Ambiciózny plán kvantových počítačov IBM v miliónoch qubitov

IBM, jedna z najstarších technologických spoločností na svete, vyrába chladničku. To samo o sebe nie je bezprecedentné. Ostatné technologické spoločnosti majú predtým postavené chladničky. Spoločnosť LG predáva pôsobivú inteligentnú chladničku LG InstaView Door-in-Door s pripojením na Wi-Fi. Samsung, ďalší globálny výrobca zariadení, vyrába vynikajúci 4-dverový flexibilný modul RF23J9011SR s funkciou Power Cool.

Ale chladnička od IBM (stále vo vývoji) je iná. V skutočnosti veľmi odlišné. Bude to obrovské pre jednu vec: 10 stôp vysoký a 6 stôp široký. Bude tiež nepredstaviteľne chladno, okolo 15 milikelvinov alebo -459 Fahrenheita, čo je chladnejšie ako vesmír. Je tiež pomenovaná po filme s Jamesom Bondom, Goldeneye.

Najväčší rozdiel medzi ňou a vašou zabehanou kuchynskou chladničkou je však jej plánovaný obsah. Nečakajte vstavaný držiak na vajíčka, zásuvky na zeleninu a priestor pre váš sezónny vaječný likér. Namiesto toho bude domovom prvého kvantového počítača s kapacitou 1 milión qubitov na svete – akonáhle bude tiež vyrobený.

„Aby sa kvantové efekty objavili, [kvantové počítače] musia byť ochladené na extrémne nízke teploty,“ Jerry Chow, riaditeľ Quantum Hardware System Development v IBM, povedal pre Digital Trends. „V skutočnosti všetka infraštruktúra, ktorá ide okolo, dokonca aj samotný procesor, vyžaduje značné množstvo chladenia, najmä keď ho zväčšujete, však?

Práve tento proces rozširovania viedol Chowa a jeho tím k nevyhnutnému záveru, že IBM skutočne potrebovala dostať sa do chladiaceho biznisu – aspoň pokiaľ ide o jeho vlastné kvantá počítačov. Jednak je tu limit aktuálnej chladiacej kapacity. Potom sú tu problémy s vecami, ako je udržiavanie integrity vákua a vyváženie hmotnosti rôznych komponentov potrebných na chladenie. Počítačový vedec Alan Kay raz povedal, že spoločnosť, ktorá to myslí so softvérom vážne, by si mala vybudovať aj vlastný hardvér. Možno by to kvantovým ekvivalentom malo byť, že spoločnosť, ktorá to s kvantovou výpočtovou technikou vážne myslí, by si nemala postaviť len vlastný kvantový počítač, ale aj vlastnú chladničku, do ktorej by ho umiestnila.

"Ak len urobíme nejaké škálovanie na zadnej strane obálky, začnete vidieť, že v určitom bode to, čo môžete získať od komerčných predajcov, zaostáva," povedal Chow. "Musíš začať premýšľať o tom, ako to dosiahnuť?"

Čím je kvantová výpočtová technika taká odlišná, taká príťažlivá?

Super chladnička IBM je na určitej úrovni červený sleď. Je to trochu ako postaviť novú luxusnú garáž pre Teslu, ktorú ste dodali. Iste, tie fantastické garážové brány na diaľkové ovládanie, ktoré ste nainštalovali, sú vzrušujúce – ale nie je to tak na vzrušujúci kúsok. V tejto analógii je nová Tesla Model S alebo Cybertruck plánovaným kvantom jedného milióna qubitov IBM. A za predpokladu, že ju IBM dokáže postaviť podľa plánu, bude to hlúpa, viac než hodná tej najsofistikovanejšej chladničky na svete.

Kvantové počítače prvýkrát navrhol v 80-tych rokoch minulého storočia americký fyzik Paul Benioff, hoci kvantová mechanika, na ktorej sú založené, sa datuje do minulosti. do 20. rokov 20. storočia, keď si fyzici začali všímať, že niektoré experimenty nepriniesli výsledky, ktoré predpovedali na základe ich súčasného chápania fyzika. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin a iní sa chytili myšlienky kvantového mechanického modelu Turingovho stroja a navrhli že kvantový počítač by sa dal použiť na simuláciu vecí, ktoré sa jednoducho nedajú nasimulovať cez klasický počítač pomocou klasického fyzika. V roku 1994 Dan Simon ukázal, že kvantový počítač by mohol byť exponenciálne rýchlejšie ako klasický počítač.

Jedným z veľkých rozdielov s kvantom je koncept superpozície. Klasický počítač môže byť buď v stave A alebo B (alebo v binárnom vyjadrení, jedna alebo nula). Kvantový počítač môže byť zmesou oboch. (To je Schrödingerov myšlienkový experiment s mačkou v ktorej môže byť mačka v krabici buď živá, mŕtva, alebo živá aj mŕtva súčasne.) Potom existujú ďalšie koncepty ako je kolaps, neistota a zapletenie, vďaka ktorým sa kvantové počítače veľmi líšia od tých, ktoré sme vy a ja vyrastali na.

Rovnako ako klasický počítač pracuje s bitmi, kvantové počítače pracujú s tým, čo sa nazýva qubits. V súčasnosti má súčasný najväčší kvantový počítač IBM 65 qubitov. Do roku 2023 chce postaviť jeden s 1000 qubitmi. A niekedy potom – dátum, ku ktorému sa spoločnosť nezaviaže, ale ktorý je určite na jej pláne – postaví stroj s miliónom qubitov.

Skok zo 65 qubitov na milión qubitov je poriadny skok. Ale výpočtová technika, dokonca aj klasická výpočtová technika, sa ukazuje ako celkom dobrá, pokiaľ ide o exponenciálne skoky. Moorov zákon uvádza, že počet tranzistorov, ktoré sa zmestia na dosku plošných spojov, sa zdvojnásobí približne každé dva roky. Najbližšia vec, ktorú má kvantum k Moorovmu zákonu, je to, čo sa nazýva Roseov zákon, ktorý sformuloval Geordie Rose v roku 2002. Roseov zákon hovorí, že počet qubitov v kvantovom počítači sa zdvojnásobí každých pár rokov.

V porovnaní s Moorovým zákonom sú dôsledky Roseovho zákona pravdepodobne ešte hlbšie, pretože, ako uvádzajú Peter Diamandis a Steven Kotler vo svojej knihe Budúcnosť je rýchlejšia, ako si myslíte: Ako konvergujúce technológie transformujú podnikanie, priemyselné odvetvia a naše životy, qubity v superpozícii majú oveľa väčšiu silu ako binárne bity v tranzistoroch.

Pretože „viac“ sa nie vždy rovná „lepšie“, jedna z koncepčných vylepšení tohto pojmu je založená na jemnejšom koncepte toho, čo IBM nazýva kvantový objem. "Nie je to len o škálovaní fyzického počtu qubitov," povedal Chow. „Nakoniec je to o počte qubitov a o tom, ako dobre fungujú; aký veľký obvod môžete na tomto hardvéri skutočne spustiť, kým sa qubity dekoherujú a vaše kvantové informácie zmiznú. Kvantový objem je taká metrika.“

Čo môžete očakávať, keď očakávate kvantové počítače

"Všetko, čo nazývame skutočným," povedal Niels Bohr, jedna zo zakladajúcich osobností kvantovej mechaniky, "je vyrobené z vecí, ktoré nemožno považovať za skutočné." Vzhľadom na premisu kvantovej superpozície je možno vhodné, že kvantové počítače dnes existujú v podivnom súmraku tu a nie tu. IBM je len jednou zo spoločností, ktoré postavili fungujúce kvantové počítače (Google, Baidu, Amazon sú niektoré z ďalších veľkých mien.) aj kvantové algoritmy — v niektorých prípadoch také, ktoré ešte nemožno efektívne prevádzkovať na kvantových počítačoch, ktoré ľudia vytvorili.

A napriek všetkým dôkazom o konceptoch a príčinách vzrušenia je spravodlivé povedať, že svet sa ešte nezačal približovať k využívaniu obrovskej sily kvantových počítačov. "Čo [kvantové počítanie] znamená z hľadiska skutočných aplikácií, stále nie je úplne známe, " povedal Chow.

Niektoré z najzaujímavejších možných prípadov použitia – či už ide o výpočtovú chémiu alebo financie modelovanie, kybernetická bezpečnosť a kryptomena alebo pokročilé predpovedanie – zostávajú duchmi v kvante stroj. Aspoň zatiaľ.

Prečo sa IBM zameriava na kvantové výpočty? „Zameriavame sa na to, ako prinášame budúcnosť výpočtov,“ povedal Chow. Kvantum je nevyhnutnou súčasťou tejto budúcnosti.

Quantum computing je jednou z troch veľkých stávok IBM do budúcnosti. Túto svätú trojicu budúcich technológií tvoria kvantové počítače, umelá inteligencia a cloud. Nejde však o individuálne stávky, ako by to bolo v prípade, ak by ste svoje úspory investovali do troch sľubných startupov, veriť, že jeden z troch má šancu stať sa jednorožcom, ktorý viac než vykompenzuje všetky straty, ktoré utrpí ďalšie dve.

Quantum by napríklad mohlo zmeniť hru pre A.I. Niet pochýb o tom, že umelá inteligencia – a najmä strojové učenie — má úžasný pokrok s použitím klasickej počítačovej architektúry. Kvantové však sľubujú ešte väčšie zrýchlenie. Kvantové verzie súčasných algoritmov strojového učenia (alebo pravdepodobnejšie úplne nové, oveľa rýchlejšie alternatívy) budú môcť vykonávať obrovské A.I. výpočty výrazne rýchlejšie sadzba. Budú schopní zvládnuť ohromujúci počet dimenzií, ktoré vznikajú z údajov, a zmapovať ich vo veľkom priestore kvantových funkcií. Kvantové zapletenie by sa mohlo použiť na objavenie nových vzorov, ktoré nemožno objaviť tradičným klasickým výpočtovým systémom.

Plávajúce na kvantovom oblaku

Cloud je tiež základnou súčasťou kvantovej stávky IBM. Všeobecne povedané, populárny vývoj klasickej výpočtovej techniky bol prechodom od sálových počítačov cez minipočítače k ​​osobným počítačom. V päťdesiatych rokoch mali ľudia prístup k obrovským počítačom iba vo veľkých klimatizovaných miestnostiach. Koncom 70. a 80. rokov mali ľudia vo svojich domovoch počítače. V deväťdesiatych rokoch mali ľudia prenosné počítače, ktoré mohli nosiť v taške. Dnes máme počítače v podobe smartfónov, ktoré nosíme vo vreckách.

Zdá sa nepravdepodobné, že kvantové počítače zažijú rovnaký posun tvarového faktora v dôsledku požiadaviek (ako je extrémne chladenie) na kvantový počítač.

„Pokiaľ ide o [fyzický kvantový počítač] na stole, možno sa mýlim, ale nie je mi jasné, že to tak bude,“ povedal Chow. „Väčšina systémov, ktoré staviate, vyžaduje túto úroveň kvantovej koherencie, či už ide o supravodivý systém. alebo zachytené ióny, všetky vyžadujú značnú časť infraštruktúry, aby ste ich mohli udržiavať – a najmä pri škálovaní hore.“

Ale tu vstupuje do hry prerušenie cloud computingu. Cloud computing znamená, že používatelia majú prístup k schopnostiam superpočítačov bez ohľadu na to, či sa nachádzajú v rovnakej fyzickej blízkosti. Výpočtová sila alebo úložisko už nie sú obmedzené na hardvér, ktorý je dostupný na vašom stole tak, ako tomu bolo pred 20 rokmi.

"Dnes sa toho veľa robí cez cloud a ľudia si to ani nevšimnú," povedal Chow. „Koľkokrát si ľudia uvedomia, že niečo nie je spracované sami notebooky alebo na vlastných telefónoch, ale niekde inde? Takto bude fungovať kvantum cez cloud."

Je to do istej miery také, aké je kvantové počítanie už pracovné. V máji 2016 spoločnosť IBM spustila svoj Kvantová skúsenosť5-qubitový kvantový procesor a pripojený simulátor zhody, ktorý používateľom umožňuje vykonávať experimenty na kvantovom počítačovom systéme. K dnešnému dňu IBM Quantum nasadilo 32 kvantových procesorov v cloude, pričom viac ako 280 000 používateľov na celom svete spoločne používa viac ako 1 miliardu kvantových obvodov denne. Keď budú k dispozícii výkonnejšie kvantové počítače, budú aj tieto dostupné používateľom prostredníctvom cloudu.

"Budete mať problémy, ktoré sa prirodzene riešia pomocou najlepších techník, ktoré poznáme v tradičných počítačoch," povedal Chow. "Ale potom sú tu aj časti týchto problémov, ktoré sú dnes príliš zložité na to, aby sa dali vyriešiť [dokonca aj pomocou vysokovýkonných počítačových systémov], ktoré by mohli byť vhodné pre kvantové počítače."

Nie, svoju tabuľku Excel už čoskoro (ak vôbec) nespustíte na kvantovom počítači. Na klasických počítačoch sa dá v pohode spustiť Excel. Ale časti aplikácií by určite mohli využiť kvantové schopnosti, či už pre veci ako šifrovanie alebo lepšie strojové učenie. Dokonca by mohli byť aj ďalšie fascinujúco frivolné príklady. Napríklad, James Wootton, ďalší inžinier IBM, na to používa kvantové výpočty náhodné generovanie terénu v rámci počítačových hier. Snívali ste niekedy o hre, ktorá sa dokáže úplne prekonfigurovať zakaždým, keď hráte, do nepredstaviteľnej miery? Quantum je vaša odpoveď.

Hybridný model

"Toto máme na mysli pod hybridným cloudovým výpočtovým modelom," povedal Chow. „Budete mať problémové pracovné zaťaženie, ktoré sa vloží do počítača a správne časti sa dostanú do klasického počítača a ostatné časti do kvantového počítača. Potom vyjde riešenie. To je obraz, ktorý si viete predstaviť v budúcnosti. [Quantum is] nie je náhradou [klasických počítačov], ale určite budú fungovať ruka v ruke.“

IBM sa nezaviaže k tomu, kedy presne dodá svoj milión qubitových počítačov – alebo keď na to príde, kedy bude dokončená jeho chladnička Goldeneye. Je však celkom jasné, že verí, že kvantová výpočtová technika zmení hru.

V príspevok napísaný pre blog IBM začiatkom tohto rokaJay Gambetta, kolega IBM a viceprezident pre kvantové počítače, prirovnal ďalšiu generáciu kvantových počítačov IBM k misiám Apollo, ktoré viedli k pristátiu na Mesiaci. To je celkom prirovnanie. Môže to byť aj presné.

Tu v roku 2020 s perspektívou a pristátie na novom mesiaci dráždivo bližšie, než tomu bolo za posledné desaťročia, to znie ako oveľa optimistickejšie porovnanie, než by mohlo byť len pred niekoľkými rokmi. Malo by to stáť za to čakať.

Odporúčania redaktorov

• Umelá inteligencia by mohla nahradiť približne 7 800 pracovných miest v IBM v rámci prestávky v prijímaní zamestnancov
• Vo vnútri britského laboratória, ktoré spája mozgy s kvantovými počítačmi
• Nový 127-qubitový procesor od IBM je veľkým prelomom v oblasti kvantových výpočtov
• Výskumníci vytvárajú „chýbajúci kúsok skladačky“ pri vývoji kvantových počítačov
• Prezident IBM potvrdzuje, že nedostatok čipov bude trvať ešte „niekoľko rokov“.