wet van Rose aantoonbaar zelfs nog diepgaander omdat, zoals Peter Diamandis en Steven Kotler in hun boek opmerken De toekomst is sneller dan u denkt: hoe convergerende technologieën het bedrijfsleven, de industrie en ons leven transformerenhebben qubits in superpositie veel meer kracht dan de binaire bits in transistors.

Omdat ‘meer’ niet altijd gelijk staat aan ‘beter’, is een van IBM’s conceptuele aanpassingen aan dit idee gebaseerd op het genuanceerder concept van wat IBM kwantumvolume noemt. “Het gaat niet alleen om het schalen van het fysieke aantal qubits”, zegt Chow. “Uiteindelijk gaat het zowel om het aantal qubits als om hoe goed ze presteren; Hoe groot kun je een circuit eigenlijk op die hardware draaien voordat de qubits decoheren en je kwantuminformatie verdwijnt? Kwantumvolume is zo’n maatstaf.”

Wat u kunt verwachten als u kwantumcomputers verwacht

‘Alles wat we echt noemen’, zei Niels Bohr, een van de grondleggers van de kwantummechanica, ‘is gemaakt van dingen die niet als echt kunnen worden beschouwd.’ Gegeven het uitgangspunt van kwantumsuperpositie is het misschien passend dat kwantumcomputers tegenwoordig in een vreemde schemerwereld van hier bestaan ​​en niet hier. IBM is slechts een van de bedrijven die functionerende kwantumcomputers hebben gebouwd (Google, Baidu en Amazon zijn enkele van de andere grote namen). kwantumalgoritmen ook – in sommige gevallen, die nog niet effectief kunnen worden uitgevoerd op de kwantumcomputers die mensen hebben gebouwd.

En toch is het, ondanks alle bewijzen van concepten en redenen voor opwinding, eerlijk om te zeggen dat de wereld nog niet in de buurt is gekomen van het aanboren van de enorme kracht van quantum computing. “Wat [quantum computing] inhoudt in termen van daadwerkelijke toepassingen is nog steeds niet volledig bekend,” zei Chow.

Enkele van de meest opwindende potentiële gebruiksscenario’s – of het nu gaat om computationele chemie of financieel modellering, cyberbeveiliging en cryptocurrency, of geavanceerde prognoses – blijven geesten in het kwantum machine. Voor nu tenminste.

Waarom richt IBM zich op kwantumberekeningen? "Onze focus ligt op hoe we de toekomst van computergebruik vormgeven", zegt Chow. Quantum is een onvermijdelijk onderdeel van die toekomst.

Kwantumcomputing is een van IBM’s drie grote beloftes voor de toekomst. Deze heilige drie-eenheid van toekomstige technologieën bestaat uit quantum computing, kunstmatige intelligentie en de cloud. Maar dit zijn geen individuele weddenschappen zoals het geval zou zijn als u uw spaargeld zou investeren in drie veelbelovende startups. in de overtuiging dat een van de drie de kans heeft om een ​​eenhoorn te worden, die de eventuele verliezen van de drie ruimschoots zal compenseren andere twee.

Quantum zou bijvoorbeeld een game-changer kunnen zijn voor AI. Er bestaat geen twijfel dat kunstmatige intelligentie – en vooral: machinaal leren – heeft verbazingwekkende vooruitgang geboekt met behulp van klassieke computerarchitectuur. Maar quantum belooft de zaken nog meer te versnellen. Kwantumversies van huidige machine learning-algoritmen (of, waarschijnlijker, geheel nieuwe, veel sneller alternatieven) zullen enorme datagedreven A.I. berekeningen aanzienlijk sneller tarief. Ze zullen in staat zijn om met het verbijsterende aantal dimensies die voortkomen uit data om te gaan en deze in kaart te brengen in de grote kwantumfunctieruimte. Kwantumverstrengeling zou kunnen worden gebruikt om nieuwe patronen te ontdekken die met traditioneel klassiek computergebruik niet kunnen worden ontdekt.

Zwevend op de kwantumwolk

De cloud is ook een fundamenteel onderdeel van de kwantumweddenschap van IBM. In grote lijnen was de populaire ontwikkeling van het klassieke computergebruik een overgang van mainframes naar minicomputers naar personal computers. In de jaren vijftig hadden mensen alleen toegang tot enorme computers in grote kamers met airconditioning. Eind jaren zeventig en tachtig hadden mensen computers in huis. In de jaren negentig hadden mensen laptops die ze in hun tas konden dragen. Tegenwoordig hebben we computers in de vorm van smartphones die we in onze zakken dragen.

Het lijkt onwaarschijnlijk dat kwantumcomputers dezelfde verschuiving in vormfactor zullen ervaren als gevolg van de vereisten (zoals extreme koeling) voor een kwantumcomputer.

“Wat betreft het hebben van een fysieke kwantumcomputer op je bureau, kan ik het mis hebben, maar het is mij niet duidelijk dat dat het geval zal zijn”, zegt Chow. “De meeste systemen die je bouwt, vereisen dit niveau van kwantumcoherentie, of het nu een supergeleidend systeem is of gevangen ionen, ze vereisen allemaal behoorlijk wat infrastructuur om ze te onderhouden – en vooral als je opschaalt omhoog."

Maar dit is waar de disruptie van cloud computing in beeld komt. Cloud computing betekent dat gebruikers toegang hebben tot supercomputermogelijkheden, ongeacht of ze zich in dezelfde fysieke omgeving bevinden. Rekenkracht of opslag is niet langer beperkt tot de hardware die op uw bureau beschikbaar is zoals twintig jaar geleden.

“Tegenwoordig wordt er zoveel via de cloud gedaan [en] mensen merken het niet eens”, zegt Chow. “Hoe vaak realiseren mensen zich niet dat iets niet vanzelf wordt verwerkt laptops of op hun eigen telefoon, maar ergens anders? Dat is hoe quantum over the cloud gaat werken.”

Het is tot op zekere hoogte hoe quantum computing is al werken. In mei 2016 lanceerde IBM zijn Kwantumervaring, een kwantumprocessor van vijf qubit en een verbonden matching-simulator waarmee gebruikers experimenten kunnen uitvoeren op een kwantumcomputersysteem. Tot nu toe heeft IBM Quantum 32 kwantumprocessors in de cloud geïmplementeerd, waarbij ruim 280.000 gebruikers wereldwijd samen dagelijks meer dan 1 miljard kwantumcircuits gebruiken. Naarmate er krachtigere kwantumcomputers beschikbaar komen, zullen ook deze via de cloud toegankelijk zijn voor gebruikers.

"Je zult problemen krijgen die op natuurlijke wijze worden opgelost met behulp van de beste technieken die we kennen in traditionele computers", zei Chow. “Maar er zijn ook delen van deze problemen die tegenwoordig te complex zijn om op te lossen [met zelfs krachtige computersystemen] en die geschikt zouden kunnen zijn voor kwantumcomputers.”

Nee, u zult uw Excel-spreadsheet niet snel op een kwantumcomputer uitvoeren (of nooit). Klassieke computers kunnen prima Excel draaien. Maar delen van applicaties zouden zeker kwantummogelijkheden kunnen benutten, of het nu gaat om zaken als encryptie of beter machinaal leren. Er kunnen zelfs nog meer fascinerende frivole voorbeelden zijn. Bijvoorbeeld, James Wootton, een andere IBM-ingenieur, gebruikt hiervoor quantum computing willekeurige terreingeneratie binnen computerspellen. Heb je ooit gedroomd van een spel dat zichzelf volledig opnieuw kon configureren elke keer dat je het speelde, in een onvoorstelbare mate? Quantum is jouw antwoord.

Het hybridemodel

“Dit is wat we bedoelen met het hybride cloud-computermodel”, zegt Chow. “Je probleemwerklast wordt in een computer ingevoerd en de juiste onderdelen gaan naar een klassieke computer en de andere onderdelen gaan naar een kwantumcomputer. Dan komt er een oplossing. Dat is het beeld dat je je in de toekomst kunt voorstellen. [Quantum is] is geen vervanging [voor klassieke computers], maar ze zullen zeker hand in hand werken.”

IBM wil niet beloven wanneer het precies zijn miljoen qubit-computer zal leveren – of, wat dat betreft, wanneer zijn Goldeneye-koelkast klaar zal zijn. Maar het is vrij duidelijk over de overtuiging dat quantum computing een gamechanger zal zijn.

In een post geschreven voor de blog van IBM eerder dit jaarJay Gambetta, IBM fellow en vice-president van quantum computing, vergeleek de volgende generatie IBM-kwantumcomputers met de Apollo-missies die resulteerden in de maanlanding. Dat is nogal een vergelijking. Het kan ook accuraat zijn.

Hier in 2020, met het vooruitzicht op een nieuwe maanlanding verleidelijk dichterbij dan het in decennia is geweest, dat klinkt als een veel vrolijker vergelijking dan zelfs maar een paar jaar geleden. Het zou het wachten zeker waard moeten zijn.

Aanbevelingen van de redactie

• AI zou ongeveer 7.800 banen bij IBM kunnen vervangen als onderdeel van een aanwervingspauze
• In het Britse laboratorium dat hersenen verbindt met kwantumcomputers
• De nieuwe 127-qubit-processor van IBM is een grote doorbraak in quantum computing
• Onderzoekers creëren ‘ontbrekend puzzelstukje’ in de ontwikkeling van quantum computing
• IBM-president bevestigt dat het chiptekort nog ‘een paar jaar’ zal duren