Wyścig jest w pełnym rozkwicie. Wiodące firmy na świecie próbują stworzyć pierwszy komputer kwantowy, oparty na technologii, która od dawna obiecuje naukowcom pomoc w opracowywaniu cudownych nowych materiałów, doskonałego szyfrowania danych i dokładnego przewidywania zmian klimatu na Ziemi. Taka maszyna prawdopodobnie pojawi się nie wcześniej niż za dziesięć lat, ale to nie powstrzyma IBM, Microsoft, Google, Intel i innych. Dosłownie umieszczają bity kwantowe - lub kubity - na chipie procesora, dosłownie. Ale droga do obliczeń kwantowych obejmuje znacznie więcej niż manipulowanie cząstkami subatomowymi.
Kubit może reprezentować jednocześnie 0 i 1 dzięki unikalnemu zjawisku kwantowemu superpozycji. Pozwala to kubitom na wykonywanie ogromnej ilości obliczeń w tym samym czasie, znacznie zwiększając szybkość i pojemność obliczeniową. Ale są różne typy kubitów i nie wszystkie z nich są tworzone tak samo. Na przykład w programowalnym krzemowym chipie kwantowym wartość bitu (1 lub 0) jest określana przez kierunek obrotu jego elektronu. Jednak kubity są niezwykle kruche, a niektóre wymagają temperatury nawet 20 milikelwinów - 250 razy niższej niż w kosmosie - aby zachować stabilność.
Oczywiście komputer kwantowy to nie tylko procesor. Te systemy nowej generacji będą wymagały nowych algorytmów, nowego oprogramowania, połączeń i szeregu technologii, które jeszcze nie zostały wynalezione, a które czerpią korzyści z ogromnej mocy obliczeniowej. Ponadto wyniki obliczeń będą musiały być gdzieś przechowywane.
„Gdyby to nie było takie trudne, już byśmy to zrobili” - mówi Jim Clark, dyrektor ds. Sprzętu kwantowego w Intel Labs. Na tegorocznych targach CES Intel zaprezentował 49-kubitowy procesor o nazwie kodowej Tangle Lake. Kilka lat temu firma stworzyła wirtualne środowisko do testowania oprogramowania kwantowego; wykorzystuje potężny superkomputer Stampede (z University of Texas) do symulacji 42-kubitowego procesora. Jednak faktyczne zrozumienie, jak pisać oprogramowanie dla komputerów kwantowych, wymaga symulacji setek, a nawet tysięcy kubitów, mówi Clarke.
Scientific American przeprowadził wywiad z Clarke na temat różnych podejść do budowy komputera kwantowego, dlaczego są one tak kruche i dlaczego wszystko trwa tak długo. To będzie dla ciebie interesujące.
Czym obliczenia kwantowe różnią się od tradycyjnych komputerów?
Film promocyjny:
Powszechną metaforą używaną do porównywania dwóch typów obliczeń jest moneta. W tradycyjnym procesorze komputerowym tranzystor to łby lub ogony. Ale jeśli zapytasz, po której stronie moneta jest zwrócona, gdy się kręci, odpowiesz, że odpowiedź może być obydwu. Tak działa obliczenia kwantowe. Zamiast zwykłych bitów, które reprezentują 0 lub 1, masz bit kwantowy, który reprezentuje jednocześnie 0 i 1, dopóki kubit nie przestanie się obracać i nie przejdzie w stan spoczynku.
Przestrzeń stanów - lub zdolność do iteracji po ogromnej liczbie możliwych kombinacji - jest wykładnicza w przypadku komputera kwantowego. Wyobraź sobie, że mam w dłoni dwie monety i jednocześnie podrzucam je w powietrze. Gdy się obracają, reprezentują cztery możliwe stany. Jeśli podrzucę w powietrze trzy monety, reprezentują osiem możliwych stanów. Jeśli podrzucę pięćdziesiąt monet w powietrze i zapytam, ile stanów reprezentują, odpowiedzią jest liczba, której nawet najpotężniejszy superkomputer na świecie nie jest w stanie obliczyć. Trzysta monet - wciąż stosunkowo niewielka liczba - będzie reprezentować więcej stanów niż atomów we wszechświecie.
Dlaczego kubity są tak kruche?
W rzeczywistości monety lub kubity w końcu przestają się obracać i zapadają w określony stan, czy to orzeł, czy reszka. Celem obliczeń kwantowych jest utrzymywanie ich w superpozycji w zbiorze stanów przez długi czas. Wyobraź sobie, że moneta kręci się na moim stole i ktoś popycha stół. Moneta może spaść szybciej. Hałas, zmiany temperatury, wahania elektryczne lub wibracje mogą zakłócać działanie kubitu i prowadzić do utraty danych. Jednym ze sposobów ustabilizowania pewnych typów kubitów jest utrzymywanie ich w chłodzie. Nasze kubity pracują w lodówce wielkości beczki o pojemności 55 galonów i używają specjalnego izotopu helu do schłodzenia ich prawie do zera absolutnego.
Czym różnią się od siebie różne typy kubitów?
Istnieje nie mniej niż sześć lub siedem różnych typów kubitów, a około trzech lub czterech z nich jest aktywnie rozważanych do wykorzystania w komputerach kwantowych. Różnica polega na tym, jak manipulować kubitami i sprawić, by komunikowały się ze sobą. Potrzebujesz dwóch kubitów, aby komunikować się ze sobą, aby wykonywać duże „splątane” obliczenia, a różne typy kubitów są splątane na różne sposoby. Typ, który opisałem, który wymaga ekstremalnego chłodzenia, nazywany jest systemem nadprzewodnikowym, który obejmuje nasz procesor Tangle Lake i komputery kwantowe zbudowane przez Google, IBM i inne. Inne podejścia wykorzystują oscylujące ładunki uwięzionych jonów - utrzymywane na miejscu w komorze próżniowej przez wiązki laserowe - które działają jak kubity. Intel nie rozwija systemów uwięzionych jonów, ponieważ wymaga dogłębnej znajomości laserów i optyki,nie możemy tego zrobić.
Jednak badamy trzeci typ, który nazywamy kubitami spinowymi krzemu. Wyglądają dokładnie jak tradycyjne tranzystory krzemowe, ale działają na jednym elektronie. Kubity spinowe wykorzystują impulsy mikrofalowe do kontrolowania spinu elektronu i uwalniania jego siły kwantowej. Ta technologia jest obecnie mniej dojrzała niż technologia kubitów nadprzewodzących, ale jest prawdopodobnie dużo bardziej prawdopodobne, że skaluje się i odniesie sukces komercyjny.
Jak stąd dojść do tego punktu?
Pierwszym krokiem jest wykonanie tych chipów kwantowych. W tym samym czasie wykonywaliśmy symulacje na superkomputerze. Aby uruchomić symulator kwantowy Intela, potrzeba około pięciu bilionów tranzystorów, aby zasymulować 42 kubity. Osiągnięcie komercyjnego zasięgu wymaga miliona kubitów lub więcej, ale rozpoczęcie od takiego symulatora może zbudować podstawową architekturę, kompilatory i algorytmy. Dopóki nie będziemy mieć fizycznych systemów, które będą zawierały od kilkuset do tysiąca kubitów, nie jest jasne, jakie oprogramowanie możemy na nich uruchomić. Istnieją dwa sposoby na zwiększenie rozmiaru takiego systemu: jeden polega na dodaniu większej liczby kubitów, co będzie wymagało większej przestrzeni fizycznej. Problem w tym, że jeśli naszym celem jest zbudowanie komputerów z milionem kubitów, matematyka nie pozwoli im dobrze się skalować. Innym sposobem jest kompresja wewnętrznych wymiarów układu scalonego, ale takie podejście wymagałoby układu nadprzewodzącego, który musi być ogromny. Kubity spinowe są milion razy mniejsze, dlatego szukamy innych rozwiązań.
Ponadto chcemy podnosić jakość kubitów, co pomoże nam testować algorytmy i budować nasz system. Jakość odnosi się do dokładności, z jaką informacje są przekazywane w czasie. Chociaż wiele części takiego systemu poprawi jakość, największe korzyści przyniesie opracowanie nowych materiałów i poprawa dokładności impulsów mikrofalowych i innej elektroniki sterującej.
Niedawno amerykańska Podkomisja ds. Handlu Cyfrowego i Ochrony Konsumentów przeprowadziła przesłuchanie na temat obliczeń kwantowych. Co prawodawcy chcą wiedzieć o tej technologii?
Istnieje kilka przesłuchań związanych z różnymi komisjami. Jeśli weźmiemy pod uwagę obliczenia kwantowe, możemy powiedzieć, że będą to technologie obliczeniowe na następne 100 lat. To naturalne, że Stany Zjednoczone i inne rządy są zainteresowane ich szansą. Unia Europejska ma wielomiliardowy plan finansowania badań kwantowych w Europie. Jesienią zeszłego roku Chiny ogłosiły utworzenie bazy badawczej o wartości 10 miliardów dolarów, która skupi się na informatyce kwantowej. Pytanie brzmi, co możemy zrobić jako kraj na poziomie krajowym? Krajowa strategia obliczeń kwantowych powinna być prowadzona przez uniwersytety, rząd i przemysł, współpracując nad różnymi aspektami technologii. Normy są zdecydowanie potrzebne w zakresie komunikacji lub architektury oprogramowania. Praca też jest problemem. Jeśli teraz otworzę wakat na eksperta w dziedzinie komputerów kwantowych, prawdopodobnie dwie trzecie kandydatów będzie przebywać poza Stanami Zjednoczonymi.
Jaki wpływ mogą mieć komputery kwantowe na rozwój sztucznej inteligencji?
Zazwyczaj pierwsze proponowane algorytmy kwantowe będą skupiać się na bezpieczeństwie (np. Kryptografii) lub chemii i modelowaniu materiałów. Są to problemy zasadniczo nierozwiązywalne dla tradycyjnych komputerów. Jest jednak mnóstwo startupów i grup naukowców pracujących nad uczeniem maszynowym i sztuczną inteligencją wraz z wprowadzeniem komputerów kwantowych, nawet teoretycznych. Biorąc pod uwagę ramy czasowe potrzebne do rozwoju sztucznej inteligencji, spodziewałbym się pojawienia się tradycyjnych chipów zoptymalizowanych specjalnie pod kątem algorytmów AI, co z kolei będzie miało wpływ na rozwój chipów kwantowych. W każdym razie sztuczna inteligencja z pewnością zyska na popularności dzięki komputerom kwantowym.
Kiedy zobaczymy, jak działające komputery kwantowe rozwiązują rzeczywiste problemy?
Pierwszy tranzystor powstał w 1947 roku. Pierwszy układ scalony powstał w 1958 roku. Pierwszy mikroprocesor Intela - który zawierał około 2500 tranzystorów - pojawił się dopiero w 1971 roku. Każdy z tych kamieni milowych dzieli ponad dekadę. Ludzie myślą, że komputery kwantowe są tuż za rogiem, ale historia pokazuje, że postęp wymaga czasu. Jeśli za 10 lat będziemy mieli komputer kwantowy z kilkoma tysiącami kubitów, to na pewno zmieni świat, tak jak zrobił to pierwszy mikroprocesor.
Ilya Khel