Jak jesteśmy blisko do zbudowania komputera kwantowego?

Wyścig w pełnym rozkwicie. Wiodące firmy na świecie starają się stworzyć pierwszy komputer kwantowy, opiera się technologia, dawno obiecujące pomóc naukowcom w tworzeniu cudownych nowych materiałów, idealnym szyfrowania danych i precyzyjnym przewidywaniu zmian klimatu na Ziemi. Taki samochód na pewno pojawi się nie wcześniej niż za dziesięć lat, ale to nie powstrzymuje, IBM, Microsoft, Google, Intel i inne. Oni dosłownie osobno rozprzestrzeniania kwantowe bity – lub pozdrawiamy – na процессорном chipie. Ale droga do kwantowym obliczeń zawiera dużo więcej, niż manipulacje z субатомными cząstkami.

Kubit może być 0 i 1 jednocześnie, dzięki unikalnemu квантовому zjawisko superpozycji. Pozwala to кубитами spędzić ogromną ilość obliczeń jednocześnie, znacznie zwiększając prędkość obliczeniową i pojemność. Ale istnieją różne typy pozdrawiamy, i nie wszystkie z nich są tworzone takie same. W программируемом кремниевом kwantowej chipie, na przykład, wartość bitu (1 lub 0) zależy od kierunku obrotów elektronu. Jednak pozdrawiamy bardzo delikatne, i niektórym potrzebna jest temperatura w 20 милликельвинов – 250 razy zimniej niż w głębokim kosmosie, – aby pozostać stabilne.

Oczywiście, kwantowy komputer to nie tylko procesor. Tym systemów nowej generacji będą potrzebne nowe algorytmy, nowe oprogramowanie, połączenia i kupie jeszcze nie wynaleziono technologii, извлекающих korzyści z kolosalnej mocy obliczeniowej. Ponadto, wyniki obliczeń będzie trzeba gdzieś przechowywać.

"Gdyby wszystko nie było tak trudno, byśmy zrobili już jeden", mówi Jim Clark, dyrektor ds. квантовому sprzętu w Intel Labs. Na targach CES w tym roku Intel zaprezentował 49-кубитовый procesor o nazwie kodowej Tangle Lake. Kilka lat temu firma stworzyła wirtualne środowisko do testów kwantowego W; wykorzystuje potężny superkomputer Stampede (w Teksańskim) do symulacji 42-кубитового procesora. Jednak, aby właściwie zrozumieć, jak pisać dla komputerów kwantowych, trzeba modelować setki lub nawet tysiące kolekcjonerzy, mówi Clark.

Scientific American wziął u Clarka wywiadu, w którym opowiedział o różnych podejściach do zbudowania komputera kwantowego, dlaczego one są takie delikatne i dlaczego cała ta sprawa zajmuje tak dużo czasu. Będzie ciekawe.

Niż kwantowe obliczenia różnią się od tradycyjnych?

Powszechna metafora, która służy do porównania dwóch rodzajów obliczeń, — to moneta. W tradycyjnym komputerowym procesorze tranzystor albo "orzeł" lub "reszka". Ale jeśli zapytać, jaki jest stroną patrzy moneta, gdy się kręci, można powiedzieć, że odpowiedzią może być i jedno i drugie. Tak funkcjonują kwantowe obliczenia. Zamiast zwykłych bitów, które są 0 lub 1, masz kwantowy bit, który jednocześnie jest i 0 i 1, aż kubit nie przestanie się obracać i nie wejdzie w stan spoczynku.

Przestrzeń stanów lub zdolność przedawkować ogromna liczba możliwych kombinacji – w przypadku kwantowym komputerem wykładniczo. Wyobraź sobie, że mam w ręku dwie monety i nie подбрасываю ich w powietrze w tym samym czasie. Podczas gdy oni obracają się, są cztery możliwe stany. Jeśli podrzucę trzy monety w powietrze, będą reprezentować osiem możliwych stanów. Jeśli podrzucę w powietrze pięćdziesiąt monet i zapytam masz, ile stanów reprezentują, odpowiedzią będzie liczba, która nie jest w stanie obliczyć nawet najpotężniejszy superkomputer świata. Trzysta monet – jest wciąż stosunkowo niewielka liczba – będzie stanowić więcej stanów niż atomów we Wszechświecie.

Dlaczego pozdrawiamy takie kruche?

Rzeczywistość jest taka, że monety, lub pozdrawiamy, w końcu przestają się obracać i коллапсируют w określony stan, czy to orzeł czy reszka. Celem kwantowych obliczeń polega na tym, aby wspierać ich obrót w superpozycji w wielu stanów przez dłuższy czas. Wyobraź sobie, że u mnie na stole kręci się monetę i ktoś popycha stół. Moneta może spaść szybciej. Hałas, zmiana temperatury, elektryczne fluktuacje lub wibracje – wszystko to może wpłynąć na кубита i doprowadzić do utraty danych. Jednym ze sposobów stabilizacji pozdrawiamy określonych typów – do utrzymania ich w stanie zimnym. Nasze pozdrawiamy pracują w lodówce wielkości beczki na 55 litrów i wykorzystują specjalny izotop helu do chłodzenia prawie do temperatury zera absolutnego.

Jak różne typy kolekcjonerzy różnią się między sobą?

Istnieje nie mniej niż sześciu lub siedmiu różnych typów kolekcjonerzy, i około trzy-cztery z nich aktywnie rozpatrywane są do stosowania w komputerach kwantowych. Różnica w tym, jak manipulować кубитами i zmusić ich do komunikowania się między sobą. Trzeba, aby dwa кубита rozmawiali między sobą, aby przeprowadzać duże "skomplikowane" obliczenia i różne typy kolekcjonerzy plączą się w różny sposób. Opisany przeze mnie typ, który wymaga awaryjnego chłodzenia, nazywa сверхпроводящей systemem, który zawiera nasz procesor Tangle Lake i komputery kwantowe, zbudowane Google, IBM i innych. Inne metody wykorzystują oscylujące ładunki złowionych jonów – pobieranych na miejscu w komorze próżniowej lasera – które występują w roli kolekcjonerzy. Intel nie rozwija systemy złapanie jonami, bo do tego trzeba głębokiej wiedzy laserów i optyki, nam to nie na siłę.

Jednak badamy trzeci typ, który nazywamy кремниевыми spin-кубитами. Wyglądają dokładnie tak, jak tradycyjne tranzystor krzemowy, ale działają w jednym elektronem.Spin-pozdrawiamy wykorzystują impulsy mikrofalowe do kontroli spin elektronu i uwalniania go kwantowej siły. Technologia ta jest obecnie mniej dojrzała niż technologia nadprzewodzących kolekcjonerzy, jednak, być może, ma znacznie większe szanse na skali i stać się komercyjny sukces.

Jak się dostać do tego momentu stąd?

Pierwszy krok – aby te kwantowe układy. W tym samym czasie przeprowadziliśmy symulację na komputerze. Aby uruchomić kwantowy symulator Intel, potrzeba około pięciu bilionów tranzystorów do modelowania 42 kolekcjonerzy. Dla osiągnięcia komercyjnej zasięgu do około milion kolekcjonerzy lub więcej, ale, począwszy od symulacji takiego, można zbudować podstawową architekturę, kompilatory i algorytmy. Dopóki nie pojawią się systemy fizyczne, które będą obejmować od kilkuset do tysiąca kolekcjonerzy, nie jest jasne, jakiego rodzaju oprogramowanie możemy na nich uruchomić. Istnieją dwa sposoby, aby zwiększyć rozmiar takiego systemu: jeden – dodać więcej kolekcjonerzy, że wymaga więcej przestrzeni fizycznej. Problem w tym, że jeśli nasz cel – stworzyć komputery na milion kolekcjonerzy, matematyka nie pozwoli ich dobrze skalować. Inny sposób – ścisnąć wewnętrzne wymiar układu scalonego, ale takie podejście wymaga сверхпроводящей systemem, a ona musi być ogromna. Spin-pozdrawiamy milion razy mniej, więc szukamy innych rozwiązań.

Oprócz tego, chcemy poprawić jakość kolekcjonerzy, że pomoże nam przetestować algorytmy i stworzyć z naszego systemu. Jakość odnosi się do dokładności, z jaką dane są przesyłane z czasem. Mimo, że wiele części takiego systemu ulepszają jakość, największe sukcesy zostaną osiągnięte dzięki opracowaniu nowych materiałów i poprawy dokładności kuchenki impulsów i innej elektroniki sterującej.

Niedawno Podkomisja w cyfrowy handlu i ochrony praw konsumentów w USA przeprowadził rozprawy o kwantowych obliczeń. Ustawodawcy chcą wiedzieć o tej technologii?

Istnieje kilka przesłuchań związanych z komitetami. Jeśli wziąć kwantowe obliczenia, można powiedzieć, że jest to technologia obliczeń następnych 100 lat. Dla USA i innych rządów naturalne interesować się ich możliwością. Ue ma plan na wiele miliardów dolarów finansowania kwantowych badań w całej Europie. Chiny jesienią ubiegłego roku ogłosił badawczą bazę na 10 miliardów dolarów, która zajmie kwantowej informatyką. Pytanie co: co możemy zrobić jako kraj na poziomie krajowym? Narodowa strategia kwantowych obliczeń powinny być prowadzone przez uniwersytety, rządu i przemysłu, pracujących wspólnie nad różnymi aspektami technologii. Standardy zdecydowanie niezbędne z punktu widzenia komunikacji lub architektury oprogramowania. Siła robocza stanowi również problem. Teraz, gdy otwieram stanowisko eksperta w kwantowym obliczeń, dwie trzecie kandydatów, prawdopodobnie nie będą z USA.

Jaki wpływ mogą mieć kwantowe obliczenia na rozwój sztucznej inteligencji?

Jak zwykle, pierwsze proponowane algorytmy kwantowe będą poświęcone bezpieczeństwa (np. kryptograficznej) lub chemii i modelowania materiałów. To problemy, które zasadniczo неразрешимы dla tradycyjnych komputerów. Jednak istnieje masa nowych firm i grup naukowców, pracujących nad uczeniem maszynowym i AI z wprowadzeniem komputerów kwantowych, nawet teoretycznego. Biorąc pod uwagę ramy czasowe niezbędne do rozwoju AI, spodziewam się pojawienia się tradycyjnych układów, zoptymalizowanych specjalnie pod algorytmy sztucznej inteligencji, które z kolei będą miały wpływ na rozwój układów kwantowych. W każdym razie AI na pewno dostanie impuls z powodu kwantowych obliczeń.

Kiedy zobaczymy, że pracownicy komputery kwantowe rozwiązują realne problemy?

Pierwszy tranzystor został utworzony w 1947 roku. Pierwszy układ scalony – w 1958 roku. Pierwszy mikroprocesor Intel – który mógł pomieścić około 2500 tranzystorów – wyszedł na jaw dopiero w 1971 roku. Każdy z tych etapów został podzielony ponad dekadą. Ludzie myślą, że komputery kwantowe już za rogiem, ale historia pokazuje, że wszelkie osiągnięcia wymagają czasu. Jeśli za 10 lat u nas będzie kwantowy komputer na kilka tysięcy kolekcjonerzy, to na pewno zmieni świat tak, jak go zmienił pierwszy mikroprocesor.