IBM-ov ambiciozen načrt kvantnega računalnika z milijoni kubitov

IBM, eno najstarejših tehnoloških podjetij na svetu, izdeluje hladilnik. To samo po sebi ni nič posebnega. Druga tehnološka podjetja imajo prej vgrajene hladilnike. LG prodaja impresiven pametni hladilnik LG InstaView Door-in-Door, povezan z Wi-Fi. Samsung, še en svetovni proizvajalec naprav, izdeluje odličen RF23J9011SR 4-Door Flex s funkcijo Power Cool.

Toda IBM-ov hladilnik (še v razvoju) je drugačen. Pravzaprav zelo drugačen. Za eno stvar bo ogromen: 10 čevljev visok in 6 čevljev širok. Prav tako bo nepredstavljivo hladno, okoli 15 milikelvinov ali -459 Fahrenheitov, kar je hladneje od vesolja. Imenuje se tudi po filmu o Jamesu Bondu Goldeneye.

Vendar je največja razlika med njim in vašim običajnim kuhinjskim hladilnikom njegova načrtovana vsebina. Ne pričakujte vgrajenega držala za jajca, predalov za zelenjavo in prostora za vaš sezonski jajčni liker. Namesto tega bo dom prvega kvantnega računalnika z 1 milijonom kubitov na svetu – ko bo tudi ta zgrajen.

"Da bi se pojavili kvantni učinki, je treba [kvantne računalnike] ohladiti na izjemno nizke temperature," Jerry Chow, direktor Quantum Hardware System Development pri IBM, je povedal za Digital Trends. "Pravzaprav vsa infrastruktura, ki se vrti okoli samega procesorja, zahteva precejšnjo količino hlajenja, še posebej, ko jo povečujete, kajne?"

Prav ta proces povečevanja je pripeljal Chowa in njegovo ekipo do neizogibnega zaključka, da IBM resnično potreboval, da vstopi v hladilni posel – vsaj ko gre za lastno količino računalniki. Prvič, obstaja omejitev trenutne hladilne zmogljivosti. Potem so tu še težave s stvarmi, kot je vzdrževanje celovitosti vakuuma in uravnoteženje teže različnih komponent, potrebnih za hlajenje. Računalniški znanstvenik Alan Kay je nekoč rekel, da bi moralo podjetje, ki se resno ukvarja s programsko opremo, izdelati tudi lastno strojno opremo. Morda bi kvantni ekvivalent tega moral biti, da podjetje, ki se resno ukvarja s kvantnim računalništvom, ne bi smelo samo zgraditi lastnega kvantnega računalnika, ampak tudi lasten hladilnik za njegovo namestitev.

"Če naredimo le nekaj skaliranja na zadnji strani ovojnice, začnete opažati, da na neki točki tisto, kar lahko dobite od komercialnih prodajalcev, ne uspe," je dejal Chow. "Moraš začeti razmišljati o tem, kako preseči [to]?"

Zakaj je kvantno računalništvo tako drugačno, tako privlačno?

IBM-ov super hladilnik je na neki ravni rdeči sled. To je podobno kot bi zgradili elegantno novo garažo za Teslo, ki ste jo dostavili. Seveda so tista modna garažna vrata na daljinsko upravljanje, ki ste jih namestili, vznemirljiva – vendar niso the razburljivo malo. V tej analogiji je novi Tesla Model S ali Cybertruck IBM-ov načrtovani milijon kubitov. In pod pogojem, da ga bo IBM lahko izdelal po načrtih, bo to grozljiv, več kot vreden najbolj izpopolnjenega hladilnika na svetu.

Kvantne računalnike je v osemdesetih letih prejšnjega stoletja prvič predlagal ameriški fizik Paul Benioff, čeprav kvantna mehanika, na kateri temeljijo, sega leta 1920, ko so fiziki začeli opažati, da nekateri poskusi niso prinesli rezultatov, ki so jih predvidevali s svojim trenutnim razumevanjem fizika. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin in drugi so zgrabili zamisel o kvantnomehanskem modelu Turingovega stroja in predlagali da bi lahko kvantni računalnik uporabili za simulacijo stvari, ki jih preprosto ni mogoče simulirati s klasičnim računalnikom z uporabo klasične fizika. Leta 1994 je Dan Simon pokazal, da bi kvantni računalnik lahko obstajal eksponentno hitrejši od klasičnega računalnika.

Ena od velikih razlik s kvantom je koncept superpozicije. Klasični računalnik je lahko stanje A ali B (ali, v binarnem smislu, ena ali nič). Kvantni računalnik je lahko mešanica obeh. (To je Schrödingerjev mačji miselni poskus v katerem je mačka v škatli lahko živa ali mrtva ali hkrati živa in mrtva.) Potem so tu še drugi pojmi kot so kolaps, negotovost in zapletenost, zaradi katerih so kvantni računalniki zelo drugačni od tistih, v katerih sva ti in jaz odraščala na.

Na enak način, kot klasični računalnik deluje na bitih, kvantni računalniki delujejo na tako imenovanih kubitih. Trenutno največji IBM-ov kvantni računalnik ima 65 kubitov. Do leta 2023 želi zgraditi enega s 1000 kubiti. In nekaj časa po tem – datumu, ki se mu podjetje ne bo zavezalo, a je zagotovo na njegovem načrtu – bo zgradilo stroj z 1 milijonom kubitov.

Preskok s 65 kubitov na milijon kubitov je velik preskok. Toda računalništvo, tudi klasično, se izkaže za precej dobro, ko gre za eksponentne preskoke. Moorov zakon navaja, da se število tranzistorjev, ki se lahko prilegajo na vezje, podvoji približno vsaki dve leti. Najbližje kvantnemu Moorovemu zakonu je tisto, kar imenujemo Roseov zakon, ki ga je leta 2002 oblikoval Geordie Rose. Roseov zakon pravi, da se število kubitov v kvantnem računalniku podvoji vsakih nekaj let.

V primerjavi z Moorovim zakonom so posledice Roseovega zakona verjetno še globlje, ker, kot ugotavljata Peter Diamandis in Steven Kotler v svoji knjigi Prihodnost je hitrejša, kot si mislite: kako konvergentne tehnologije spreminjajo poslovanje, industrije in naša življenja, imajo kubiti v superpoziciji veliko več moči kot binarni biti v tranzistorjih.

Ker »več« ni vedno enako »boljše«, ena od IBM-ovih konceptualnih sprememb tega pojma temelji na bolj niansiranem konceptu tega, kar IBM imenuje kvantni volumen. "Ne gre le za povečanje fizičnega števila kubitov," je dejal Chow. »Na koncu gre tako za število kubitov kot za to, kako dobro delujejo; kako veliko vezje lahko dejansko izvajate na tej strojni opremi, preden se kubiti dekoherirajo in vaše kvantne informacije izginejo. Kvantna prostornina je taka metrika."

Kaj pričakovati, ko pričakujete kvantne računalnike

"Vse, kar imenujemo resnično," je rekel Niels Bohr, eden od ustanoviteljev kvantne mehanike, "je narejeno iz stvari, ki jih ni mogoče obravnavati kot resnične." Glede na predpostavko kvantne superpozicije je morda primerno, da kvantni računalniki danes obstajajo v nenavadnem svetu somraka tukaj in ne tukaj IBM je le eno od podjetij, ki je izdelalo delujoče kvantne računalnike (Google, Baidu in Amazon so nekatera druga velika imena.) tudi kvantne algoritme — v nekaterih primerih takšne, ki jih še ni mogoče učinkovito izvajati na kvantnih računalnikih, ki so jih zgradili ljudje.

Kljub vsem dokazom konceptov in razlogom za vznemirjenje je pošteno reči, da se svet še ni približal izkoriščanju ogromne moči kvantnega računalništva. "Še vedno ni povsem znano, kaj [kvantno računalništvo] vključuje v smislu dejanskih aplikacij," je dejal Chow.

Nekaj ​​najbolj vznemirljivih možnih primerov uporabe – naj gre za računalniško kemijo ali finance modeliranje, kibernetska varnost in kriptovalute ali napredno napovedovanje – ostajajo duhovi v kvantumu stroj. Vsaj za zdaj.

Zakaj je IBM osredotočen na kvantno računanje? »Naš fokus je na tem, kako zagotavljamo prihodnost računalništva,« je dejal Chow. Quantum je neizogiben del te prihodnosti.

Kvantno računalništvo je ena od treh IBM-ovih velikih stav za prihodnost. To sveto trojico tehnologij prihodnosti sestavljajo kvantno računalništvo, umetna inteligenca in oblak. Vendar to niso posamezne stave, kot bi bilo, če bi svoje prihranke vložili v tri obetavna zagonska podjetja, verjamejo, da ima eden od treh možnost, da postane samorog, ki bo več kot nadomestil vse izgube, ki jih povzroči druga dva.

Quantum, na primer, bi lahko spremenil igro za A.I. Nobenega dvoma ni, da umetna inteligenca – in še posebej, strojno učenje — je dosegel osupljiv napredek z uporabo klasične računalniške arhitekture. Toda Quantum obljublja, da bo stvari še pospešil. Kvantne različice trenutnih algoritmov strojnega učenja (ali, bolj verjetno, popolnoma novih, veliko hitrejših alternative) bodo lahko izvajali ogromno podatkovno usmerjenega AI. izračuni bistveno hitrejši oceniti. Sposobni bodo obravnavati osupljivo število dimenzij, ki izhajajo iz podatkov, in jih preslikati v velikem prostoru kvantnih funkcij. Kvantno prepletenost bi lahko uporabili za odkrivanje svežih vzorcev, ki jih ni mogoče odkriti s tradicionalnim klasičnim računalništvom.

Lebdenje na kvantnem oblaku

Oblak je tudi temeljni del IBM-ove kvantne stave. Na splošno je bil priljubljen napredek klasičnega računalništva prehod od velikih računalnikov do miniračunalnikov do osebnih računalnikov. V petdesetih letih prejšnjega stoletja so imeli ljudje dostop do ogromnih računalnikov le v velikih, klimatiziranih prostorih. V poznih sedemdesetih in v osemdesetih letih prejšnjega stoletja so imeli ljudje v svojih domovih računalnike. Do devetdesetih let prejšnjega stoletja so ljudje imeli prenosne računalnike, ki so jih lahko nosili v torbi. Danes imamo računalnike v obliki pametnih telefonov, ki jih nosimo v žepu.

Zdi se malo verjetno, da bodo kvantni računalniki doživeli enak premik v faktorju oblike zaradi zahtev (kot je ekstremno hlajenje) za kvantni računalnik.

"Glede [imeti fizični kvantni računalnik] na vaši mizi, se morda motim, vendar mi ni jasno, da bo tako," je dejal Chow. »Večina sistemov, ki jih zgradite, zahteva to raven kvantne koherence, naj bo to superprevodni sistem ali ujetih ionov, vsi potrebujejo precej infrastrukture, da jih lahko vzdržujete - in še posebej, ko se širite gor."

Toda tu nastopi motnja računalništva v oblaku. Računalništvo v oblaku pomeni, da imajo uporabniki dostop do superračunalniških zmogljivosti ne glede na to, ali so v isti fizični bližini. Računalniška moč ali shranjevanje ni več omejeno na strojno opremo, ki je na voljo na vaši mizi, kot je bilo pred 20 leti.

"Danes se toliko dela v oblaku [in] ljudje sploh ne opazijo," je dejal Chow. »Kolikokrat se ljudje zavejo, da nekaj ne predelajo sami prenosniki ali na svojih telefonih, ampak kje drugje? Tako bo kvantno delovanje v oblaku delovalo.«

Do neke mere je tako kvantno računalništvo že delajo. Maja 2016 je IBM predstavil svoj Kvantna izkušnja, pet-kubitni kvantni procesor in povezan simulator ujemanja, ki uporabnikom omogoča izvajanje poskusov na kvantnem računalniškem sistemu. Do danes je IBM Quantum uvedel 32 kvantnih procesorjev v oblaku, z več kot 280.000 uporabniki po vsem svetu, ki dnevno skupaj izvajajo več kot milijardo kvantnih vezij. Ko bodo na voljo zmogljivejši kvantni računalniki, bodo tudi ti uporabnikom dostopni prek oblaka.

"Imeli boste težave, ki se naravno rešijo z uporabo najboljših tehnik, ki jih poznamo v tradicionalnih računalnikih," je dejal Chow. "Toda obstajajo tudi deli teh problemov, ki so danes preveč zapleteni za rešitev [s celo visoko zmogljivimi računalniškimi sistemi], ki bi lahko bili primerni za kvantne računalnike."

Ne, svoje Excelove preglednice ne boste kmalu (če sploh kdaj) izvajali na kvantnem računalniku. Klasični računalniki odlično poganjajo Excel. Toda deli aplikacij bi zagotovo lahko izkoristili kvantne zmogljivosti, bodisi za stvari, kot je šifriranje ali boljše strojno učenje. Lahko bi bilo celo nekaj bolj fascinantno lahkomiselnih primerov. na primer James Wootton, še en IBM-ov inženir, za to uporablja kvantno računalništvo naključno generiranje terena v računalniških igrah. Ste kdaj sanjali o igri, ki bi se lahko ob vsakem igranju povsem na novo konfigurirala do nepredstavljive stopnje? Quantum je vaš odgovor.

Hibridni model

"To je tisto, kar mislimo z računalniškim modelom hibridnega oblaka," je dejal Chow. »Imeli boste svojo težavno delovno obremenitev, ki se napaja v računalnik in pravi deli gredo v klasični računalnik, drugi deli pa v kvantni računalnik. Potem pride ven rešitev. To je slika, ki si jo lahko predstavljate v prihodnosti. [Quantum is] ni nadomestilo [za klasične računalnike], vendar bosta zagotovo delovala z roko v roki.«

IBM se ne bo zavezal, kdaj natančno bo dobavil svoj računalnik z milijoni kubitov - ali, glede tega, kdaj bo njegov hladilnik Goldeneye dokončan. Vendar je precej jasno, da verjamejo, da bo kvantno računalništvo spremenilo igro.

V objava, napisana za IBM-ov blog v začetku tega leta, Jay Gambetta, IBM-ov sodelavec in podpredsednik za kvantno računalništvo, je naslednjo generacijo IBM-ovih kvantnih računalnikov primerjal z misijami Apollo, ki so privedle do pristanka na Luni. To je prava primerjava. Lahko je tudi točna.

Tukaj v letu 2020, z možnostjo a pristanek na novi luni osupljivo bližje, kot je bilo v zadnjih desetletjih, to zveni kot veliko bolj optimistična primerjava, kot bi morda bila celo pred nekaj leti. Moralo bi se splačati počakati.

Priporočila urednikov

• Umetna inteligenca bi lahko nadomestila približno 7800 delovnih mest v IBM-u kot del premora pri zaposlovanju
• Znotraj laboratorija v Združenem kraljestvu, ki povezuje možgane s kvantnimi računalniki
• IBM-ov novi 127-qubit procesor je velik preboj v kvantnem računalništvu
• Raziskovalci ustvarjajo "manjkajoči kos sestavljanke" pri razvoju kvantnega računalništva
• Predsednik IBM-a potrjuje, da bo pomanjkanje čipov trajalo še "nekaj let".