Planul ambițios de calculatoare cuantice de milioane de qubit al IBM

IBM, una dintre cele mai vechi companii de tehnologie din lume, construiește un frigider. Acest lucru, în sine, nu este fără precedent. Alte companii de tehnologie au a construit frigidere înainte. LG vinde impresionantul frigider inteligent LG InstaView Door-in-Door, conectat la Wi-Fi. Samsung, un alt producător global de dispozitive, produce excelentul RF23J9011SR 4-Door Flex cu caracteristica Power Cool.

Dar frigiderul IBM (încă în dezvoltare) este diferit. Foarte diferit, de fapt. Va fi enorm pentru un singur lucru: 10 picioare înălțime și 6 picioare lățime. De asemenea, va fi neînchipuit de frig, în jur de 15 mlikelvin, sau -459 Fahrenheit, care este mai rece decât spațiul cosmic. De asemenea, poartă numele unui film cu James Bond, Goldeneye.

Cu toate acestea, cea mai mare diferență între acesta și frigiderul de bucătărie obișnuit este conținutul său planificat. Nu vă așteptați la un suport pentru ouă încorporat, sertare pentru legume și spațiu pentru savoarele dvs. de ou de sezon. În schimb, va găzdui primul computer cuantic de 1 milion de qubit din lume – odată ce acesta va fi construit și el.

„Pentru ca efectele cuantice să apară, [calculatoarele cuantice] trebuie să fie răcite la temperaturi extrem de scăzute”, Jerry Chow, director al dezvoltării sistemelor hardware Quantum la IBM, a declarat pentru Digital Trends. „De fapt, toată infrastructura care circulă, chiar și doar procesorul în sine necesită o cantitate suficientă de răcire, mai ales pe măsură ce o extinzi, nu?”

Acest proces de extindere a fost cel care a condus Chow și echipa sa la concluzia inevitabilă că IBM chiar trebuia să intre în afacerile frigorifice – cel puțin când vine vorba de propria sa cuantum calculatoare. În primul rând, există o limită a capacității actuale de răcire. Apoi există probleme cu lucruri precum menținerea integrității vidului și echilibrarea greutății diferitelor componente necesare pentru răcire. Informaticianul Alan Kay a spus odată că compania serioasă cu software-ul ar trebui să-și construiască și propriul hardware. Poate că echivalentul cuantic al acestui lucru ar trebui să fie că compania serioasă în calculul cuantic nu ar trebui să-și construiască doar propriul computer cuantic, ci și propriul frigider pentru a-l găzdui.

„Dacă facem doar o scalare din spate, începi să vezi că, la un moment dat, ceea ce poți obține de la vânzătorii comerciali nu este suficient”, a spus Chow. „Trebuie să începi să te gândești cum să faci dincolo de [aceasta]?”

Ce face ca calculul cuantic să fie atât de diferit, atât de atrăgător?

Super-frigiderul IBM este, la un anumit nivel, un hering roșu. Este un pic ca și cum ați construi un nou garaj elegant pentru Tesla pe care o livrați. Sigur, ușa de garaj elegantă cu telecomandă pe care ai instalat-o este interesantă - dar nu este cel un pic interesant. În această analogie, noul Tesla Model S sau Cybertruck este cuantumul de un milion de qubit planificat de IBM. Și, cu condiția ca IBM să-l construiască așa cum a fost planificat, va fi un doos, mai mult decât demn de cel mai sofisticat frigider din lume.

Calculatoarele cuantice au fost propuse pentru prima dată în anii 1980 de către fizicianul american Paul Benioff, deși mecanica cuantică pe care se bazează datează până în anii 1920, când fizicienii au început să observe că anumite experimente nu au produs rezultatele pe care le preziseseră folosind înțelegerea lor actuală a fizică. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin și alții au preluat ideea unui model mecanic cuantic al unei mașini Turing, sugerând că un computer cuantic ar putea fi folosit pentru a simula lucruri care pur și simplu nu pot fi simulate printr-un computer clasic folosind clasic fizică. În 1994, Dan Simon a arătat că un computer cuantic ar putea fi exponențial mai rapid decât un computer clasic.

Una dintre marile diferențe față de cuantică este conceptul de suprapunere. Un computer clasic poate fi fie o stare A sau B (sau, în termeni binari, unul sau zero). Un computer cuantic poate fi un amestec al celor două. (Asta este Experimentul gândirii pisicii lui Schrödinger în care o pisică într-o cutie poate fi fie vie, fie moartă, fie atât vie, cât și moartă simultan.) Apoi, există și alte concepte precum colapsul, incertitudinea și încurcarea, care fac computerele cuantice foarte diferite de cele pe care le-am crescut tu și cu mine pe.

În același mod în care un computer clasic funcționează pe biți, computerele cuantice operează pe ceea ce se numește qubiți. În prezent, cel mai mare computer cuantic al IBM are 65 de qubiți. Până în 2023, vrea să construiască unul cu 1.000 de qubiți. Și cândva după aceea - o dată la care compania nu se va angaja, dar care este cu siguranță pe harta sa de parcurs - va construi o mașină de 1 milion de qubit.

Săritul de la 65 de qubiți la un milion de qubiți este un salt. Dar calculul, chiar și cel clasic, se dovedește a fi destul de bun când vine vorba de salturi exponențiale. Legea lui Moore afirmă că numărul de tranzistori care se pot potrivi pe o placă de circuit se dublează aproximativ la fiecare doi ani. Cel mai apropiat lucru pe care quantum îl are de Legea lui Moore este ceea ce se numește Legea lui Rose, formulată de Geordie Rose în 2002. Legea lui Rose spune că numărul de qubiți dintr-un computer cuantic se dublează la fiecare doi ani.

În comparație cu Legea lui Moore, implicațiile Legii lui Rose sunt, probabil, și mai profunde, deoarece, așa cum observă Peter Diamandis și Steven Kotler în cartea lor Viitorul este mai rapid decât credeți: modul în care tehnologiile convergente transformă afacerile, industriile și viețile noastre, qubiții în suprapunere au mult mai multă putere decât biții binari din tranzistoare.

Deoarece „mai mult” nu înseamnă întotdeauna „mai bine”, una dintre modificările conceptuale ale IBM la această noțiune se bazează pe conceptul mai nuanțat a ceea ce IBM numește volum cuantic. „Nu este vorba doar despre scalarea numărului fizic de qubiți”, a spus Chow. „În cele din urmă, este vorba atât de numărul de qubiți, cât și de cât de bine performează; Cât de mare de circuit poți rula de fapt pe acel hardware înainte ca qubiții să decoereze și să dispară informațiile tale cuantice. Volumul cuantic este o astfel de măsură.”

La ce să te aștepți când te aștepți la computere cuantice

„Tot ceea ce numim real”, a spus Niels Bohr, una dintre figurile fondatoare ale mecanicii cuantice, „este făcut din lucruri care nu pot fi considerate reale”. Având în vedere premisa suprapunerii cuantice, este probabil potrivit ca calculatoarele cuantice să existe astăzi într-o lume ciudată de amurg de aici și nu. Aici. IBM este doar una dintre companiile care au construit computere cuantice funcționale (Google, Baidu, Amazon sunt unele dintre celelalte nume mari.) Există algoritmi cuantici, de asemenea — în unele cazuri, cele care nu pot fi încă rulate eficient pe computerele cuantice pe care oamenii le-au construit.

Și totuși, pentru toate dovezile conceptelor și cauzele de entuziasm, este corect să spunem că lumea nu a început încă să se apropie de a profita de puterea enormă a calculului cuantic. „Ce implică [calculatura cuantică] în ceea ce privește aplicațiile reale încă nu este pe deplin cunoscut”, a spus Chow.

Unele dintre cele mai interesante cazuri de utilizare potențiale - fie că este vorba de chimie computațională, financiară modelarea, securitatea cibernetică și criptomoneda sau prognoza avansată — rămân fantome în cuantum mașinărie. Deocamdată, cel puțin.

De ce se concentrează IBM pe calculul cuantic? „Accentul nostru este pe modul în care oferim viitorul calculului”, a spus Chow. Cuantica este o parte inevitabilă a acestui viitor.

Calculul cuantic este unul dintre cele trei mari pariuri ale IBM pentru viitor. Această sfântă trinitate a tehnologiilor viitoare este alcătuită din calcul cuantic, inteligență artificială și nor. Dar acestea nu sunt pariuri individuale, așa cum ar fi cazul dacă ar fi să-ți investești economiile în trei startup-uri promițătoare, crezând că unul dintre cei trei are șansa de a deveni un unicorn care va compensa mai mult decât orice pierderi suportate de celelalte două.

Quantum, de exemplu, ar putea schimba jocul pentru I.A. Nu există nicio îndoială că inteligența artificială – și, mai precis, învățare automată — s-a bucurat de progrese uimitoare folosind arhitectura de calcul clasică. Dar quantum promite să accelereze lucrurile și mai mult. Versiuni cuantice ale algoritmilor actuali de învățare automată (sau, mai probabil, complet noi, mult mai rapide alternative) vor fi capabili să efectueze enorm de I.A. bazat pe date. calculele la un nivel semnificativ mai rapid rată. Ei vor putea gestiona numărul uluitor de dimensiuni care apar din date și le vor mapa în spațiul mare de caracteristici cuantice. Entanglementul cuantic ar putea fi folosit pentru a descoperi modele noi care nu pot fi descoperite cu calculul clasic tradițional.

Plutind pe norul cuantic

Cloud-ul este, de asemenea, o parte fundamentală a pariului cuantic al IBM. În linii mari, progresul popular al calculului clasic a fost o tranziție de la mainframe la minicalculatoare la computere personale. În anii 1950, oamenii aveau acces la computere enorme doar în camere mari, cu aer condiționat. La sfârșitul anilor 1970 și ’80, oamenii aveau computere în case. În anii 1990, oamenii aveau laptopuri pe care le puteau transporta în geantă. Astăzi, avem computere sub formă de smartphone-uri pe care le purtăm în buzunare.

Pare puțin probabil ca computerele cuantice să experimenteze aceeași schimbare a factorului de formă din cauza cerințelor (cum ar fi răcirea extremă) pentru un computer cuantic.

„În ceea ce privește [a avea un computer cuantic fizic] pe birou, s-ar putea să mă înșel, dar nu îmi este clar că acesta va fi cazul”, a spus Chow. „Majoritatea sistemelor pe care le construiți care necesită acest nivel de coerență cuantică, fie că este vorba de un sistem supraconductor sau ioni prinși, toți necesită un pic de infrastructură pentru a le întreține - și mai ales pe măsură ce scalați sus."

Dar aici intră în imagine perturbarea cloud computing-ului. Cloud computing înseamnă că utilizatorii au acces la capacitățile supercomputerelor, indiferent dacă se află în aceeași vecinătate fizică. Puterea de calcul sau stocarea nu se mai limitează la hardware-ul disponibil pe birou, așa cum era acum 20 de ani.

„Astăzi se fac atât de multe prin cloud [și] oamenii nici măcar nu observă”, a spus Chow. „De câte ori își dau seama oamenii că ceva nu este procesat pe cont propriu laptopuri sau pe propriile telefoane, dar în altă parte? Așa va funcționa quantum over the cloud.”

Este, într-o anumită măsură, cum este calculul cuantic deja lucru. În mai 2016, IBM și-a lansat Experiență cuantică, un procesor cuantic de cinci qubiți și un simulator de potrivire conectat care le permite utilizatorilor să efectueze experimente pe un sistem computerizat cuantic. Până în prezent, IBM Quantum a implementat 32 de procesoare cuantice pe cloud, cu peste 280.000 de utilizatori din întreaga lume care rulează colectiv peste 1 miliard de circuite cuantice zilnic. Pe măsură ce computerele cuantice mai puternice sunt disponibile, și acestea vor fi accesibile utilizatorilor prin intermediul cloud-ului.

„Veți avea probleme care sunt rezolvate în mod natural folosind cele mai bune tehnici pe care le cunoaștem în computerele tradiționale”, a spus Chow. „Dar există și părți ale acestor probleme care sunt prea complexe pentru a fi rezolvate [chiar și cu sisteme de calcul de înaltă performanță] astăzi, care ar putea fi potrivite pentru calculatoarele cuantice.”

Nu, nu veți rula foaia de calcul Excel pe un computer cuantic în curând (dacă vreodată). Calculatoarele clasice pot rula Excel foarte bine. Dar părți din aplicații ar putea valorifica cu siguranță capabilitățile cuantice, fie pentru lucruri precum criptarea sau învățarea automată mai bună. Ar putea exista chiar și câteva exemple mai fascinant de frivole. De exemplu, James Wootton, un alt inginer IBM, folosește calculul cuantic pentru a face generare aleatorie de teren în cadrul jocurilor pe calculator. Ai visat vreodată la un joc care s-ar putea reconfigura complet de fiecare dată când joci într-un grad de neimaginat? Quantum este răspunsul tău.

Modelul hibrid

„Aceasta este ceea ce înțelegem prin modelul computațional cloud hibrid”, a spus Chow. „Veți avea problema dvs. de lucru care va fi introdusă într-un computer, iar părțile potrivite merg la un computer clasic, iar celelalte părți la un computer cuantic. Apoi iese o soluție. Aceasta este imaginea pe care o puteți imagina în viitor. [Quantum este] nu este un înlocuitor [pentru computerele clasice], dar cu siguranță vor funcționa mână în mână.”

IBM nu se va angaja când exact își va livra computerul cu milioane de qubit - sau, de altfel, când va fi terminat frigiderul Goldeneye. Dar este destul de clar despre credința sa că calculul cuantic va schimba jocul.

Într-o post scris pentru blogul IBM la începutul acestui an, Jay Gambetta, coleg IBM și vicepreședinte al calculului cuantic, a comparat următoarea generație de calculatoare cuantice IBM cu misiunile Apollo care au dus la aterizarea pe Lună. Cam asta e comparația. Poate fi, de asemenea, precis.

Aici, în 2020, cu perspectiva unui aterizare pe lună nouă atrăgător mai aproape decât a fost în decenii, asta pare o comparație mult mai optimistă decât ar fi putut fi chiar acum câțiva ani. Ar trebui să merite așteptarea.

Recomandările editorilor

• AI ar putea înlocui aproximativ 7.800 de locuri de muncă la IBM, ca parte a unei pauze de angajare
• În interiorul laboratorului din Marea Britanie care conectează creierul la computerele cuantice
• Noul procesor de 127 de qubiți al IBM este o descoperire majoră în calculul cuantic
• Cercetătorii creează „piesa de puzzle lipsă” în dezvoltarea calculului cuantic
• Președintele IBM confirmă că deficitul de cipuri va dura „câțiva ani” în plus