Kilpailu on täydessä vauhdissa. Maailman johtavat yritykset yrittävät luoda ensimmäisen kvantitietokoneen, joka perustuu tekniikkaan, joka on jo kauan luvannut tutkijoille auttaa kehittämään ihmeellisiä uusia materiaaleja, täydellistä tietojen salausta ja ennustamaan tarkasti maapallon ilmaston muutokset. Tällainen kone ilmestyy todennäköisesti aikaisintaan kymmenen vuoden kuluttua, mutta tämä ei estä IBM: tä, Microsoftia, Googlea, Inteliä ja muita. Ne kirjaimellisesti palavat kvanttibitit - tai kvbitit - prosessorin sirulle kirjaimellisesti. Mutta tie kvanttilaskentaan liittyy paljon muutakin kuin subatomisten hiukkasten manipulointiin.
Qubit voi edustaa yhtä aikaa 0 ja 1, ainutlaatuisen kvantti-ilmiön ansiosta. Tämä sallii kvittien suorittaa valtavan määrän laskutoimituksia samanaikaisesti, mikä lisää huomattavasti laskennanopeutta ja kapasiteettia. Mutta kvittejä on erityyppisiä, ja kaikkia ei ole luotu samoiksi. Esimerkiksi ohjelmoitavassa piikvanttisirussa bitin arvo (1 tai 0) määritetään sen elektronin pyörimissuunnasta. Kuitenkin, kviteetit ovat erittäin herkkiä, ja jotkut tarvitsevat jopa 20 millikelviinin lämpötiloja - 250 kertaa kylmempiä kuin syvässä tilassa - pysyäkseen vakaina.
Tietysti kvantitietokone ei ole vain prosessori. Nämä seuraavan sukupolven järjestelmät vaativat uusia algoritmeja, uusia ohjelmistoja, yhteyksiä ja joukon vielä keksittyjä tekniikoita, jotka hyötyvät kolosiaalisesta laskentatehosta. Lisäksi laskelmien tulokset on tallennettava jonnekin.
"Jos se ei olisi ollut niin vaikeaa, olisimme jo tehneet yhden", sanoo Jim Clark, Intel Labsin kvanttilaitteistojen johtaja. Intel esitteli tämän vuoden CES-konferenssissa 49-bittisen prosessorin, koodinimeltään Tangle Lake. Muutama vuosi sitten yritys loi virtuaalisen ympäristön kvanttiohjelmistojen testaamiseen; Se käyttää tehokasta Stampede-supertietokonetta (Teksasin yliopistossa) simuloimaan 42-bittistä prosessoria. Clarke toteaa kuitenkin, että kvanttitietokoneiden ohjelmistojen kirjoittamisen ymmärtäminen edellyttää simuloida satoja tai jopa tuhansia kvittejä.
Tieteellinen amerikkalainen haastatteli Clarkea erilaisista lähestymistavoista kvanttitietokoneen rakentamiseen, miksi ne ovat niin hauraita ja miksi koko asia vie niin kauan. Se on mielenkiintoista sinulle.
Kuinka kvanttilaskenta eroaa perinteisestä laskennasta?
Mainosvideo:
Yleinen metafora, jota käytetään vertaamaan kahta laskutyyppiä, on kolikko. Perinteisessä tietokoneprosessorissa transistori on joko pää tai hännä. Mutta jos kysyt, kumpaan puoleen kolikko osoittaa, kun se pyörii, sanot, että vastaus voi olla molemmat. Näin kvanttilaskenta toimii. Tavallisten bittien sijasta, jotka edustavat 0 tai 1, sinulla on kvanttibitti, joka edustaa sekä 0 että 1 samanaikaisesti, kunnes bbitti lopettaa pyörimisen ja siirtyy lepotilaan.
Tilatila - tai kyky iteroida valtavan määrän mahdollisia yhdistelmiä - on eksponentiaalinen kvantitietokoneen tapauksessa. Kuvittele, että minulla on kaksi kolikkoa kädessäni ja heittää niitä ilmaan samanaikaisesti. Pyöriessään ne edustavat neljää mahdollista tilaa. Jos heittää kolme kolikkoa ilmassa, ne edustavat kahdeksan mahdollista tilaa. Jos heitän viisikymmentä kolikkoa ilmaan ja kysyn, kuinka monta tilaa ne edustavat, vastaus on numero, jota edes maailman tehokkain supertietokone ei pysty laskemaan. Kolmesataa kolikkoa - silti suhteellisen pieni määrä - edustaa enemmän valtioita kuin atomeja maailmankaikkeudessa.
Miksi kurssit ovat niin herkkiä?
Tosiasia on, että kolikot, tai rahat, lopettavat lopulta pyörimisen ja romahtavat tiettyyn tilaan, olipa kyse sitten päästä tai pyrstöstä. Kvanttilaskennan tavoitteena on pitää se pyörivässä superpositiossa tilasarjoissa pitkään. Kuvittele, että kolikoni pyörii pöydälläni ja joku työntää pöytää. Kolikko voi pudota nopeammin. Melu, lämpötilan muutokset, sähköiset vaihtelut tai tärinä voivat kaikki häiritä kvbitin toimintaa ja johtaa sen tietojen häviämiseen. Yksi tapa stabiloida tietyntyyppisiä kvittejä on pitää ne kylminä. Kvartitimme juoksevat 55 gallonan tynnyrikokoisessa jääkaapissa ja käyttävät erityistä heliumin isotooppia niiden jäähdyttämiseksi lähes absoluuttiseen nollaan.
Kuinka erityyppiset qubitit eroavat toisistaan?
Eri tyyppisiä kvitejä on vähintään kuusi tai seitsemän, ja noin kolme tai neljä niistä harkitaan aktiivisesti kvanttitietokoneisiin. Ero on siinä, miten manipuloida kvittejä ja saada ne kommunikoimaan keskenään. Tarvitset kaksi qubittiä kommunikoidaksesi keskenään suurten "takertuneiden" laskelmien suorittamiseksi, ja erityyppiset qubitit takertuvat eri tavoin. Minun kuvaamaani tyyppiä, joka vaatii äärimmäistä jäähdytystä, kutsutaan suprajohtavaksi järjestelmään, joka sisältää Tangle Lake -prosessorimme ja Googlen, IBM: n ja muiden rakentamat kvantitietokoneet. Muut lähestymistavat käyttävät loukkuun jääneiden ionien värähteleviä varauksia - joita pidetään paikoillaan tyhjökammiossa lasersäteiden avulla -, jotka toimivat kviteinä. Intel ei kehitä loukkuun jääneitä ionijärjestelmiä, koska se vaatii syvää tietämystä laserista ja optiikasta,emme voi tehdä sitä.
Tutkimme kuitenkin kolmatta tyyppiä, jota kutsumme piikierteiksi. Ne näyttävät täsmälleen kuten perinteiset pii-transistorit, mutta toimivat yhdellä elektronilla. Spin-kvbitit käyttävät mikroaaltopulsseja elektronin spinin ohjaamiseen ja sen kvanttivoiman vapauttamiseen. Tämä tekniikka on nykyään vähemmän kypsä kuin suprajohtava qubit-tekniikka, mutta on todennäköisesti paljon todennäköisempi mitoittaa sitä ja tulla kaupallisesti menestyvä.
Kuinka päästä tähän pisteeseen täältä?
Ensimmäinen askel on tehdä nämä kvanttipiirit. Samanaikaisesti olemme suorittaneet simulaatioita supertietokoneella. Intelin kvantisimulaattorin ajamiseen tarvitaan noin viisi biljoonaa transistoria 42 kvbitin simulointiin. Kaupallisen ulottuvuuden saavuttaminen vie miljoonan kvbitin tai enemmän, mutta tällaisen simulaattorin avulla voidaan rakentaa perusarkkitehtuuri, kääntäjät ja algoritmit. Ennen kuin meillä on fyysisiä järjestelmiä, jotka sisältävät muutamasta sadasta tuhanteen kvbitin, ei ole selvää, millaisia ohjelmistoja voimme käyttää niillä. On olemassa kaksi tapaa suurentaa tällaisen järjestelmän kokoa: yksi on lisätä enemmän kvittejä, mikä vaatii enemmän fyysistä tilaa. Ongelmana on, että jos tavoitteemme on rakentaa tietokoneita, joilla on miljoona kvbittiä, matematiikka ei salli niiden laajuutta. Toinen tapa on puristaa integroidun piirin sisäiset mitat, mutta tämä lähestymistapa vaatisi suprajohtavaa järjestelmää, jonka on oltava valtava. Spin-kappaleet ovat miljoona kertaa pienemmät, joten etsimme muita ratkaisuja.
Lisäksi haluamme parantaa kvittien laatua, mikä auttaa meitä testaamaan algoritmeja ja rakentamaan järjestelmämme. Laatilla tarkoitetaan tarkkuutta, jolla tiedot välitetään ajan kuluessa. Vaikka monet tällaisen järjestelmän osat parantavat laatua, suurimpia hyötyjä on uusien materiaalien kehittämisestä ja mikroaaltopulssien ja muun ohjauselektroniikan tarkkuuden parantamisesta.
Äskettäin Yhdysvaltain digitaalikaupan ja kuluttajansuojan alakomitea järjesti kuulemisen kvanttilaskennasta. Mitä lainsäätäjät haluavat tietää tästä tekniikasta?
Eri komiteoihin liittyy useita kuulemistilaisuuksia. Jos otamme kvanttilaskennan, voimme sanoa, että nämä ovat laskennallisia tekniikoita seuraavan 100 vuoden ajan. On luonnollista, että Yhdysvallat ja muut hallitukset ovat kiinnostuneita mahdollisuuksistaan. Euroopan unionilla on monen miljardin dollarin suunnitelma kvantitutkimuksen rahoittamiseksi kaikkialla Euroopassa. Kiina ilmoitti viime syksynä 10 miljardin dollarin tutkimuspohjasta, joka keskittyy kvantti-informatiikkaan. Kysymys kuuluu, mitä voimme tehdä maana kansallisella tasolla? Yliopistojen, hallituksen ja teollisuuden tulisi johtaa kansallista kvanttilaskentastrategiaa yhdessä tekniikan eri näkökohtien parissa. Standardit ovat ehdottomasti välttämättömiä viestinnän tai ohjelmistoarkkitehtuurin kannalta. Myös työvoima on ongelma. Nyt, jos avoin kvanttilaskennan asiantuntijan avoin työpaikka, kaksi kolmasosaa hakijoista on todennäköisesti Yhdysvaltojen ulkopuolella.
Mitä vaikutusta kvanttilaskennalla voi olla tekoälyn kehitykseen?
Tyypillisesti ensimmäiset ehdotetut kvantialgoritmit keskittyvät turvallisuuteen (esim. Salaustekniikka) tai kemiaan ja materiaalien mallintamiseen. Nämä ovat ongelmia, jotka ovat periaatteessa ratkaisemattomia perinteisille tietokoneille. On kuitenkin tonnia aloittavia yrityksiä ja tutkijaryhmiä, jotka työskentelevät koneoppimisessa ja AI: ssä kvanttitietokoneiden käyttöönoton avulla, jopa teoreettisia. Ottaen huomioon AI: n kehittämiseen vaadittavan aikataulun, odottaisin perinteisiä siruja, jotka on optimoitu erityisesti AI-algoritmeille, mikä puolestaan vaikuttaa kvanttipiirien kehitykseen. Joka tapauksessa AI saa ehdottomasti lisäyksen kvanttilaskennasta.
Milloin näemme toimivien kvantitietokoneiden ratkaisevan todellisen maailman ongelmat?
Ensimmäinen transistori luotiin vuonna 1947. Ensimmäinen integroitu piiri oli vuonna 1958. Intelin ensimmäinen mikroprosessori - joka sisälsi noin 2500 transistoria - tuli markkinoille vasta vuonna 1971. Jokainen näistä virstanpylväistä on erotettu yli vuosikymmenellä. Ihmiset ajattelevat, että kvantitietokoneet ovat aivan nurkan takana, mutta historia osoittaa, että eteneminen vie aikaa. Jos meillä on kymmenessä vuodessa kvanttitietokone, jolla on muutama tuhat kvbittiä, se muuttaa maailmaa ehdottomasti samalla tavalla kuin ensimmäinen mikroprosessori.
Ilja Khel