Závod je v plnom prúde. Popredné svetové spoločnosti sa snažia vytvoriť prvý kvantový počítač založený na technológii, ktorá už dlho sľubuje vedcom, že pomôžu vyvíjať úžasné nové materiály, dokonalé šifrovanie údajov a presne predpovedať zmeny v zemskej klíme. Takýto stroj sa pravdepodobne objaví najskôr o desať rokov, ale to nezastaví spoločnosti IBM, Microsoft, Google, Intel a ďalšie. Doslova rozdeľujú kvantové bity - alebo qubity - na procesorový čip doslova. Cesta k kvantovému počítaniu však zahŕňa oveľa viac ako len manipuláciu so subatomickými časticami.
Qubit môže reprezentovať 0 a 1 súčasne, vďaka jedinečnému kvantovému fenoménu superpozície. To umožňuje qubitsom vykonávať veľké množstvo výpočtov súčasne, čo výrazne zvyšuje výpočtovú rýchlosť a kapacitu. Existujú však rôzne typy qubitov a nie všetky sú vytvorené rovnako. Napríklad v programovateľnom kremíkovom kvantovom čipe sa hodnota bitu (1 alebo 0) stanoví podľa smeru otáčania jeho elektrónu. Quebity sú však mimoriadne krehké a niektoré potrebujú teplotu 20 milikelvínov - 250-krát chladnejšiu ako v hlbokom vesmíre - aby zostali stabilné.
Kvantový počítač samozrejme nie je iba procesor. Tieto systémy budúcej generácie budú vyžadovať nové algoritmy, nový softvér, pripojenia a veľa technológií, ktoré sa ešte len vymysleli, ktoré využívajú výhody obrovského výpočtového výkonu. Okrem toho bude potrebné niekde uložiť výsledky výpočtov.
„Keby to nebolo také ťažké, už by sme to spravili,“hovorí Jim Clark, riaditeľ kvantového hardvéru spoločnosti Intel Labs. V CES tento rok spoločnosť Intel predstavila 49-bitový procesor s kódovým označením Tangle Lake. Pred niekoľkými rokmi spoločnosť vytvorila virtuálne prostredie na testovanie kvantového softvéru; využíva výkonný superpočítač Stampede (na University of Texas) na simuláciu 42-bitového procesora. Na to, aby sme skutočne porozumeli tomu, ako písať softvér pre kvantové počítače, je potrebné simulovať stovky alebo dokonca tisíce qubitov, hovorí Clarke.
Vedecký Američan požiadal Clarka o rôzne prístupy k zostavovaniu kvantového počítača, prečo sú také krehké a prečo celá vec trvá tak dlho. Bude to pre vás zaujímavé.
Ako sa kvantové výpočty líšia od tradičných výpočtov?
Propagačné video:
Bežnou metaforou, ktorá sa používa na porovnanie dvoch typov výpočtov, je mince. V tradičnom počítačovom procesore je tranzistor buď hlavica alebo chvost. Ale ak sa spýtate, na ktorú stranu je mince otočená, keď sa točí, poviete, že odpoveď môže byť oboje. Takto funguje kvantové výpočty. Namiesto zvyčajných bitov, ktoré predstavujú 0 alebo 1, máte kvantový bit, ktorý predstavuje súčasne 0 aj 1, kým sa hranica prestane točiť a nevstúpi do pokojového stavu.
V prípade kvantového počítača je stavový priestor - alebo schopnosť opakovať veľké množstvo možných kombinácií - exponenciálny. Predstavte si, že mám dve ruky v ruke a hodím ich súčasne do vzduchu. Keď sa otáčajú, predstavujú štyri možné stavy. Ak hodím tri mince do vzduchu, predstavujú osem možných štátov. Ak hodím päťdesiat mincí do vzduchu a spýtam sa, koľko štátov reprezentujú, odpoveďou je číslo, ktoré nedokáže vypočítať ani najmocnejší superpočítač na svete. Tri stovky mincí - stále relatívne malý počet - budú predstavovať viac štátov ako atómov vo vesmíre.
Prečo sú vtáky tak krehké?
Realita je taká, že mince alebo qubity sa nakoniec prestanú točiť a zrútia sa do určitého stavu, či už ide o hlavy alebo chvosty. Cieľom kvantového počítania je udržať točenie v superpozícii v množine stavov po dlhú dobu. Predstavte si, že sa mi na stole točí minca a niekto na ňu tlačí. Mince môžu klesať rýchlejšie. Hluk, zmeny teploty, elektrické výkyvy alebo vibrácie môžu narušiť činnosť rýchlostného limitu a viesť k strate jeho údajov. Jedným zo spôsobov, ako stabilizovať určité druhy vtákov, je udržať ich v chlade. Naše kravy bežia v chladničke s veľkosťou 55 galónov a používajú špeciálny izotop hélia na ich ochladenie na takmer nulovú hodnotu.
Ako sa líšia rôzne typy qubits navzájom?
Existuje nie menej ako šesť alebo sedem rôznych typov qubitov a asi tri alebo štyri z nich sa aktívne zvažujú na použitie v kvantových počítačoch. Rozdiel je v tom, ako manipulovať s qubitmi a prinútiť ich navzájom komunikovať. Na to, aby ste mohli medzi sebou komunikovať, potrebujete dve qubity, aby ste mohli vykonávať veľké „zapletené“výpočty a rôzne typy qubits sa zaplietli rôznymi spôsobmi. Typ, ktorý som opísal a ktorý si vyžaduje extrémne chladenie, sa nazýva supravodivý systém, ktorý zahŕňa naše procesory Tangle Lake a kvantové počítače vyrobené spoločnosťou Google, IBM a ďalšími. Iné prístupy používajú oscilujúce náboje zachytených iónov - držané na mieste vo vákuovej komore laserovými lúčmi - ktoré pôsobia ako qubity. Spoločnosť Intel nevyvíja zachytené iónové systémy, pretože si vyžaduje hlboké znalosti laserov a optiky,nemôžeme to urobiť.
Študujeme však tretí typ, ktorý nazývame kremíkové spinové qubity. Vyzerajú presne ako tradičné kremíkové tranzistory, ale pracujú na jednom elektróne. Spin qubits používajú mikrovlnné impulzy na riadenie rotácie elektrónu a uvoľnenie jeho kvantovej sily. Táto technológia je dnes menej vyspelá ako supravodivá technológia qubit, ale je oveľa pravdepodobnejšie, že sa bude škálovať a stane sa komerčne úspešnou.
Ako sa odtiaľto dostanete?
Prvým krokom je vytvorenie týchto kvantových čipov. Zároveň sme vykonali simulácie na superpočítači. Aby bolo možné spustiť kvantový simulátor spoločnosti Intel, simuluje 42 obvodov približne päť biliónov tranzistorov. Dosiahnutie komerčného dosahu trvá milión qubits alebo viac, ale počnúc simulátorom, ako je tento, sa dá zostaviť základná architektúra, kompilátory a algoritmy. Kým nebudeme mať fyzické systémy, ktoré budú obsahovať niekoľko sto až tisíc quitov, nie je jasné, aký softvér na nich môžeme prevádzkovať. Existujú dva spôsoby, ako zväčšiť veľkosť takého systému: jedným je pridať viac qubits, čo bude vyžadovať viac fyzického priestoru. Problém je v tom, že ak je naším cieľom stavať počítače s miliónom vtákov, matematika im nedovolí dobre sa škálovať. Iným spôsobom je kompresia vnútorných rozmerov integrovaného obvodu, ale tento prístup by si vyžadoval supravodivý systém, ktorý musí byť obrovský. Spin qubits sú miliónkrát menšie, takže hľadáme iné riešenia.
Ďalej chceme zlepšiť kvalitu qubits, čo nám pomôže otestovať algoritmy a vybudovať náš systém. Kvalita sa týka presnosti, s akou sa informácie oznamujú v priebehu času. Zatiaľ čo mnoho častí takéhoto systému zlepší kvalitu, najväčší prínos prinesie vývoj nových materiálov a zlepšenie presnosti mikrovlnných impulzov a inej riadiacej elektroniky.
Podvýbor USA pre digitálny obchod a ochranu spotrebiteľa nedávno usporiadal vypočutie o kvantovom výpočte. Čo chcú zákonodarcovia vedieť o tejto technológii?
S rôznymi výbormi je spojených niekoľko vypočutí. Ak vezmeme kvantové výpočty, môžeme povedať, že ide o počítačové technológie pre nasledujúcich 100 rokov. Je prirodzené, že USA a ďalšie vlády majú o túto príležitosť záujem. Európska únia má plán na financovanie kvantového výskumu v celej Európe vo výške niekoľkých miliárd dolárov. Čína vlani na jeseň oznámila výskumnú základňu vo výške 10 miliárd dolárov, ktorá sa zameria na kvantovú informatiku. Otázka znie, čo môžeme urobiť ako krajina na vnútroštátnej úrovni? Univerzitu, vládu a priemysel by mali viesť národnú stratégiu pre kvantové výpočty, pričom by mali spolupracovať na rôznych aspektoch technológie. Normy sú určite nevyhnutné z hľadiska komunikácie alebo softvérovej architektúry. Problémom je aj práca. Ak teraz otvorím voľné pracovné miesto pre odborníka na kvantové výpočty, dve tretiny žiadateľov budú pravdepodobne mimo USA.
Aký vplyv môže mať kvantové výpočty na rozvoj umelej inteligencie?
Prvé navrhované kvantové algoritmy sa zvyčajne zameriavajú na bezpečnosť (napr. Kryptografické) alebo na modelovanie chémie a materiálov. To sú problémy, ktoré sú v zásade pre tradičné počítače neriešiteľné. Existuje však veľa startupov a skupín vedcov pracujúcich na strojovom vzdelávaní a umelej inteligencii so zavedením kvantových počítačov, dokonca aj teoretických. Vzhľadom na časový rámec potrebný na vývoj AI by som očakával, že tradičné čipy budú optimalizované špeciálne pre algoritmy AI, čo bude mať zase vplyv na vývoj kvantových čipov. V každom prípade bude AI určite získať podporu z kvantového výpočtu.
Kedy uvidíme, že kvantové počítače pracujú na riešení problémov v skutočnom svete?
Prvý tranzistor bol vytvorený v roku 1947. Prvý integrovaný obvod bol v roku 1958. Prvý mikroprocesor spoločnosti Intel, ktorý obsahoval asi 2 500 tranzistorov, vyšiel až v roku 1971. Každý z týchto medzníkov bol oddelený viac ako desať rokov. Ľudia si myslia, že kvantové počítače sú hneď za rohom, ale história ukazuje, že pokrok si vyžaduje čas. Ak za 10 rokov budeme mať kvantový počítač s niekoľkými tisíckami bitov, určite zmení svet rovnako ako prvý mikroprocesor.
Ilja Khel