IBM: s ambitiösa kvantdatorplan för miljoner Qubit

IBM, ett av världens äldsta teknikföretag, bygger ett kylskåp. Det är i sig inte utan motstycke. Andra teknikföretag har byggde kylskåp tidigare. LG säljer den imponerande Wi-Fi-anslutna LG InstaView Door-in-Door Smart Fridge. Samsung, en annan global enhetstillverkare, gör den utmärkta RF23J9011SR 4-Door Flex med Power Cool-funktion.

Men IBMs kylskåp (fortfarande under utveckling) är annorlunda. Väldigt olika, faktiskt. Det kommer att vara enormt för en sak: 10 fot högt och 6 fot brett. Det kommer också att bli ofattbart kallt, runt 15 millikelvin, eller -459 Fahrenheit, vilket är kallare än rymden. Den är också uppkallad efter en James Bond-film, Goldeneye.

Men den största skillnaden mellan det och ditt vanliga kökskylskåp är dess planerade innehåll. Förvänta dig inte en inbyggd ägghållare, grönsakslådor och utrymme för din säsongsbetonade äggnock. Istället kommer det att vara hem till världens första kvantdator på 1 miljon qubit – när den väl är byggd.

"För att kvanteffekterna ska uppstå måste [kvantdatorer] kylas ner till extremt låga temperaturer," Jerry Chow, chef för Quantum Hardware System Development på IBM, berättade för Digital Trends. "Faktum är att all infrastruktur som går runt även bara själva processorn kräver en hel del kylning, speciellt när du skalar upp den, eller hur?"

Det var denna uppskalningsprocess som ledde Chow och hans team till den oundvikliga slutsatsen att IBM verkligen behövde komma in i kylbranschen — åtminstone när det gäller sitt eget kvantum datorer. För det första finns det en gräns för nuvarande kylkapacitet. Sedan finns det problem med saker som att upprätthålla vakuumintegriteten och balansera vikten på de olika komponenterna som behövs för kylning. Datavetaren Alan Kay sa en gång att företaget seriöst med mjukvara också borde bygga sin egen hårdvara. Kvantmotsvarigheten till detta borde kanske vara att företaget som är seriöst när det gäller kvantberäkning inte bara borde bygga sin egen kvantdator, utan ett eget kylskåp för att hysa den.

"Om vi ​​bara gör lite back-of-the-envelope-skalning, börjar du se att det du kan få från de kommersiella leverantörerna vid någon tidpunkt kommer att misslyckas," sa Chow. "Du måste börja fundera på hur du går bortom [det]?"

Vad är det som gör kvantberäkning så annorlunda, så tilltalande?

IBMs superkylskåp är på något sätt en röd sill. Det är lite som att bygga ett snyggt nytt garage för Teslan du ska leverera. Visst, den där snygga fjärrstyrda garageporten du har installerat är spännande - men det är den inte de spännande bit. I denna analogi är den nya Tesla Model S eller Cybertruck IBM: s planerade kvantum på en miljon qubit. Och, förutsatt att IBM kan bygga det som planerat, kommer det att vara ett dumt, mer än värdigt världens mest sofistikerade kylskåp.

Kvantdatorer föreslogs först på 1980-talet av den amerikanske fysikern Paul Benioff, även om kvantmekaniken som de bygger på går tillbaka till 1920-talet, när fysiker började märka att vissa experiment inte gav de resultat de hade förutspått med hjälp av deras nuvarande förståelse av fysik. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin och andra grep idén om en kvantmekanisk modell av en Turing-maskin, vilket antydde att en kvantdator skulle kunna användas för att simulera saker som helt enkelt inte kan simuleras genom en klassisk dator med hjälp av klassisk fysik. 1994 visade Dan Simon att en kvantdator kunde vara det exponentiellt snabbare än en klassisk dator.

En av de stora skillnaderna med kvant är begreppet superposition. En klassisk dator kan vara antingen ett tillstånd av A eller B (eller, i binära termer, ett eller noll). En kvantdator kan vara en blandning av de två. (Det är Schrödingers katttankeexperiment där en katt i en låda kan vara antingen levande, död eller både levande och död samtidigt.) Sedan finns det andra begrepp som kollaps, osäkerhet och intrassling, vilket gör att kvantdatorer skiljer sig mycket från de du och jag växte upp på.

På samma sätt som en klassisk dator arbetar på bitar, arbetar kvantdatorer på vad som kallas qubits. För närvarande har IBMs nuvarande största kvantdator 65 qubits. Till 2023 vill man bygga en med 1 000 qubits. Och någon gång efter det - ett datum som företaget inte kommer att förbinda sig till, men som verkligen finns på färdplanen - kommer det att bygga en 1-miljon qubit-maskin.

Att hoppa från 65 qubits till en miljon qubits är ett stort steg. Men datoranvändning, även klassisk datoranvändning, visar sig vara ganska bra när det kommer till exponentiella språng. Moores lag anger att antalet transistorer som får plats på ett kretskort fördubblas ungefär vartannat år. Det närmaste quantum kommer Moores lag är vad som kallas Roses lag, formulerat av Geordie Rose 2002. Roses lag säger att antalet qubits i en kvantdator fördubblas vartannat år.

Jämfört med Moores lag är implikationerna av Roses lag utan tvekan ännu mer djupgående eftersom, som Peter Diamandis och Steven Kotler observerar i sin bok Framtiden är snabbare än du tror: Hur konvergerande teknologier förändrar företag, industrier och våra liv, qubits i superposition har mycket mer kraft än de binära bitarna i transistorer.

Eftersom "mer" inte alltid är lika med "bättre", är en av IBMs konceptuella justeringar av denna uppfattning baserad på det mer nyanserade konceptet av vad IBM kallar kvantvolym. "Det handlar inte bara om att skala det fysiska antalet qubits," sa Chow. ”I slutändan handlar det om både antalet qubits och hur bra de presterar; hur stor krets kan du faktiskt köra på den hårdvaran innan qubits dekoherar och din kvantinformation försvinner. Kvantvolym är ett sådant mått."

Vad du kan förvänta dig när du förväntar dig kvantdatorer

"Allt vi kallar verkligt," sa Niels Bohr, en av kvantmekanikens grundfigurer, "är gjort av saker som inte kan betraktas som verkliga." Med tanke på antagandet om kvantsuperposition är det kanske lämpligt att kvantdatorer idag existerar i en märklig skymningsvärld här och inte här. IBM är bara ett av företagen som har byggt fungerande kvantdatorer (Google, Baidu, Amazon är några av de andra stora namnen.) Det finns kvantalgoritmer också — i vissa fall sådana som ännu inte kan köras effektivt på de kvantdatorer som folk har byggt.

Och ändå, trots alla bevis på begrepp och orsaker till spänning, är det rättvist att säga att världen ännu inte har börjat komma i närheten av att utnyttja kvantberäkningens enorma kraft. "Vad [quantum computing] innebär i form av faktiska tillämpningar är fortfarande inte helt känt," sa Chow.

Några av de mest spännande potentiella användningsfallen - oavsett om det är beräkningskemi, finansiell modellering, cybersäkerhet och kryptovaluta eller avancerad prognos – förblir spöken i kvantumet maskin. För nu, åtminstone.

Varför fokuserar IBM på kvantberäkning? "Vårt fokus ligger på hur vi levererar framtidens beräkningar," sa Chow. Quantum är en oundviklig del av den framtiden.

Quantum computing är en av IBMs tre stora satsningar för framtiden. Denna heliga treenighet av framtida teknologier består av kvantberäkningar, artificiell intelligens och molnet. Men det här är inte individuella vad som skulle vara fallet om du skulle investera dina besparingar i tre lovande startups, att tro att en av de tre har chansen att bli en enhörning som mer än kommer att kompensera alla förluster som andra två.

Quantum, till exempel, kan vara en gamechanger för A.I. Det råder ingen tvekan om att artificiell intelligens - och, mer specifikt, maskininlärning — har haft häpnadsväckande framsteg med klassisk datorarkitektur. Men quantum lovar att påskynda saker ännu mer. Kvantversioner av nuvarande maskininlärningsalgoritmer (eller, mer troligt, helt nya, mycket snabbare alternativ) kommer att kunna utföra enorma datadrivna A.I. beräkningar på ett betydligt snabbare Betygsätta. De kommer att kunna hantera det häpnadsväckande antalet dimensioner som uppstår från data och kartlägga dem i det stora kvantfunktionsutrymmet. Quantum intrassling kan användas för att upptäcka nya mönster som inte kan upptäckas med traditionell klassisk datoranvändning.

Flytande på kvantmolnet

Molnet är också en grundläggande del av IBM: s kvantsatsning. I stort sett var den populära utvecklingen av klassisk datoranvändning en övergång från stordatorer till minidatorer till persondatorer. På 1950-talet hade människor bara tillgång till enorma datorer i stora, luftkonditionerade rum. I slutet av 1970- och 80-talet hade människor datorer i sina hem. På 1990-talet hade människor bärbara datorer de kunde bära i väskan. Idag har vi datorer i form av smartphones som vi bär i fickan.

Det verkar osannolikt att kvantdatorer kommer att uppleva samma förändring i formfaktor på grund av kraven (som extrem kylning) för en kvantdator.

"När det gäller [att ha en fysisk kvantdator] på ditt skrivbord kan jag ha fel, men det är inte klart för mig att det kommer att vara fallet," sa Chow. "De flesta av de system du bygger som kräver denna nivå av kvantkoherens, oavsett om det är ett supraledande system eller fångade joner, alla kräver en hel del infrastruktur för att du ska kunna underhålla dem – och speciellt när du skalar upp."

Men det är här störningen av cloud computing kommer in i bilden. Cloud computing innebär att användare har tillgång till superdatorfunktioner oavsett om de befinner sig i samma fysiska närhet. Datorkraft eller lagring är inte längre begränsad till den hårdvara som finns tillgänglig på ditt skrivbord på samma sätt som det var för 20 år sedan.

"Så mycket idag görs över molnet [och] folk märker inte ens det," sa Chow. "Hur många gånger inser folk att något inte bearbetas på egen hand bärbara datorer eller på sina egna telefoner, men någon annanstans? Det är så quantum over molnet kommer att fungera."

Det är till viss del hur kvantberäkning är redan arbetssätt. I maj 2016 lanserade IBM sin Quantum Experience, en fem-qubit kvantprocessor och ansluten matchande simulator som låter användare utföra experiment på ett kvantdatorsystem. Hittills har IBM Quantum distribuerat 32 kvantprocessorer i molnet, med mer än 280 000 användare över hela världen som tillsammans kör uppåt 1 miljard kvantkretsar dagligen. I takt med att kraftfullare kvantdatorer görs tillgängliga kommer även dessa att vara tillgängliga för användare via molnet.

"Du kommer att få problem som naturligt löses med de bästa teknikerna som vi känner till i traditionella datorer," sa Chow. "Men sedan finns det också delar av dessa problem som är för komplexa för att lösa [med till och med högpresterande datorsystem] idag som kan vara lämpliga för kvantdatorer."

Nej, du kommer inte att köra ditt Excel-kalkylblad på en kvantdator någon gång snart (om någonsin). Klassiska datorer kan köra Excel alldeles utmärkt. Men delar av applikationer skulle säkert kunna utnyttja kvantfunktioner, oavsett om det gäller saker som kryptering eller bättre maskininlärning. Det kan till och med finnas några mer fascinerande oseriösa exempel. Till exempel, James Wootton, en annan IBM-ingenjör, använder kvantdatorer för att göra slumpmässig terränggenerering inom datorspel. Har du någonsin drömt om ett spel som helt och hållet kan konfigurera om sig självt varje gång du spelar till en ofattbar grad? Quantum är ditt svar.

Hybridmodellen

"Detta är vad vi menar med hybridmolnberäkningsmodellen," sa Chow. "Du kommer att få din problematik som matas in i en dator och de rätta delarna går till en klassisk dator och de andra delarna går till en kvantdator. Då kommer en lösning. Det är bilden du kan föreställa dig i framtiden. [Quantum is] är inte en ersättning [för klassiska datorer], men de kommer säkert att fungera hand i hand."

IBM kommer inte att förbinda sig att exakt när det kommer att leverera sin miljoner qubit-dator - eller, för den delen, när dess Goldeneye-kylskåp kommer att vara färdigt. Men det är ganska tydligt om dess övertygelse om att kvantberäkning kommer att bli en spelförändring.

I en inlägg skrivet för IBM: s blogg tidigare i år, Jay Gambetta, IBM-stipendiat och vicepresident för kvantdatorer, liknade nästa generation av IBM kvantdatorer med Apollo-uppdragen som resulterade i månlandningen. Det är väl en jämförelse. Det kan också vara korrekt.

Här under 2020, med utsikten till en nymånelandning lockande närmare än det har varit på decennier, det låter som en mycket mer optimistisk jämförelse än för bara några år sedan. Det borde vara väl värt att vänta.

Redaktörens rekommendationer

• AI skulle kunna ersätta cirka 7 800 jobb hos IBM som en del av en anställningspaus
• Inuti det brittiska labbet som ansluter hjärnor till kvantdatorer
• IBMs nya 127-qubit-processor är ett stort genombrott inom kvantberäkning
• Forskare skapar "saknad sticksåg" i utvecklingen av kvantberäkning
• IBMs president bekräftar att chipbristen kommer att pågå "några år" till