Ambitny plan komputera kwantowego IBM na milion kubitów

IBM, jedna z najstarszych firm technologicznych na świecie, buduje lodówkę. To samo w sobie nie jest czymś niespotykanym. Inne firmy technologiczne tak mają budowaliśmy wcześniej lodówki. Firma LG sprzedaje imponującą inteligentną lodówkę LG InstaView Door-in-Door z łącznością Wi-Fi. Samsung, kolejny globalny producent urządzeń, produkuje doskonały 4-drzwiowy Flex RF23J9011SR z funkcją Power Cool.

Ale lodówka IBM (wciąż w fazie rozwoju) jest inna. Właściwie bardzo różne. Będzie ogromny z jednego powodu: 10 stóp wysokości i 6 stóp szerokości. Będzie także niewyobrażalnie zimno, około 15 milikelwinów, czyli -459 Fahrenheita, czyli zimniej niż w przestrzeni kosmicznej. Jego nazwa pochodzi również od filmu o Jamesie Bondzie, Goldeneye.

Jednak największą różnicą między nią a zwykłą lodówką kuchenną jest jej zaplanowana zawartość. Nie spodziewaj się wbudowanego pojemnika na jajka, szuflad na warzywa i miejsca na sezonowy ajerkoniak. Zamiast tego stanie się domem dla pierwszego na świecie komputera kwantowego o pojemności 1 miliona kubitów – gdy on również zostanie zbudowany.

„Aby pojawiły się efekty kwantowe, [komputery kwantowe] muszą zostać schłodzone do ekstremalnie niskich temperatur” – Jerry Chow, dyrektor działu Quantum Hardware System Development w IBM, powiedział Digital Trends. „Właściwie cała infrastruktura, w której się znajduje, nawet sam procesor, wymaga sporej ilości chłodzenia, zwłaszcza przy zwiększaniu skali, prawda?”

To właśnie ten proces zwiększania skali doprowadził Chowa i jego zespół do nieuniknionego wniosku, że IBM naprawdę potrzebne, aby zająć się branżą chłodniczą — przynajmniej jeśli chodzi o jej wielkość komputery. Po pierwsze, istnieje ograniczenie bieżącej wydajności chłodzenia. Następnie pojawiają się problemy z utrzymaniem integralności próżni i zrównoważeniem ciężaru różnych komponentów potrzebnych do chłodzenia. Informatyk Alan Kay powiedział kiedyś, że firma poważnie myśląca o oprogramowaniu powinna także budować własny sprzęt. Być może kwantowym odpowiednikiem powinno być to, że firma poważnie podchodząca do obliczeń kwantowych powinna nie tylko zbudować własny komputer kwantowy, ale także własną lodówkę, w której będzie on przechowywany.

„Jeśli po prostu przeprowadzimy skalowanie od tyłu koperty, zaczniesz widzieć, że w pewnym momencie to, co można uzyskać od dostawców komercyjnych, przestaje wystarczać” – powiedział Chow. „Musisz zacząć myśleć o tym, jak wyjść poza to?”

Co sprawia, że ​​obliczenia kwantowe są tak inne i tak atrakcyjne?

Super lodówka IBM to w pewnym sensie czerwony śledź. To trochę jak budowanie nowego, fantazyjnego garażu dla dostarczonej Tesli. Jasne, ta fantazyjna brama garażowa sterowana pilotem, którą zainstalowałeś, jest ekscytująca – ale tak nie jest the ekscytujący kawałek. W tej analogii nowy Tesla Model S lub Cybertruck to planowany przez IBM kwant o wartości miliona kubitów. I pod warunkiem, że IBM zbuduje ją zgodnie z planem, będzie to niezła lodówka, więcej niż godna najbardziej wyrafinowanej lodówki na świecie.

Komputery kwantowe zostały po raz pierwszy zaproponowane w latach 80. XX wieku przez amerykańskiego fizyka Paula Benioffa, chociaż mechanika kwantowa, na której się opierają, sięga czasów wstecz aż do lat dwudziestych XX wieku, kiedy fizycy zaczęli zauważać, że niektóre eksperymenty nie dały wyników, które przewidywali na podstawie swojego obecnego rozumienia zjawisk fizyka. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin i inni podchwycili ideę kwantowo-mechanicznego modelu maszyny Turinga, sugerując że komputer kwantowy może zostać użyty do symulacji rzeczy, których po prostu nie da się zasymulować za pomocą klasycznego komputera fizyka. W 1994 roku Dan Simon pokazał, że komputer kwantowy może tak być wykładniczo szybciej niż klasyczny komputer.

Jedną z dużych różnic w stosunku do kwantu jest koncepcja superpozycji. Klasyczny komputer może znajdować się w stanie A lub B (lub, w ujęciu binarnym, jeden lub zero). Komputer kwantowy może być połączeniem tych dwóch. (To jest Eksperyment myślowy z kotem Schrödingera w którym kot w pudełku może być albo żywy, martwy, albo żywy i martwy jednocześnie.) Są jeszcze inne koncepcje takie jak załamanie, niepewność i splątanie, które sprawiają, że komputery kwantowe bardzo różnią się od tych, które ty i ja dorastaliśmy NA.

W ten sam sposób, w jaki klasyczny komputer operuje na bitach, komputery kwantowe działają na tak zwanych kubitach. Obecnie największy komputer kwantowy IBM ma 65 kubitów. Do 2023 roku chce zbudować taki, który będzie miał 1000 kubitów. A jakiś czas później – w terminie, do którego firma nie zobowiąże się, ale który z pewnością jest w jej planie działania – zbuduje maszynę o pojemności 1 miliona kubitów.

Przeskok z 65 kubitów do miliona kubitów to duży skok. Ale obliczenia, nawet klasyczne, okazują się całkiem niezłe, jeśli chodzi o skoki wykładnicze. Prawo Moore'a stwierdza, że ​​liczba tranzystorów, które można zmieścić na płytce drukowanej, podwaja się co około dwa lata. Najbliższą prawu Moore’a kwantowość jest tzw. prawo Rose’a, sformułowane przez Geordiego Rose’a w 2002 roku. Prawo Rose’a mówi, że liczba kubitów w komputerze kwantowym podwaja się co kilka lat.

W porównaniu z prawem Moore’a implikacje prawa Rose’a są prawdopodobnie jeszcze głębsze, ponieważ – jak zauważają Peter Diamandis i Steven Kotler w swojej książce Przyszłość jest szybsza niż myślisz: jak konwergentne technologie zmieniają biznes, branże i nasze życie, kubity w superpozycji mają znacznie większą moc niż bity binarne w tranzystorach.

Ponieważ „więcej” nie zawsze oznacza „lepiej”, jedna z koncepcyjnych poprawek IBM do tego pojęcia opiera się na bardziej zniuansowanej koncepcji tego, co IBM nazywa objętością kwantową. „Nie chodzi tylko o skalowanie fizycznej liczby kubitów” – powiedział Chow. „Ostatecznie chodzi zarówno o liczbę kubitów, jak i o ich działanie; jak duży obwód można faktycznie uruchomić na tym sprzęcie, zanim kubity ulegną dekoherencji i informacja kwantowa zniknie. Objętość kwantowa jest takim miernikiem.”

Czego się spodziewać, jeśli spodziewasz się komputerów kwantowych

„Wszystko, co nazywamy rzeczywistym” – powiedział Niels Bohr, jedna z założycieli mechaniki kwantowej – „składa się z rzeczy, których nie można uznać za rzeczywiste”. Biorąc pod uwagę założenie superpozycji kwantowej, być może właściwe jest, aby dzisiejsze komputery kwantowe istniały w dziwnym, mrocznym świecie, a nie Tutaj. IBM to tylko jedna z firm, która zbudowała działające komputery kwantowe (Google, Baidu, Amazon to tylko niektóre z innych wielkich nazwisk). Istnieją algorytmy kwantowe też — w niektórych przypadkach takich, których nie można jeszcze skutecznie uruchomić na zbudowanych przez ludzi komputerach kwantowych.

A jednak pomimo całego dowodu słuszności koncepcji i powodów do ekscytacji, można śmiało powiedzieć, że świat nie zaczął jeszcze zbliżać się do wykorzystania ogromnej mocy obliczeń kwantowych. „To, co wiąże się z [obliczeniami kwantowymi] w kontekście rzeczywistych zastosowań, wciąż nie jest w pełni znane” – powiedział Chow.

Niektóre z najbardziej ekscytujących potencjalnych przypadków użycia – niezależnie od tego, czy jest to chemia obliczeniowa, czy finanse modelowanie, cyberbezpieczeństwo i kryptowaluta czy zaawansowane prognozowanie – pozostają duchami kwantowymi maszyna. Przynajmniej na razie.

Dlaczego IBM koncentruje się na obliczeniach kwantowych? „Koncentrujemy się na tym, jak zapewnić przyszłość obliczeń” – powiedział Chow. Kwant jest nieuniknioną częścią tej przyszłości.

Obliczenia kwantowe to jeden z trzech najważniejszych założeń IBM na przyszłość. Na tę świętą trójcę technologii przyszłości składają się obliczenia kwantowe, sztuczna inteligencja i chmura. Ale to nie są pojedyncze zakłady, jak miałoby to miejsce, gdybyś zainwestował swoje oszczędności w trzy obiecujące startupy, wierząc, że jeden z tej trójki ma szansę stać się jednorożcem, co z nadwyżką zrekompensuje wszelkie straty poniesione przez pozostałe dwa.

Na przykład Quantum może zmienić reguły gry w dziedzinie sztucznej inteligencji. Nie ma wątpliwości, że sztuczna inteligencja – a w szczególności nauczanie maszynowe — dokonał zadziwiających postępów, korzystając z klasycznej architektury obliczeniowej. Ale technologia kwantowa obiecuje jeszcze bardziej przyspieszyć działanie. Kwantowe wersje obecnych algorytmów uczenia maszynowego (lub, co bardziej prawdopodobne, całkowicie nowe, znacznie szybsze alternatywy) będą w stanie przeprowadzić ogromną sztuczną inteligencję opartą na danych. obliczenia znacznie szybciej wskaźnik. Będą w stanie poradzić sobie z zadziwiającą liczbą wymiarów wynikających z danych i zmapować je w dużej przestrzeni cech kwantowych. Splątanie kwantowe można wykorzystać do odkrycia nowych wzorców, których nie da się odkryć za pomocą tradycyjnego, klasycznego przetwarzania komputerowego.

Unoszący się w chmurze kwantowej

Chmura jest również podstawową częścią rozwiązania kwantowego IBM. Ogólnie rzecz biorąc, popularny postęp w klasycznym przetwarzaniu komputerowym polegał na przejściu od komputerów typu mainframe przez minikomputery do komputerów osobistych. W latach pięćdziesiątych ludzie mieli dostęp do ogromnych komputerów jedynie w dużych, klimatyzowanych pomieszczeniach. Pod koniec lat 70. i 80. ludzie mieli komputery w swoich domach. W latach 90. ludzie mieli laptopy, które można było nosić w torbie. Dziś mamy komputery w postaci smartfonów, które nosimy w kieszeni.

Wydaje się mało prawdopodobne, aby w komputerach kwantowych doszło do takiej samej zmiany kształtu ze względu na wymagania (takie jak ekstremalne chłodzenie) stawiane komputerom kwantowym.

„Jeśli chodzi o [fizyczny komputer kwantowy] na biurku, mogę się mylić, ale nie jest dla mnie jasne, czy tak właśnie będzie” – powiedział Chow. „Większość budowanych systemów, które wymagają takiego poziomu spójności kwantowej, niezależnie od tego, czy jest to układ nadprzewodzący, lub uwięzione jony, wszystkie wymagają sporej infrastruktury do ich utrzymania — zwłaszcza w przypadku skalowania w górę."

Ale tu właśnie pojawiają się zakłócenia w przetwarzaniu w chmurze. Przetwarzanie w chmurze oznacza, że ​​użytkownicy mają dostęp do możliwości superkomputera niezależnie od tego, czy znajdują się w tym samym fizycznym sąsiedztwie. Moc obliczeniowa i pamięć masowa nie są już ograniczone do sprzętu dostępnego na biurku, tak jak to było 20 lat temu.

„Tak wiele dzisiaj dzieje się w chmurze, a ludzie nawet tego nie zauważają” – powiedział Chow. „Ile razy ludzie zdają sobie sprawę, że czegoś nie da się przetworzyć samodzielnie laptopy lub na własnych telefonach, ale gdzie indziej? Tak będzie działać kwant w chmurze.”

W pewnym stopniu tak właśnie wygląda przetwarzanie kwantowe już pracujący. W maju 2016 roku IBM uruchomił swoją platformę Doświadczenie kwantowe, pięciokubitowy procesor kwantowy i podłączony symulator dopasowywania, który umożliwia użytkownikom przeprowadzanie eksperymentów na kwantowym systemie komputerowym. Do tej pory IBM Quantum wdrożyło 32 procesory kwantowe w chmurze, a ponad 280 000 użytkowników na całym świecie korzysta łącznie z ponad 1 miliarda obwodów kwantowych dziennie. W miarę udostępniania coraz potężniejszych komputerów kwantowych, one również będą dostępne dla użytkowników za pośrednictwem chmury.

„Będziesz miał problemy, które można w naturalny sposób rozwiązać przy użyciu najlepszych technik, jakie znamy w tradycyjnych komputerach” – powiedział Chow. „Ale są też części tych problemów, które są dziś zbyt złożone, aby je rozwiązać [nawet przy użyciu systemów obliczeniowych o wysokiej wydajności] i które mogłyby nadawać się do komputerów kwantowych”.

Nie, w najbliższym czasie (jeśli w ogóle) nie będziesz uruchamiać arkusza kalkulacyjnego Excel na komputerze kwantowym. Klasyczne komputery bez problemu obsługują program Excel. Jednak części aplikacji z pewnością można wykorzystać możliwości kwantowe, czy to do celów takich jak szyfrowanie, czy lepsze uczenie maszynowe. Można by znaleźć nawet bardziej fascynująco niepoważne przykłady. Na przykład, Jamesa Woottona, inny inżynier IBM, wykorzystuje do tego obliczenia kwantowe losowe generowanie terenu w grach komputerowych. Czy kiedykolwiek marzyłeś o grze, która mogłaby całkowicie przekonfigurować się za każdym razem, gdy grasz, w niewyobrażalnym stopniu? Quantum jest Twoją odpowiedzią.

Model hybrydowy

„To właśnie mamy na myśli, mówiąc o modelu obliczeniowym chmury hybrydowej” – powiedział Chow. „Będziesz miał problematyczne zadanie, które zostanie wprowadzone do komputera, odpowiednie części trafią do komputera klasycznego, a pozostałe części do komputera kwantowego. Wtedy pojawia się rozwiązanie. Taki obraz możesz sobie wyobrazić w przyszłości. [Quantum is] nie zastępuje [klasycznych komputerów], ale z pewnością będą działać ramię w ramię.”

IBM nie określi, kiedy dokładnie dostarczy swój komputer o milionach kubitów ani, jeśli o to chodzi, kiedy zakończy się budowa lodówki Goldeneye. Całkiem jasne jest jednak przekonanie, że obliczenia kwantowe zmienią zasady gry.

W post napisany na blogu IBM na początku tego rokuJay Gambetta, pracownik IBM i wiceprezes ds. obliczeń kwantowych, porównał następną generację komputerów kwantowych IBM do misji Apollo, których efektem było lądowanie na Księżycu. To całkiem niezłe porównanie. Może być również dokładny.

Tutaj w 2020 roku, z perspektywą lądowanie na Księżycu w nowiu kusząco bliższe niż miało to miejsce od dziesięcioleci, co brzmi jak znacznie bardziej optymistyczne porównanie niż jeszcze kilka lat temu. Warto poczekać.

Zalecenia redaktorów

• W ramach przerwy w zatrudnieniu sztuczna inteligencja może zastąpić około 7800 stanowisk pracy w IBM
• Wewnątrz brytyjskiego laboratorium łączącego mózgi z komputerami kwantowymi
• Nowy 127-kubitowy procesor IBM to ogromny przełom w obliczeniach kwantowych
• Naukowcy tworzą „brakujący element układanki” w rozwoju obliczeń kwantowych
• Prezes IBM potwierdza, że ​​niedobór chipów potrwa jeszcze „kilka lat”.