Състезанието е в разгара си. Водещите световни компании се опитват да създадат първия квантов компютър, базиран на технология, която отдавна обещава на учените да помогнат за разработването на чудесни нови материали, перфектно криптиране на данни и точно да прогнозират промените в климата на Земята. Такава машина вероятно ще се появи не по-рано от десет години от сега, но това не спира IBM, Microsoft, Google, Intel и други. Те буквално парчат квантови битове - или кубити - върху процесорния чип, буквално. Но пътят към квантовите изчисления включва много повече от манипулиране на субатомни частици.
Кубитът може да представлява едновременно 0 и 1, благодарение на уникалния квантов феномен на суперпозиция. Това позволява на кубитите да извършват едновременно огромно количество изчисления, като значително увеличават изчислителната скорост и капацитет. Но има различни видове кубити и не всички от тях са създадени еднакво. Например в програмируем силициев квантов чип стойността на бит (1 или 0) се определя от посоката на въртене на неговия електрон. Кубитите обаче са изключително крехки и на някои им е нужна температура до 20 милиликалвина - 250 пъти по-студена, отколкото в дълбокото пространство - за да останат стабилни.
Разбира се, квантовият компютър не е само процесор. Тези системи от следващо поколение ще изискват нови алгоритми, нов софтуер, връзки и куп все още предстоящи изобретения технологии, които се възползват от колосалната изчислителна мощност. Освен това резултатите от изчисленията ще трябва да се съхраняват някъде.
„Ако не беше толкова трудно, вече щяхме да го направим“, казва Джим Кларк, директор на квантовия хардуер в Intel Labs. На CES тази година Intel представи 49-кубитен процесор под кодовото име Tangle Lake. Преди няколко години компанията създаде виртуална среда за тестване на квантов софтуер; той използва мощния суперкомпютър Stampede (в Тексаския университет), за да симулира 42-кубитен процесор. Въпреки това, за да разберете всъщност как да пишете софтуер за квантови компютри изисква симулиране на стотици или дори хиляди кубити, казва Кларк.
Научен американец интервюира Кларк за различните подходи за изграждането на квантов компютър, защо са толкова крехки и защо цялата работа отнема толкова много време. Ще ви бъде интересно.
По какво се различава квантовото изчисление от традиционното изчисление?
Промоционално видео:
Обща метафора, която се използва за сравняване на двата вида изчисления, е монета. В традиционен компютърен процесор транзисторът е или глави, или опашки. Но ако попитате на коя страна е изправена монетата, когато се върти, ще отговорите, че отговорът може да бъде и двете. Ето как работят квантовите изчисления. Вместо обичайните битове, които представляват 0 или 1, имате квантов бит, който представлява едновременно и 0, и 1, докато кубитът спре да се върти и влезе в състояние на тишина.
Пространството на състоянието - или възможността за повторение на огромен брой възможни комбинации - е експоненциално в случай на квантов компютър. Представете си, че имам две монети в ръка и ги хвърлям във въздуха едновременно. Докато се въртят, те представляват четири възможни състояния. Ако хвърля три монети във въздуха, те представляват осем възможни състояния. Ако хвърля петдесет монети във въздуха и ви попитам колко състояния представляват, отговорът е число, което дори най-мощният суперкомпютър в света не може да изчисли. Триста монети - все още сравнително малък брой - ще представляват повече състояния от атомите във Вселената.
Защо кубитите са толкова крехки?
Реалността е, че монетите или кубитите в крайна сметка спират да се въртят и да се сриват в определено състояние, било то глави или опашки. Целта на квантовите изчисления е за дълго да се върти в суперпозиция в набор от състояния. Представете си, че на моята маса се върти монета и някой натиска масата. Монетата може да падне по-бързо. Шумът, температурните промени, електрическите колебания или вибрациите могат да пречат на работата на кубита и да доведат до загуба на неговите данни. Един от начините за стабилизиране на определени видове кубити е запазването им на студено. Нашите кубити работят в хладилник с големина 55 галона и използват специален изотоп на хелий, за да ги охладят до почти абсолютна нула.
По какво се различават различните видове кубити?
Има не по-малко от шест или седем различни типа кубити, а около три или четири от тях активно се разглеждат за използване в квантовите компютри. Разликата е как да манипулирате кубитите и да ги карате да общуват помежду си. Имате нужда от два кубита, за да комуникирате помежду си, за да извършвате големи "заплетени" изчисления, а различни видове кубити се заплитат по различни начини. Типът, който описах, който изисква изключително охлаждане, се нарича свръхпроводяща система, която включва нашия процесор Tangle Lake и квантови компютри, изградени от Google, IBM и други. Други подходи използват колебателни заряди на хванати йони - държани на място във вакуумна камера от лазерни лъчи - които действат като кубити. Intel не разработва системи за улавяне на йони, тъй като изисква дълбоко познаване на лазерите и оптиката,не можем да го направим.
Ние обаче изучаваме трети тип, който наричаме силициеви спинови кубити. Те изглеждат точно като традиционните силициеви транзистори, но работят на един единствен електрон. Спиновите кубити използват микровълнови импулси, за да контролират въртенето на електрон и да освободят неговата квантова сила. Днес тази технология е по-малко зряла от свръхпроводящата кубитна технология, но вероятно е много по-вероятно да се мащабира и да стане успешно търговско.
Как да стигна до този момент от тук?
Първата стъпка е да направите тези квантови чипове. В същото време ние извършихме симулации на суперкомпютър. За да стартирате квантовия симулатор на Intel, са необходими около пет трилиона транзистора, за да симулирате 42 кубита. Необходими са милион кубита или повече, за да достигнете търговски обхват, но като започнете от симулатор като този, можете да изградите основна архитектура, компилатори и алгоритми. Докато нямаме физически системи, които ще включват от няколкостотин до хиляда кубита, не е ясно какъв софтуер можем да работим върху тях. Има два начина да увеличите размера на такава система: един е да добавите повече кубити, което ще изисква повече физическо пространство. Проблемът е, че ако нашата цел е да изградим компютри с милион кубита, математиката няма да им позволи да мащабират добре. Друг начин е да се компресират вътрешните размери на интегралната схема, но този подход би изисквал свръхпроводяща система, която трябва да е огромна. Спиновите кубити са милион пъти по-малки, така че търсим други решения.
Освен това искаме да подобрим качеството на кубитите, което ще ни помогне да тестваме алгоритми и да изградим системата си. Качеството се отнася до точността, с която информацията се комуникира във времето. Докато много части на подобна система ще подобрят качеството, най-големите печалби ще дойдат от разработването на нови материали и подобряването на точността на микровълновите импулси и друга контролна електроника.
Наскоро подкомитетът на САЩ по цифрова търговия и защита на потребителите проведе изслушване по квантовите изчисления. Какво искат да знаят законодателите за тази технология?
Има няколко изслушвания, свързани с различни комисии. Ако вземем квантовите изчисления, можем да кажем, че това са изчислителни технологии за следващите 100 години. Естествено е правителствата на САЩ и други държави да се интересуват от тяхната възможност. Европейският съюз има многомилиарден план за финансиране на квантовите изследвания в цяла Европа. Китай миналата есен обяви изследователска база на стойност 10 милиарда долара, която ще се фокусира върху квантовата информатика. Въпросът е какво можем да направим като държава на национално ниво? Националната стратегия за квантовите изчисления трябва да се ръководи от университетите, правителството и индустрията, които работят заедно върху различни аспекти на технологията. Стандартите определено са необходими по отношение на комуникацията или софтуерната архитектура. Трудът също е проблем. Сега, ако отворя свободна длъжност за експерт по квантови изчисления, две трети от кандидатите вероятно са извън САЩ.
Какво влияние могат да имат квантовите изчисления върху развитието на изкуствения интелект?
Обикновено първите предложени квантови алгоритми ще се съсредоточат върху сигурността (например криптографско) или химията и моделирането на материали. Това са проблеми, които са фундаментално неразрешими за традиционните компютри. Има обаче много стартъпи и групи учени, работещи по машинно обучение и ИИ с въвеждането на квантови компютри, дори теоретични. Като се има предвид времевата рамка, необходима за развитието на AI, бих очаквал появата на традиционни чипове, оптимизирани специално за AI алгоритми, което от своя страна ще окаже влияние върху развитието на квантовите чипове. Във всеки случай AI определено ще даде тласък от квантовите изчисления.
Кога ще видим работещи квантови компютри да решават проблеми в реалния свят?
Първият транзистор е създаден през 1947 година. Първата интегрална схема е през 1958 г. Първият микропроцесор на Intel - който съдържаше около 2500 транзистора - излезе чак през 1971 г. Всеки от тези основни етапи е разделен от повече от десетилетие. Хората смятат, че квантовите компютри са точно зад ъгъла, но историята показва, че напредъкът отнема време. Ако след 10 години имаме квантов компютър с няколко хиляди кубита, това определено ще промени света точно както първият микропроцесор.
Иля Кел