Dirka je v polnem razmahu. Vodilna svetovna podjetja poskušajo ustvariti prvi kvantni računalnik, ki temelji na tehnologiji, ki znanstvenikom že dolgo obljublja, da bodo pomagali razviti čudovite nove materiale, popolno šifriranje podatkov in natančno napovedati spremembe podnebja na Zemlji. Takšen stroj se bo verjetno pojavil ne prej kot čez deset let, vendar to ne ustavi IBM, Microsoft, Google, Intel in druge. Na procesorski čip dobesedno delijo kvantne bite - ali kvitove. Toda pot do kvantnega računanja vključuje veliko več kot manipuliranje subatomskih delcev.
Qubit lahko hkrati predstavlja 0 in 1, zahvaljujoč edinstvenemu kvantnemu pojavu superpozicije. To omogoča, da qubits hkrati izvaja ogromno količino računanja, kar močno poveča hitrost in zmogljivost računalnika. Vendar obstajajo različne vrste kitov in niso vsi ustvarjeni enako. Na primer v programiranem silicijevem kvantnem čipu je vrednost bita (1 ali 0) določena s smerjo vrtenja njenega elektrona. Vendar so kiti izjemno krhki, nekateri pa potrebujejo temperaturo tudi do 20 millikelvinov - 250-krat hladnejšo kot v globokem vesolju -, da ostanejo stabilni.
Seveda kvantni računalnik ni samo procesor. Ti sistemi naslednje generacije bodo potrebovali nove algoritme, novo programsko opremo, povezave in kup tehnologij, ki jih je treba še izumiti, kar bo koristilo kolosalni računalniški moči. Poleg tega bo treba rezultate izračunov nekje shraniti.
"Če ne bi bilo tako težko, bi ga že naredili," pravi Jim Clark, direktor kvantne strojne opreme v Intel Labs. Na CES-u je letos Intel predstavil 49-kubični procesor, ki se imenuje Tangle Lake. Pred nekaj leti je podjetje ustvarilo virtualno okolje za testiranje kvantne programske opreme; uporablja močan superračunalnik Stampede (na Univerzi v Teksasu), da simulira 42-kubični procesor. Toda, da bi dejansko razumeli, kako pisati programsko opremo za kvantne računalnike, je potrebno simuliranje na stotine ali celo na tisoče qubitov, pravi Clarke.
Znanstveni Američan je Clarke intervjuval o različnih pristopih k izdelavi kvantnega računalnika, zakaj so tako krhki in zakaj celotna zadeva traja tako dolgo. Za vas bo zanimivo.
Kako se kvantno računalništvo razlikuje od tradicionalnega računanja?
Promocijski video:
Pogosta metafora, ki se uporablja za primerjavo obeh vrst izračunov, je kovanec. V tradicionalnem računalniškem procesorju je tranzistor bodisi glava bodisi repov. Če pa vprašate, na katero stran se kovanec sooča, ko se vrti, boste odgovorili, da je odgovor lahko oboje. Tako deluje kvantno računalništvo. Namesto običajnih bitov, ki predstavljajo 0 ali 1, imate kvantni bit, ki hkrati predstavlja 0 in 1, dokler se kbit ne preneha vrteti in preide v stanje mirovanja.
Državni prostor - ali zmožnost iteracije po ogromnem številu možnih kombinacij - je v primeru kvantnega računalnika eksponenten. Predstavljajte si, da imam v roki dva kovanca in ju hkrati vržem v zrak. Ko se vrtijo, predstavljajo štiri možna stanja. Če v zrak vržem tri kovance, predstavljajo osem možnih stanj. Če vržem petdeset kovancev v zrak in vas vprašam, koliko stanj predstavljata, je odgovor številka, ki je niti najmočnejši superračunalnik na svetu ne zna izračunati. Tristo kovancev - še vedno razmeroma majhno število - bo predstavljalo več stanj kot atomov v vesolju.
Zakaj so kititi tako krhki?
Resničnost je, da kovanci ali kolobarji sčasoma nehajo vrteti in propadati v določenem stanju, pa naj bodo to glave ali repi. Cilj kvantnega računanja je, da se v množici stanj dlje časa vrti v superpoziciji. Predstavljajte si, da se na moji mizi vrti kovanec in nekdo pritiska na mizo. Kovanec lahko hitreje pade. Hrup, temperaturne spremembe, električna nihanja ali vibracije lahko vse ovirajo delovanje kbita in vodijo do izgube njegovih podatkov. Eden od načinov za stabilizacijo nekaterih vrst kbitov je ohranitev hladnih. Naši qubits delujejo v hladilniku velikosti 55 litrov in uporabljajo poseben izotop helija, da jih ohladimo na skoraj nič.
Kako se različne vrste kubitov med seboj razlikujejo?
Obstaja najmanj šest ali sedem različnih tipov kvitov, približno tri ali štiri pa se aktivno uporabljajo za uporabo v kvantnih računalnikih. Razlika je v tem, kako manipulirati s qubits in jim omogočiti komunikacijo med seboj. Za komunikacijo med seboj potrebujete dva qubita, da lahko opravite velike "zapletene" izračune, različne vrste qubitov pa se zapletejo na različne načine. Tip, ki sem ga opisal, ki zahteva izjemno hlajenje, se imenuje nadprevodni sistem, ki vključuje naš procesor Tangle Lake in kvantne računalnike, ki so jih zgradili Google, IBM in drugi. Drugi pristopi uporabljajo nihajne naboje ujetih ionov - ki jih v vakuumski komori držijo laserski žarki - ki delujejo kot kbit. Intel ne razvija sistemov ujetih ionov, ker zahteva globoko poznavanje laserjev in optike oz.tega ne moremo storiti
Vendar pa preučujemo tretjo vrsto, ki ji rečemo silikonski centrifugi. Videti so povsem kot tradicionalni silicijevi tranzistorji, vendar delujejo na enem samem elektronu. Spin-kiti uporabljajo mikrovalovne impulze za nadzor vrtenja elektrona in sproščanje njegove kvantne sile. Ta tehnologija je danes manj zrela od superprevodne qubit tehnologije, vendar je verjetno veliko večja možnost, da se poveča in postane komercialno uspešna.
Kako od tu priti do te točke?
Prvi korak je izdelava teh kvantnih čipov. Hkrati smo izvajali simulacije na superračunalniku. Za zagon Intelovega kvantnega simulatorja je potrebnih približno pet trilijonov tranzistorjev, ki simulirajo 42 kitov. Za komercialni doseg je potreben milijon kubičev ali več, vendar lahko začnete s takim simulatorjem, da zgradite osnovno arhitekturo, prevajalnike in algoritme. Dokler ne bomo imeli fizičnih sistemov, ki bodo vsebovali od nekaj sto do tisoč kubičev, ni jasno, s kakšno programsko opremo lahko na njih delujemo. Obstajata dva načina za povečanje velikosti takšnega sistema: eden je dodati več qubitov, kar bo zahtevalo več fizičnega prostora. Težava je v tem, da če je naš cilj sestaviti računalnike z milijonom kubičev, jim matematika ne bo omogočala lestvice. Drugi način je, da iztisnete notranje dimenzije integriranega vezja, vendar bi ta pristop zahteval superprevodni sistem, ki mora biti ogromen. Spin qubits je milijon krat manjši, zato iščemo druge rešitve.
Poleg tega želimo izboljšati kakovost qubitov, kar nam bo pomagalo preizkusiti algoritme in zgraditi naš sistem. Kakovost se nanaša na točnost, s katero se informacije sporočajo skozi čas. Medtem ko se bo z mnogimi deli takšnega sistema izboljšala kakovost, bodo največji koristi dosegli z razvojem novih materialov in izboljšanjem natančnosti mikrovalovnih impulzov in druge nadzorne elektronike.
Pred kratkim je ameriški pododbor za digitalno trgovino in varstvo potrošnikov zaslišal kvantno računalništvo. Kaj želijo zakonodajalci vedeti o tej tehnologiji?
Z različnimi odbori je povezanih več zaslišanj. Če vzamemo kvantno računalništvo, lahko rečemo, da gre za računalniške tehnologije za naslednjih 100 let. Povsem naravno je, da se ZDA in druge vlade zanimajo za njihovo priložnost. Evropska unija ima načrt za več milijard dolarjev za financiranje kvantnih raziskav po vsej Evropi. Kitajska je lani jeseni napovedala raziskovalno bazo v višini 10 milijard dolarjev, ki se bo osredotočila na kvantno informatiko. Vprašanje je, kaj lahko kot država storimo na nacionalni ravni? Nacionalne strategije za kvantno računalništvo bi morale voditi univerze, vlada in industrija, ki skupaj sodelujejo na različnih vidikih tehnologije. Standardi so vsekakor potrebni glede komunikacijske ali programske arhitekture. Tudi težava je delovna sila. Zdaj, če odprem prosto delovno mesto za strokovnjaka za kvantno računalništvo, bosta dve tretjini prijavljenih verjetno zunaj ZDA.
Kakšen vpliv lahko ima kvantno računalništvo na razvoj umetne inteligence?
Običajno se bodo prvi predlagani kvantni algoritmi osredotočili na varnost (npr. Kriptografsko) ali kemijo in modeliranje materiala. To so problemi, ki so za tradicionalne računalnike v bistvu nerešljivi. Vendar pa obstaja na stotine startupov in skupin znanstvenikov, ki delajo na strojnem učenju in AI z uvedbo kvantnih računalnikov, tudi teoretičnih. Glede na časovni okvir, potreben za razvoj AI, bi pričakoval pojav tradicionalnih čipov, optimiziranih posebej za algoritme AI, kar bo posledično vplivalo na razvoj kvantnih čipov. Vsekakor bo AI zagotovo dobil spodbudo s kvantnim računanjem.
Kdaj bomo videli, kako delujoči kvantni računalniki rešujejo težave v resničnem svetu?
Prvi tranzistor je bil ustvarjen leta 1947. Prvo integrirano vezje je bilo leta 1958. Intelov prvi mikroprocesor - ki je vseboval približno 2500 tranzistorjev - se je pojavil šele leta 1971. Vsakega od teh mejnikov loči več kot desetletje. Ljudje mislijo, da so kvantni računalniki tik za vogalom, toda zgodovina kaže, da je za napredek potreben čas. Če bomo čez 10 let imeli kvantni računalnik z nekaj tisoč kubiki, bo vsekakor spremenil svet tako kot prvi mikroprocesor.
Ilya Khel