IBMs ambisiøse million-Qubit Quantum Computer Plan

IBM, et av verdens eldste teknologiselskaper, bygger et kjøleskap. Det i seg selv er ikke enestående. Andre teknologiselskaper har bygde kjøleskap før. LG selger det imponerende Wi-Fi-tilkoblede LG InstaView Door-in-Door Smart Fridge. Samsung, en annen global enhetsprodusent, lager den utmerkede RF23J9011SR 4-dørs Flex med Power Cool-funksjon.

Men IBMs kjøleskap (fremdeles i utvikling) er annerledes. Veldig annerledes, faktisk. Det vil være enormt for én ting: 10 fot høy og 6 fot bred. Det vil også være ufattelig kaldt, rundt 15 millikelvin, eller -459 Fahrenheit, som er kaldere enn verdensrommet. Den er også oppkalt etter en James Bond-film, Goldeneye.

Den største forskjellen mellom det og det løpende kjøkkenkjøleskapet ditt er det planlagte innholdet. Ikke forvent en innebygd eggholder, grønnsaksskuffer og plass til sesongens eggedosis. I stedet kommer det til å være hjemmet til verdens første kvantedatamaskin på 1 million qubit - når den også er bygget.

"For at kvanteeffektene skal dukke opp, må [kvantedatamaskiner] kjøles ned til ekstremt lave temperaturer," Jerry Chow, direktør for Quantum Hardware System Development hos IBM, fortalte Digital Trends. "Faktisk krever all infrastrukturen som går rundt, selv bare selve prosessoren en god del kjøling, spesielt når du skalerer den opp, ikke sant?"

Det var denne oppskaleringsprosessen som førte Chow og teamet hans til den uunngåelige konklusjonen at IBM virkelig trengte å komme inn i kjølebransjen - i hvert fall når det kommer til sitt eget kvantum datamaskiner. For det første er det en grense for gjeldende kjølekapasitet. Så er det problemer med ting som å opprettholde vakuumintegritet og balansere vekten av de ulike komponentene som trengs for kjøling. Dataforskeren Alan Kay sa en gang at selskapet seriøst med programvare også burde bygge sin egen maskinvare. Kanskje kvanteekvivalenten til dette burde være at selskapet seriøst med kvantedatabehandling ikke bare bør bygge sin egen kvantedatamaskin, men sitt eget kjøleskap for å huse den.

"Hvis vi bare skalering baksiden av konvolutten, begynner du å se at det du kan få fra de kommersielle leverandørene på et tidspunkt kommer til kort," sa Chow. "Du må begynne å tenke på hvordan du presser utover [det]?"

Hva gjør kvanteberegning så annerledes, så tiltalende?

IBMs superkjøleskap er på et visst nivå en rød sild. Det er litt som å bygge en fancy ny garasje for Teslaen du har levert. Jada, den fancy fjernkontrollgarasjeporten du har installert er spennende – men det er den ikke de spennende litt. I denne analogien er den nye Tesla Model S eller Cybertruck IBMs planlagte kvante på én million qubit. Og forutsatt at IBM kan bygge det som planlagt, vil det være et dumt, mer enn verdig verdens mest sofistikerte kjøleskap.

Kvantedatamaskiner ble først foreslått på 1980-tallet av den amerikanske fysikeren Paul Benioff, selv om kvantemekanikken de er basert på dateres tilbake til 1920-tallet, da fysikere begynte å legge merke til at visse eksperimenter ikke ga resultatene de hadde spådd ved å bruke deres nåværende forståelse av fysikk. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin og andre grep ideen om en kvantemekanisk modell av en Turing-maskin, noe som antydet at en kvantedatamaskin kan brukes til å simulere ting som rett og slett ikke kan simuleres gjennom en klassisk datamaskin ved hjelp av klassisk fysikk. I 1994 viste Dan Simon at en kvantedatamaskin kunne være det eksponentielt raskere enn en klassisk datamaskin.

En av de store forskjellene med kvante er konseptet superposisjon. En klassisk datamaskin kan enten være en tilstand av A eller B (eller, i binære termer, en eller null). En kvantedatamaskin kan være en blanding av de to. (Det er Schrödingers kattetankeeksperiment der en katt i en boks kan være enten levende, død eller både levende og død samtidig.) Så er det andre konsepter som kollaps, usikkerhet og sammenfiltring, som gjør kvantedatamaskiner veldig forskjellige fra de du og jeg vokste opp på.

På samme måte som en klassisk datamaskin opererer på biter, opererer kvantedatamaskiner på det som omtales som qubits. For tiden har IBMs nåværende største kvantedatamaskin 65 qubits. Innen 2023 ønsker den å bygge en med 1000 qubits. Og en gang etter det – en dato selskapet ikke vil forplikte seg til, men som absolutt er på veikartet – vil det bygge en 1 million qubit-maskin.

Å hoppe fra 65 qubits til en million qubits er et stort sprang. Men databehandling, til og med klassisk databehandling, viser seg å være ganske bra når det kommer til eksponentielle sprang. Moores lov sier at antallet transistorer som kan passe inn på et kretskort dobles omtrent hvert annet år. Det nærmeste kvantumet kommer til Moores lov er det som omtales som Roses lov, formulert av Geordie Rose i 2002. Roses lov sier at antall qubits i en kvantedatamaskin dobles hvert par år.

Sammenlignet med Moores lov, er implikasjonene av Roses lov uten tvil enda mer dyptgripende fordi, som Peter Diamandis og Steven Kotler observerer i sin bok Fremtiden er raskere enn du tror: Hvordan konvergerende teknologier transformerer virksomhet, industri og livene våre, qubits i superposisjon har langt mer kraft enn de binære bitene i transistorer.

Fordi "mer" ikke alltid er lik "bedre", er en av IBMs konseptuelle justeringer av denne forestillingen basert på det mer nyanserte konseptet av det IBM kaller kvantevolum. "Det handler ikke bare om å skalere det fysiske antallet qubits," sa Chow. «Til slutt handler det om både antall qubits og hvor godt de presterer; hvor stor krets kan du faktisk kjøre på den maskinvaren før qubitene dekoherer og kvanteinformasjonen din forsvinner. Kvantevolum er en slik beregning."

Hva du kan forvente når du venter kvantedatamaskiner

"Alt vi kaller ekte," sa Niels Bohr, en av grunnfigurene innen kvantemekanikk, "er laget av ting som ikke kan betraktes som ekte." Gitt forutsetningen om kvantesuperposisjon, er det kanskje passende at kvantedatamaskiner i dag eksisterer i en merkelig skumringsverden her og ikke her. IBM er bare ett av selskapene som har bygget fungerende kvantedatamaskiner (Google, Baidu, er Amazon er noen av de andre store navnene.) Det er kvantealgoritmer også — i noen tilfeller, de som ennå ikke kan kjøres effektivt på kvantedatamaskinene folk har bygget.

Og likevel, for alle bevisene på konsepter og årsaker til spenning, er det rettferdig å si at verden ennå ikke har begynt å komme i nærheten av å utnytte den enorme kraften til kvanteberegning. "Hva [kvanteberegning] innebærer i form av faktiske applikasjoner er fortsatt ikke fullt kjent," sa Chow.

Noen av de mest spennende potensielle brukssakene - enten det er beregningskjemi, økonomisk modellering, cybersikkerhet og kryptovaluta, eller avansert prognose – forblir spøkelser i kvante maskin. For nå, i hvert fall.

Hvorfor er IBM fokusert på kvanteberegning? "Vårt fokus er på hvordan vi leverer fremtidens beregninger," sa Chow. Quantum er en uunngåelig del av den fremtiden.

Quantum computing er en av IBMs tre store innsatser for fremtiden. Denne hellige treenigheten av fremtidige teknologier består av kvantedatabehandling, kunstig intelligens og skyen. Men dette er ikke individuelle spill, slik tilfellet ville vært hvis du skulle investere sparepengene dine i tre lovende oppstarter, å tro at en av de tre har sjansen til å bli en enhjørning som vil mer enn oppveie eventuelle tap påført av to andre.

Quantum, for eksempel, kan være en game-changer for A.I. Det er ingen tvil om at kunstig intelligens - og mest spesifikt, maskinlæring — har hatt forbløffende fremskritt ved bruk av klassisk dataarkitektur. Men quantum lover å få fart enda mer. Kvanteversjoner av nåværende maskinlæringsalgoritmer (eller, mer sannsynlig, helt nye, mye raskere alternativer) vil kunne utføre enorme datadrevne A.I. beregninger på en betydelig raskere vurdere. De vil være i stand til å håndtere det forbløffende antallet dimensjoner som oppstår fra data og kartlegge dem i det store kvantefunksjonsrommet. Kvanteforviklinger kan brukes til å oppdage nye mønstre som ikke kan oppdages med tradisjonell klassisk databehandling.

Flyter på kvanteskyen

Skyen er også en grunnleggende del av IBMs kvantesatsing. Stort sett var den populære progresjonen av klassisk databehandling en overgang fra stormaskiner til minidatamaskiner til personlige datamaskiner. På 1950-tallet hadde folk bare tilgang til enorme datamaskiner i store rom med klimaanlegg. På slutten av 1970- og 80-tallet hadde folk datamaskiner i hjemmene sine. På 1990-tallet hadde folk bærbare datamaskiner de kunne ha med seg i vesken. I dag har vi datamaskiner i form av smarttelefoner som vi har i lommen.

Det virker usannsynlig at kvantedatamaskiner vil oppleve det samme skiftet i formfaktor på grunn av kravene (som ekstrem kjøling) for en kvantedatamaskin.

"Når det gjelder [å ha en fysisk kvantedatamaskin] på skrivebordet ditt, kan jeg ta feil, men det er ikke klart for meg at det vil være tilfelle," sa Chow. "De fleste av systemene du bygger som krever dette nivået av kvantekoherens, det være seg et superledende system eller fangede ioner, alle krever en god del infrastruktur for at du skal kunne vedlikeholde dem – og spesielt når du skalerer opp."

Men det er her forstyrrelsen av cloud computing kommer inn i bildet. Cloud computing betyr at brukere har tilgang til superdatamaskiner uavhengig av om de er i samme fysiske nærhet. Datakraft eller lagring er ikke lenger begrenset til maskinvaren som er tilgjengelig på skrivebordet ditt slik det var for 20 år siden.

"Så mye i dag gjøres over skyen [og] folk legger ikke engang merke til det," sa Chow. "Hvor mange ganger innser folk at noe ikke blir behandlet på egenhånd bærbare datamaskiner eller på sine egne telefoner, men et annet sted? Det er slik quantum over the cloud kommer til å fungere."

Det er til en viss grad hvordan kvanteberegning er allerede arbeider. I mai 2016 lanserte IBM sin Kvanteopplevelse, en fem-qubit kvanteprosessor og tilkoblet matchende simulator som lar brukere utføre eksperimenter på et kvantedatasystem. Til dags dato har IBM Quantum distribuert 32 kvanteprosessorer på skyen, med mer enn 280 000 brukere over hele verden som til sammen kjører oppover 1 milliard kvantekretser daglig. Etter hvert som kraftigere kvantedatamaskiner gjøres tilgjengelige, vil også disse være tilgjengelige for brukere via skyen.

"Du kommer til å få problemer som er naturlig løst ved å bruke de beste teknikkene vi kjenner i tradisjonelle datamaskiner," sa Chow. "Men så er det også deler av disse problemene som er for komplekse til å løse [med selv høyytelses datasystemer] i dag som kan være egnet for kvantedatamaskiner."

Nei, du kommer ikke til å kjøre Excel-regnearket på en kvantedatamaskin snart (hvis noen gang). Klassiske datamaskiner kan kjøre Excel helt fint. Men deler av applikasjoner kan absolutt utnytte kvantefunksjoner, enten det gjelder ting som kryptering eller bedre maskinlæring. Det kan til og med være noen mer fascinerende useriøse eksempler. For eksempel, James Wootton, en annen IBM-ingeniør, bruker kvanteberegning til å gjøre tilfeldig terrenggenerering innen dataspill. Har du noen gang drømt om et spill som totalt kan rekonfigurere seg selv hver gang du spiller i en ufattelig grad? Quantum er svaret ditt.

Hybridmodellen

"Dette er hva vi mener med den hybride skyberegningsmodellen," sa Chow. "Du vil ha problemarbeidet ditt som mates inn i en datamaskin og de riktige delene går til en klassisk datamaskin og de andre delene går til en kvantedatamaskin. Så kommer en løsning. Det er bildet du kan forestille deg i fremtiden. [Quantum is] er ikke en erstatning [for klassiske datamaskiner], men de vil absolutt fungere hånd i hånd."

IBM vil ikke forplikte seg til nøyaktig når den skal levere sin million qubit-datamaskin - eller for den saks skyld når Goldeneye-kjøleskapet vil være ferdig. Men det er ganske klart om dens tro på at kvantedatabehandling kommer til å bli en game-changer.

I en innlegg skrevet for IBMs blogg tidligere i år, Jay Gambetta, IBM-stipendiat og visepresident for kvantedatabehandling, sammenlignet neste generasjon IBM kvantedatamaskiner med Apollo-oppdragene som resulterte i månelandingen. Det er ganske sammenligningen. Det kan også være nøyaktig.

Her i 2020, med utsikter til en nymånelanding fristende nærmere enn det har vært på flere tiår, det høres ut som en langt mer optimistisk sammenligning enn det kunne vært for bare noen få år siden. Det burde være vel verdt ventetiden.

Redaktørenes anbefalinger

• AI kan erstatte rundt 7800 jobber hos IBM som en del av en ansettelsespause
• Inne i U.K. laboratoriet som kobler hjerner til kvantedatamaskiner
• IBMs nye 127-qubit-prosessor er et stort gjennombrudd innen kvantedatabehandling
• Forskere lager "manglende stikksag" i utviklingen av kvantedatabehandling
• IBM-president bekrefter at brikkemangelen vil vare «noen år» til