Амбітний план квантового комп’ютера IBM на мільйон кубітів

IBM, одна з найстаріших технологічних компаній у світі, створює холодильник. Це саме по собі не є безпрецедентним. Інші технологічні компанії мають побудовані холодильники раніше. LG продає вражаючий розумний холодильник LG InstaView Door-in-Door з підключенням до Wi-Fi. Samsung, ще один світовий виробник пристроїв, виготовляє чудовий RF23J9011SR 4-Door Flex із функцією Power Cool.

Але холодильник IBM (все ще в розробці) інший. Насправді дуже різні. З одного боку, він буде величезним: 10 футів заввишки та 6 футів завширшки. Також буде неймовірно холодно, близько 15 мілікельвінів, або -459 за Фаренгейтом, що холодніше, ніж у космосі. Він також названий на честь фільму про Джеймса Бонда, Goldeneye.

Однак найбільша різниця між ним і вашим звичайним кухонним холодильником полягає в його запланованому вмісті. Не чекайте вбудованого тримача для яєць, ящиків для овочів і місця для вашого сезонного яєчного лікеру. Натомість тут буде встановлено перший у світі квантовий комп’ютер об’ємом 1 мільйон кубітів — коли його також буде створено.

«Для появи квантових ефектів [квантові комп’ютери] потрібно охолодити до надзвичайно низьких температур», Джеррі Чоу, директор Quantum Hardware System Development в IBM, розповів Digital Trends. «Насправді вся інфраструктура, яка існує навколо самого процесора, вимагає достатнього охолодження, особливо коли ви її масштабуєте, чи не так?»

Саме цей процес розширення привів Чоу та його команду до неминучого висновку, що IBM справді потрібен, щоб потрапити в холодильний бізнес — принаймні, коли мова йде про його власну кількість комп'ютери. По-перше, існує обмеження на поточну потужність охолодження. Крім того, виникають проблеми з такими речами, як підтримання цілісності вакууму та збалансування ваги різних компонентів, необхідних для охолодження. Комп’ютерний науковець Алан Кей якось сказав, що компанія, яка серйозно ставиться до програмного забезпечення, також повинна створювати власне обладнання. Можливо, квантовим еквівалентом цього має бути те, що компанія, яка серйозно ставиться до квантових обчислень, повинна створити не лише власний квантовий комп’ютер, а й власний холодильник для його розміщення.

«Якщо ми просто зробимо масштабування за межами конверта, ви почнете бачити, що в якийсь момент те, що ви можете отримати від комерційних постачальників, стає недостатнім», — сказав Чоу. «Ви повинні почати думати про те, як ви просунетеся за межі [цього]?»

Що робить квантові обчислення такими різними, такими привабливими?

Суперхолодильник IBM — це, на певному рівні, червоний оселедець. Це схоже на будівництво шикарного нового гаража для Tesla, яку ви доставили. Звичайно, ці чудові гаражні ворота з дистанційним керуванням, які ви встановили, захоплюють, але це не так в захоплюючий біт. За цією аналогією нова Tesla Model S або Cybertruck — це запланований IBM квант на один мільйон кубітів. І за умови, що IBM зможе побудувати його за планом, це буде дурний, більш ніж гідний найскладнішого холодильника у світі.

Квантові комп’ютери були вперше запропоновані у 1980-х роках американським фізиком Полом Беніоффом, хоча квантова механіка, на якій вони базуються, сягає минулого до 1920-х років, коли фізики почали помічати, що певні експерименти не дають результатів, які вони передбачали, використовуючи їх поточне розуміння фізика. Річард Фейнман, Девід Дойч, Юрій Манін та інші вхопилися за ідею квантово-механічної моделі машини Тьюрінга, запропонувавши що квантовий комп’ютер можна використовувати для симуляції речей, які просто неможливо змоделювати за допомогою класичного комп’ютера за допомогою класичних фізика. У 1994 році Ден Саймон показав, що квантовий комп’ютер може бути експоненціально швидше, ніж класичний комп'ютер.

Однією з великих відмінностей від квантової є концепція суперпозиції. Класичний комп’ютер може бути або станом A, або B (або, у двійкових термінах, одиницею або нулем). Квантовий комп’ютер може бути сумішшю двох. (Це Мистецький експеримент Шредінгера з котом в якому кіт у коробці може бути або живим, або мертвим, або і живим, і мертвим одночасно.) Крім того, існують інші концепції такі як колапс, невизначеність і заплутаність, які роблять квантові комп’ютери дуже різними від тих, на яких ми з вами виросли на.

Так само, як класичний комп’ютер працює з бітами, квантові комп’ютери працюють з тим, що називають кубітами. Зараз найбільший квантовий комп’ютер IBM має 65 кубітів. До 2023 року він хоче побудувати один із 1000 кубітів. І через деякий час після цього — дата, на яку компанія не збирається, але яка, безперечно, є на її дорожній карті — вона побудує машину на 1 мільйон кубітів.

Перехід від 65 кубітів до мільйона кубітів – це справжній стрибок. Але обчислення, навіть класичні, виявляються досить непоганими, коли йдеться про експоненціальні стрибки. Закон Мура стверджує, що кількість транзисторів, які можна вмістити на друкованій платі, подвоюється приблизно кожні два роки. Найближче квантове значення до закону Мура — це те, що називають законом Роуза, сформульоване Джорді Роузом у 2002 році. Закон Роуза стверджує, що кількість кубітів у квантовому комп’ютері подвоюється кожні пару років.

Порівняно із законом Мура, наслідки закону Роуза, мабуть, ще більш глибокі, тому що, як зауважують Пітер Діамандіс і Стівен Котлер у своїй книзі Майбутнє швидше, ніж ви думаєте: як конвергентні технології змінюють бізнес, галузі та наше життя, кубіти в суперпозиції мають набагато більшу потужність, ніж двійкові біти в транзисторах.

Оскільки «більше» не завжди дорівнює «краще», одна з концептуальних змін IBM до цього поняття базується на більш детальній концепції того, що IBM називає квантовим обсягом. «Мова йде не лише про збільшення фізичної кількості кубітів», — сказав Чоу. «Зрештою, мова йде як про кількість кубітів, так і про те, наскільки добре вони працюють; наскільки велику схему ви можете запустити на цьому апаратному забезпеченні до того, як кубіти декогерують і ваша квантова інформація зникне. Таким показником є ​​квантовий об’єм».

Чого чекати, коли ви очікуєте квантових комп’ютерів

«Усе, що ми називаємо реальним, — сказав Нільс Бор, один із основоположників квантової механіки, — складається з речей, які не можна вважати реальними». Враховуючи передумову квантової суперпозиції, можливо, доцільно, що квантові комп’ютери сьогодні існують у дивному сутінковому світі тут, а не тут. IBM є лише однією з компаній, які створили функціонуючі квантові комп’ютери (Google, Baidu, Amazon – це деякі інші гучні імена). квантові алгоритми теж — у деяких випадках ті, які ще не можуть ефективно працювати на створених людьми квантових комп’ютерах.

І все ж, незважаючи на всі докази концепцій і причини для хвилювання, можна сказати, що світ ще не почав наближатися до використання величезної потужності квантових обчислень. «Що таке [квантове обчислення] передбачає реальне застосування, досі не зовсім відомо», — сказав Чоу.

Деякі з найбільш захоплюючих потенційних випадків використання — будь то обчислювальна хімія чи фінанси моделювання, кібербезпека та криптовалюта або просунуте прогнозування — залишаються примарами в кванті машина. Принаймні поки що.

Чому IBM зосереджена на квантових обчисленнях? «Ми зосереджені на тому, як ми забезпечуємо майбутнє обчислень», — сказав Чоу. Квант є невід’ємною частиною цього майбутнього.

Квантові обчислення є одним із трьох великих напрямків майбутнього IBM. Ця свята трійця технологій майбутнього складається з квантових обчислень, штучного інтелекту та хмари. Але це не індивідуальні ставки, як це було б, якби ви інвестували свої заощадження в три перспективні стартапи, вважаючи, що один із трьох має шанс стати єдинорогом, що з лишком компенсує будь-які втрати, понесені інші два.

Quantum, наприклад, може кардинально змінити правила для штучного інтелекту. Немає сумніву, що штучний інтелект — і, зокрема, машинне навчання — досяг дивовижних успіхів, використовуючи класичну обчислювальну архітектуру. Але quantum обіцяє ще більше прискорити процес. Квантові версії поточних алгоритмів машинного навчання (або, швидше за все, абсолютно нові, набагато швидші альтернативи) зможуть виконувати величезні дані ШІ. обчислення значно швидше швидкість. Вони зможуть обробляти приголомшливу кількість вимірів, які виникають із даних, і відображати їх у великому просторі квантових ознак. Квантова заплутаність може бути використана для виявлення нових закономірностей, які не можна виявити за допомогою традиційних класичних обчислень.

Плаває на квантовій хмарі

Хмара також є фундаментальною частиною квантової ставки IBM. Загалом, популярним прогресом класичних обчислень був перехід від мейнфреймів до міні-комп’ютерів і персональних комп’ютерів. У 1950-х роках люди мали доступ до величезних комп’ютерів лише у великих кімнатах з кондиціонерами. Наприкінці 1970-х і в 80-х роках у людей вдома були комп’ютери. До 1990-х років у людей з’явилися ноутбуки, які вони могли носити в сумці. Сьогодні у нас є комп’ютери у вигляді смартфонів, які ми носимо в кишенях.

Здається малоймовірним, що квантові комп’ютери зазнають такої ж зміни форм-фактора через вимоги (наприклад, екстремальне охолодження) для квантового комп’ютера.

«З точки зору [наявності фізичного квантового комп’ютера] на вашому столі, я можу помилятися, але мені незрозуміло, що це буде так», — сказав Чоу. «Більшість систем, які ви створюєте, вимагають такого рівня квантової когерентності, будь то надпровідна система. або захоплених іонів, усі потребують достатньої інфраструктури, щоб підтримувати їх — і особливо під час масштабування вгору».

Але тут проявляється руйнування хмарних обчислень. Хмарні обчислення означають, що користувачі мають доступ до можливостей суперкомп’ютера незалежно від того, чи знаходяться вони в одній фізичній близькості. Обчислювальна потужність або сховище більше не обмежуються апаратним забезпеченням, доступним на вашому столі, як це було 20 років тому.

«Сьогодні так багато робиться через хмару [і] люди навіть не помічають», — сказав Чоу. «Скільки разів люди розуміють, що щось не обробляється самостійно ноутбуки чи на власних телефонах, але в іншому місці? Ось як працюватиме квантова хмара».

Це, певною мірою, те, як квантові обчислення вже працює. У травні 2016 року IBM запустила свій Квантовий досвід, п’ятикубітний квантовий процесор і підключений симулятор відповідності, який дозволяє користувачам проводити експерименти на квантовій комп’ютерній системі. На сьогоднішній день IBM Quantum розгорнула 32 квантових процесори в хмарі, з більш ніж 280 000 користувачів у всьому світі, які спільно використовують понад 1 мільярд квантових схем щодня. З появою більш потужних квантових комп’ютерів вони також будуть доступні для користувачів через хмару.

«У вас виникнуть проблеми, які природно вирішуються за допомогою найкращих методів, які ми знаємо в традиційних комп’ютерах», — сказав Чоу. «Але є також частини цих проблем, які сьогодні надто складні для вирішення [навіть за допомогою високопродуктивних обчислювальних систем], які можуть підійти для квантових комп’ютерів».

Ні, ви не будете запускати свою електронну таблицю Excel на квантовому комп’ютері найближчим часом (якщо колись). Класичні комп’ютери можуть чудово запускати Excel. Але частини додатків, безперечно, можуть використовувати квантові можливості, чи то для таких речей, як шифрування чи кращого машинного навчання. Можуть бути навіть ще кілька вражаючих легковажних прикладів. Наприклад, Джеймс Вуттон, інший інженер IBM, використовує для цього квантові обчислення випадкова генерація місцевості в комп'ютерних іграх. Ви коли-небудь мріяли про гру, яка могла б повністю змінювати конфігурацію кожного разу, коли ви граєте, до неймовірного ступеня? Quantum — ваша відповідь.

Гібридна модель

«Це те, що ми маємо на увазі під моделлю гібридних хмарних обчислень», — сказав Чоу. «У вас буде робоче навантаження, яке надсилається на комп’ютер, і правильні частини надходять до класичного комп’ютера, а інші частини – до квантового. Потім виходить рішення. Це картина, яку ви можете уявити в майбутньому. [Quantum is] не є заміною [класичним комп’ютерам], але вони точно працюватимуть пліч-о-пліч».

IBM не бере на себе зобов’язань, коли саме вона поставить свій комп’ютер на мільйон кубітів — або, якщо на те пішло, коли її холодильник Goldeneye буде закінчено. Але віра в те, що квантові обчислення кардинально змінять правила, цілком зрозуміла.

В допис, написаний для блогу IBM на початку цього року, Джей Гамбетта, співробітник IBM і віце-президент із квантових обчислень, порівняв наступне покоління квантових комп’ютерів IBM із місіями «Аполлон», які завершилися висадкою на Місяць. Це справжнє порівняння. Це також може бути точним.

Тут у 2020 році, з перспективою a висадка молодика надзвичайно ближче, ніж це було за десятиліття, це звучить як набагато оптимістичніше порівняння, ніж могло бути навіть кілька років тому. Це має бути варте очікування.

Рекомендації редакції

• Штучний інтелект може замінити близько 7800 робочих місць у IBM в рамках призупинення найму
• Всередині британської лабораторії, яка з’єднує мозок із квантовими комп’ютерами
• Новий 127-кубітний процесор IBM є великим проривом у квантових обчисленнях
• Дослідники створюють «відсутню частину головоломки» в розробці квантових обчислень
• Президент IBM підтверджує, що дефіцит мікросхем триватиме ще «кілька років».