Амбициозный план IBM по созданию квантового компьютера на миллион кубитов

IBM, одна из старейших технологических компаний в мире, строит холодильник. Это само по себе не является беспрецедентным явлением. Другие технологические компании имеют раньше строил холодильники. LG продает впечатляющий умный холодильник LG InstaView Door-in-Door с подключением к Wi-Fi. Samsung, еще один мировой производитель устройств, представляет превосходный 4-дверный Flex RF23J9011SR с функцией Power Cool.

Но холодильник IBM (все еще находящийся в разработке) отличается от других. На самом деле совсем другое. Во-первых, он будет огромным: 10 футов в высоту и 6 футов в ширину. Также будет невообразимо холодно, около 15 милликельвинов, или -459 градусов по Фаренгейту, что холоднее, чем в космическом пространстве. Он также назван в честь фильма о Джеймсе Бонде «Золотой глаз».

Однако самая большая разница между ним и обычным кухонным холодильником — это его планируемое содержимое. Не ждите встроенного держателя для яиц, ящиков для овощей и места для сезонного эгг-нога. Вместо этого здесь будет установлен первый в мире квантовый компьютер на 1 миллион кубитов — как только он тоже будет построен.

«Чтобы проявиться квантовые эффекты, [квантовые компьютеры] необходимо охладить до чрезвычайно низких температур», Джерри Чоу, директор по разработке квантовых аппаратных систем IBM, рассказал Digital Trends. «На самом деле, вся инфраструктура, которая окружает даже сам процессор, требует достаточного охлаждения, особенно при ее масштабировании, верно?»

Именно этот процесс расширения привел Чоу и его команду к неизбежному выводу, что IBM действительно необходимо войти в холодильный бизнес — по крайней мере, когда дело касается собственного объема компьютеры. Во-первых, существует предел текущей охлаждающей способности. Кроме того, возникают проблемы с поддержанием целостности вакуума и балансировкой веса различных компонентов, необходимых для охлаждения. Ученый-компьютерщик Алан Кей однажды сказал, что компания, серьезно относящаяся к программному обеспечению, должна также создавать собственное оборудование. Возможно, квантовым эквивалентом этого должно быть то, что компания, серьезно относящаяся к квантовым вычислениям, должна построить не только свой собственный квантовый компьютер, но и собственный холодильник для его размещения.

«Если мы просто проведем небольшое масштабирование, вы начнете видеть, что в какой-то момент то, что вы можете получить от коммерческих поставщиков, не соответствует действительности», — сказал Чоу. «Вам нужно начать думать о том, как выйти за рамки [этого]?»

Что делает квантовые вычисления такими уникальными и привлекательными?

Суперхолодильник IBM на каком-то уровне является отвлекающим маневром. Это немного похоже на строительство нового шикарного гаража для доставленной вами Tesla. Конечно, та причудливая гаражная дверь с дистанционным управлением, которую вы установили, впечатляет, но это не так. тот захватывающий немного. По этой аналогии новая Tesla Model S или Cybertruck — это запланированный IBM квант объемом в один миллион кубитов. И если IBM сможет построить его, как планировалось, это будет потрясающий холодильник, более чем достойный самого сложного холодильника в мире.

Квантовые компьютеры были впервые предложены в 1980-х годах американским физиком Полом Бениоффом, хотя квантовая механика, на которой они основаны, возникла еще в далеком прошлом. до 1920-х годов, когда физики начали замечать, что некоторые эксперименты не дают результатов, которые они предсказывали, используя их нынешнее понимание физика. Ричард Фейнман, Дэвид Дойч, Юрий Манин и другие ухватились за идею квантово-механической модели машины Тьюринга, предложив что квантовый компьютер можно использовать для моделирования вещей, которые просто невозможно смоделировать с помощью классического компьютера с использованием классических физика. В 1994 году Дэн Саймон показал, что квантовый компьютер может быть экспоненциально быстрее, чем классический компьютер.

Одним из больших отличий от квантов является концепция суперпозиции. Классический компьютер может находиться в состоянии A или B (или, в двоичных терминах, единице или нулю). Квантовый компьютер может представлять собой смесь этих двух. (Это Мысленный эксперимент с котом Шрёдингера в котором кот в коробке может быть либо жив, либо мёртв, либо и жив, и мёртв одновременно.) Тогда есть и другие концепции. такие как коллапс, неопределенность и запутанность, которые сильно отличают квантовые компьютеры от тех, которые мы с вами выросли. на.

Точно так же, как классический компьютер оперирует битами, квантовые компьютеры оперируют так называемыми кубитами. В настоящее время крупнейший квантовый компьютер IBM имеет 65 кубитов. К 2023 году они хотят построить один с 1000 кубитами. И когда-нибудь после этого — дата, которую компания не будет согласовывать, но которая, безусловно, есть в ее дорожной карте — она построит машину на 1 миллион кубитов.

Переход от 65 кубитов к миллиону кубитов — настоящий скачок. Но вычисления, даже классические, оказываются довольно хорошими, когда дело доходит до экспоненциальных скачков. Закон Мура утверждает, что количество транзисторов, которые можно разместить на печатной плате, удваивается примерно каждые два года. Наиболее близким к закону Мура квантовым явлением является так называемый закон Роуза, сформулированный Джорди Роузом в 2002 году. Закон Роуза гласит, что количество кубитов в квантовом компьютере удваивается каждые пару лет.

По сравнению с законом Мура, последствия закона Роуза, возможно, еще более глубоки, потому что, как отмечают Питер Диамандис и Стивен Котлер в своей книге Будущее быстрее, чем вы думаете: как конвергентные технологии меняют бизнес, отрасли и нашу жизнькубиты в суперпозиции обладают гораздо большей мощностью, чем двоичные биты в транзисторах.

Поскольку «больше» не всегда означает «лучше», одна из концептуальных поправок IBM к этому понятию основана на более тонкой концепции того, что IBM называет квантовым объемом. «Речь идет не только об увеличении физического количества кубитов», — сказал Чоу. «В конце концов, речь идет как о количестве кубитов, так и о том, насколько хорошо они работают; Насколько большую схему вы действительно сможете запустить на этом оборудовании, прежде чем кубиты декогерируются и ваша квантовая информация исчезнет. Квантовый объем является такой метрикой».

Чего ожидать, когда вы ожидаете квантовые компьютеры

«Все, что мы называем реальным, — сказал Нильс Бор, один из основоположников квантовой механики, — состоит из вещей, которые нельзя считать реальными». Учитывая предпосылку квантовой суперпозиции, возможно, уместно, что квантовые компьютеры сегодня существуют в странном сумеречном мире здесь, а не здесь. здесь. IBM — лишь одна из компаний, создавших функционирующие квантовые компьютеры (Google, Baidu и Amazon — некоторые из других громких имен). квантовые алгоритмы тоже — в некоторых случаях те, которые пока не могут эффективно работать на созданных людьми квантовых компьютерах.

И все же, несмотря на все доказательства концепций и поводы для волнения, справедливо будет сказать, что мир еще не приблизился к использованию огромной мощи квантовых вычислений. «Что [квантовые вычисления] влекут за собой с точки зрения реальных приложений, до сих пор до конца не известно», — сказал Чоу.

Некоторые из наиболее интересных потенциальных вариантов использования — будь то вычислительная химия, финансы моделирование, кибербезопасность и криптовалюта или расширенное прогнозирование — остаются призраками в квантовом мире. машина. По крайней мере, на данный момент.

Почему IBM сосредоточена на квантовых вычислениях? «Наше внимание сосредоточено на том, как мы создадим будущее вычислений», — сказал Чоу. Квант – неизбежная часть этого будущего.

Квантовые вычисления — одна из трех больших ставок IBM на будущее. Эта святая троица технологий будущего состоит из квантовых вычислений, искусственного интеллекта и облака. Но это не индивидуальные ставки, как было бы, если бы вы инвестировали свои сбережения в три многообещающих стартапа. полагая, что у одного из троих есть шанс стать единорогом, что с лихвой компенсирует любые потери, понесенные другие два.

Квантум, например, может изменить правила игры для искусственного интеллекта. Нет сомнений в том, что искусственный интеллект — и, в частности, машинное обучение — добился поразительных успехов в использовании классической вычислительной архитектуры. Но квантовая технология обещает ускорить процесс еще больше. Квантовые версии существующих алгоритмов машинного обучения (или, что более вероятно, совершенно новые, гораздо более быстрые) альтернативы) смогут выполнять огромные задачи искусственного интеллекта, управляемые данными. расчеты происходят значительно быстрее ставка. Они смогут обрабатывать ошеломляющее количество измерений, возникающих из данных, и отображать их в большом пространстве квантовых признаков. Квантовую запутанность можно использовать для открытия новых закономерностей, которые невозможно обнаружить с помощью традиционных классических вычислений.

Плавающий в квантовом облаке

Облако также является фундаментальной частью квантовой ставки IBM. В общих чертах, популярное развитие классических вычислений представляло собой переход от мэйнфреймов к мини-компьютерам и персональным компьютерам. В 1950-х годах люди имели доступ к огромным компьютерам только в больших комнатах с кондиционерами. К концу 1970-х и 80-м годам у людей дома были компьютеры. К 1990-м годам у людей были портативные компьютеры, которые можно было носить в сумках. Сегодня у нас есть компьютеры в виде смартфонов, которые мы носим в карманах.

Кажется маловероятным, что квантовые компьютеры испытают такой же сдвиг в форм-факторе из-за требований (таких как сильное охлаждение) к квантовому компьютеру.

«Что касается [наличия физического квантового компьютера] на вашем столе, я могу ошибаться, но мне не совсем ясно, так ли это будет», — сказал Чоу. «Большинство систем, которые вы строите, требуют такого уровня квантовой когерентности, будь то сверхпроводящая система. или захваченные ионы, для их поддержания требуется немалая инфраструктура, особенно при масштабировании вверх."

Но именно здесь на сцену выходит прорыв облачных вычислений. Облачные вычисления означают, что пользователи имеют доступ к возможностям суперкомпьютера независимо от того, находятся ли они в одной физической близости. Вычислительная мощность или хранилище больше не ограничиваются оборудованием, имеющимся на вашем столе, как это было 20 лет назад.

«Сегодня так много делается через облако, [и] люди даже не замечают», — сказал Чоу. «Сколько раз люди понимают, что что-то не обрабатывается самостоятельно ноутбуки или на своих телефонах, а где-то еще? Вот как будет работать квантовая технология в облаке».

В какой-то степени это похоже на квантовые вычисления. уже работающий. В мае 2016 года IBM запустила свой Квантовый опыт, пятикубитный квантовый процессор и подключенный симулятор сопоставления, который позволяет пользователям проводить эксперименты в квантовой компьютерной системе. На сегодняшний день IBM Quantum развернула в облаке 32 квантовых процессора, при этом более 280 000 пользователей по всему миру в совокупности ежедневно используют более 1 миллиарда квантовых схем. По мере появления более мощных квантовых компьютеров они также будут доступны пользователям через облако.

«У вас возникнут проблемы, которые естественным образом решаются с использованием лучших методов, известных нам в традиционных компьютерах», — сказал Чоу. «Но есть также части этих проблем, которые сегодня слишком сложны для решения [даже с помощью высокопроизводительных вычислительных систем], которые могли бы подойти для квантовых компьютеров».

Нет, в ближайшее время (если вообще когда-либо) вы не будете запускать электронную таблицу Excel на квантовом компьютере. Классические компьютеры прекрасно могут работать с Excel. Но некоторые приложения, безусловно, могут использовать квантовые возможности, будь то шифрование или улучшение машинного обучения. Могут быть даже более увлекательные легкомысленные примеры. Например, Джеймс Вуттон, другой инженер IBM, использует квантовые вычисления для решения Генерация случайной местности в компьютерных играх. Вы когда-нибудь мечтали об игре, которая могла бы полностью перенастраиваться каждый раз, когда вы играете, до невообразимой степени? Квант – ваш ответ.

Гибридная модель

«Именно это мы подразумеваем под вычислительной моделью гибридного облака», — сказал Чоу. «У вас будет рабочая нагрузка по проблеме, которая будет загружена в компьютер, и нужные части пойдут на классический компьютер, а другие части — на квантовый компьютер. Тогда приходит решение. Вот какую картину вы можете себе представить в будущем. [Quantum is] не является заменой [классических компьютеров], но они, безусловно, будут работать рука об руку».

IBM не сообщает, когда именно она поставит свой компьютер на миллион кубитов — или, если уж на то пошло, когда будет закончен ее холодильник Goldeneye. Но компания совершенно ясно убеждена в том, что квантовые вычисления изменят правила игры.

В сообщение, написанное для блога IBM ранее в этом годуДжей Гамбетта, научный сотрудник IBM и вице-президент по квантовым вычислениям, сравнил следующее поколение квантовых компьютеров IBM с миссиями Аполлона, которые привели к высадке на Луну. Вот это сравнение. Это также может быть точным.

Здесь, в 2020 году, с перспективой посадка в новолуние дразняще ближе, чем за последние десятилетия, это звучит как гораздо более оптимистичное сравнение, чем могло бы быть даже всего несколько лет назад. Ожидание того стоит.

Рекомендации редакции

• ИИ может заменить около 7800 рабочих мест в IBM в рамках паузы в приеме на работу
• Внутри британской лаборатории, которая соединяет мозг с квантовыми компьютерами
• Новый 127-кубитный процессор IBM — крупный прорыв в квантовых вычислениях
• Исследователи создают «недостающий кусочек мозаики» в разработке квантовых вычислений
• Президент IBM подтверждает, что дефицит чипов продлится еще «несколько лет»