Lenktynės vyksta pačiame įkarštyje. Pirmaujančios pasaulio įmonės bando sukurti pirmąjį kvantinį kompiuterį, pagrįstą technologijomis, kurios jau seniai pažadėjo mokslininkams padėti sukurti nuostabias naujas medžiagas, tobulą duomenų šifravimą ir tiksliai numatyti Žemės klimato pokyčius. Tokia mašina greičiausiai pasirodys ne anksčiau kaip po dešimties metų, tačiau tai nesustabdo IBM, „Microsoft“, „Google“, „Intel“ir kitų. Jie tiesiogine prasme pažymi kvantinius bitus arba kvbitus procesoriaus luste. Tačiau kelias į kvantinį skaičiavimą apima daug daugiau nei subatominių dalelių manipuliavimą.
Dėl unikalaus kvantinio superpozicijos reiškinio, kvadratas vienu metu gali reikšti 0 ir 1. Tai leidžia kvitams vienu metu atlikti didžiulį skaičiavimą, smarkiai padidinant skaičiavimo greitį ir talpą. Tačiau yra įvairių rūšių kvbitų, ir ne visi jie yra sukurti vienodai. Pvz., Programuojamoje silicio kvantinėje mikroschemoje bito vertė (1 arba 0) nustatoma pagal jo elektrono sukimosi kryptį. Tačiau kvarcitai yra nepaprastai trapūs, o norint išlaikyti stabilumą, kai kuriems reikia net 20 milikelvinų temperatūros - 250 kartų šaltesnės nei gilumoje.
- „Salik.biz“
Žinoma, kvantinis kompiuteris nėra tik procesorius. Šioms naujos kartos sistemoms reikės naujų algoritmų, naujos programinės įrangos, jungčių ir daugybės dar išrastų technologijų, kurioms naudinga didžiulė skaičiavimo galia. Be to, skaičiavimų rezultatus reikės kur nors saugoti.
„Jei nebūtų buvę taip sunku, mes būtume jau padarę“, - sako Jimas Clarkas, „Intel Labs“kvantinės aparatūros direktorius. Šių metų CES metu „Intel“pristatė 49 kbitų procesorių, pavadintą „Tangle Lake“. Prieš keletą metų įmonė sukūrė virtualią aplinką kvantinės programinės įrangos testavimui; jis naudoja galingą superkompiuterį „Stampede“(Teksaso universitete), kad būtų imituojamas 42 kbitų procesorius. Tačiau norint suprasti, kaip rašyti kvantinių kompiuterių programinę įrangą, reikia imituoti šimtus ar net tūkstančius kvitų, sako Clarke'as.
Mokslinis amerikietis apklausė Clarke'ą apie skirtingus kvantinio kompiuterio kūrimo metodus, kodėl jie yra tokie trapūs ir kodėl visa tai trunka taip ilgai. Jums bus įdomu.
Kuo kvantinis skaičiavimas skiriasi nuo tradicinio skaičiavimo?
Reklaminis vaizdo įrašas:
Įprasta metafora, naudojama palyginti dviejų tipų skaičiavimus, yra moneta. Tradiciniame kompiuterio procesoriuje tranzistorius yra arba galva, arba uodega. Bet jei paklausite, į kurią pusę moneta susiduria, kai ji sukasi, atsakysite, kad atsakymas gali būti abiem. Taip veikia kvantinis skaičiavimas. Vietoj įprastų bitų, kurie žymi 0 arba 1, turite kvantinį bitą, kuris tuo pačiu metu žymi ir 0, ir 1, kol kvita nustoja suktis ir pereina į ramybės būseną.
Būsenos erdvė arba gebėjimas iterti daugybę galimų kombinacijų yra eksponentinis kvantinio kompiuterio atveju. Įsivaizduokite, kad turiu dvi monetas rankoje ir mėtysiu jas ore tuo pačiu metu. Besisukdami jie vaizduoja keturias galimas būsenas. Jei mėtysiu ore tris monetas, jos reiškia aštuonias galimas būsenas. Jei mėtysiu ore penkiasdešimt monetų ir paklausiu, kiek valstybių jos vaizduoja, atsakymas yra skaičius, kurio negali apskaičiuoti net pats galingiausias superkompiuteris pasaulyje. Trys šimtai monetų - vis dar palyginti mažas skaičius - atspindės daugiau būsenų nei atomų Visatoje.
Kodėl kvotos tokios trapios?
Realybė yra tokia, kad monetos arba kvotos galiausiai nustoja suktis ir žlunga į tam tikrą būseną, nesvarbu, ar tai būtų galvos, ar uodegos. Kvantinio skaičiavimo tikslas yra ilgą laiką išlaikyti besisukantį superpoziciją būsenų rinkinyje. Įsivaizduokite, kad ant mano stalo sukasi moneta ir kažkas stumia stalą. Moneta gali nukristi greičiau. Triukšmas, temperatūros pokyčiai, elektriniai svyravimai ar vibracija gali trikdyti kvbitą ir prarasti jo duomenis. Vienas iš būdų stabilizuoti tam tikrų rūšių kvitas yra jų šaltis. Mūsų kvbitos veikia 55 galonų statinės dydžio šaldytuve ir naudoja specialų helio izotopą, kad jas atvėsintų iki absoliutaus nulio.
Kuo skirtingos kvito rūšys skiriasi viena nuo kitos?
Yra ne mažiau kaip šeši ar septyni skirtingi kvitų tipai, o maždaug trys ar keturi iš jų aktyviai svarstomi naudoti kvantiniuose kompiuteriuose. Skirtumas yra tas, kaip manipuliuoti kvitomis ir priversti jas bendrauti tarpusavyje. Norint atlikti didelius „įsipainiojusius“skaičiavimus, jums reikia dviejų kvbitų, kad galėtumėte atlikti didelius „įsipainiojimus“, o skirtingų tipų kvotos susipainioja skirtingai. Mano aprašytas tipas, kuriam reikalingas ypatingas aušinimas, vadinamas superlaidžia sistema, kurią sudaro mūsų „Tangle Lake“procesorius ir kvantiniai kompiuteriai, kuriuos sukūrė „Google“, IBM ir kiti. Kiti metodai naudoja įstrigusių jonų svyruojančius krūvius, laikomus vakuumo kameroje lazerio spinduliais, kurie veikia kaip kvite. „Intel“nesukuria įstrigusių jonų sistemų, nes tam reikia gilių žinių apie lazerius ir optiką,mes negalime to padaryti.
Tačiau mes tiriame trečiąjį tipą, kurį mes vadiname silicio sukiniais. Jie atrodo tiksliai kaip tradiciniai silicio tranzistoriai, tačiau veikia vienu elektronu. Sukimosi kvotos naudoja mikrobangų impulsus, kad valdytų elektrono sukimąsi ir paleistų jo kvantinę jėgą. Ši technologija šiandien yra mažiau subrendusi nei superlaidi „Qubit“technologija, tačiau, be abejo, jos mastai yra didesni ir komerciškai sėkmingi.
Kaip iš čia patekti į šį tašką?
Pirmasis žingsnis yra padaryti šias kvantines mikroschemas. Tuo pat metu mes atlikome superkompiuterio modeliavimą. Norint paleisti „Intel“kvantinį treniruoklį, prireiks maždaug penkių trilijonų tranzistorių, kad būtų galima modeliuoti 42 kvitas. Norint pasiekti komercinį tikslą, reikia milijono ar daugiau kvitų, tačiau pradedant nuo tokio simuliatoriaus, galima sukurti pagrindinę architektūrą, kompiliatorius ir algoritmus. Kol neturėsime fizinių sistemų, apimančių nuo kelių šimtų iki tūkstančio kvitų, neaišku, kokią programinę įrangą galime jomis paleisti. Yra du būdai, kaip padidinti tokios sistemos dydį: vienas - pridėti daugiau kvitų, kuriems prireiks daugiau fizinės vietos. Problema ta, kad jei mūsų tikslas yra sukurti kompiuterius su milijonu kvbitų, matematika neleis jiems tinkamai mastelio. Kitas būdas yra suspausti vidinius integruotos grandinės matmenis, tačiau toks požiūris reikalautų superlaidžios sistemos, kuri turi būti didžiulė. „Spin“kainos yra milijoną kartų mažesnės, todėl ieškome kitų sprendimų.
Be to, mes norime pagerinti kvotų kokybę, kuri mums padės išbandyti algoritmus ir sukurti mūsų sistemą. Kokybė reiškia informacijos, kuria perduodama laikui bėgant, tikslumą. Nors daugelis tokios sistemos dalių pagerins kokybę, didžiausią naudą duos naujų medžiagų kūrimas ir mikrobangų impulsų bei kitos valdymo elektronikos tikslumo gerinimas.
Neseniai JAV skaitmeninės komercijos ir vartotojų apsaugos pakomitetis surengė klausymą dėl kvantinio skaičiavimo. Ką įstatymų leidėjai nori žinoti apie šią technologiją?
Yra keli klausymai, susiję su skirtingais komitetais. Jei imsimės kvantinio skaičiavimo, galime pasakyti, kad tai yra skaičiavimo technologijos ateinantiems 100 metų. Natūralu, kad JAV ir kitos vyriausybės domisi savo galimybėmis. Europos Sąjunga turi kelių milijardų dolerių planą finansuoti kvantinius tyrimus visoje Europoje. Praėjusį rudenį Kinija paskelbė apie 10 milijardų dolerių vertės tyrimų bazę, kurioje daugiausia dėmesio bus skiriama kvantinei informatikai. Kyla klausimas, ką galime padaryti kaip šalis nacionaliniu lygmeniu? Nacionalinę kvantinio skaičiavimo strategiją turėtų vykdyti universitetai, vyriausybė ir pramonė, dirbdami kartu su skirtingais technologijos aspektais. Standartai yra būtini ryšių ar programinės įrangos architektūros atžvilgiu. Darbo jėga taip pat yra problema. Dabar, jei paskelbsiu laisvą kvantinio skaičiavimo eksperto vietą, tikėtina, kad du trečdaliai kandidatų yra ne JAV.
Kokį poveikį kvantinis skaičiavimas gali turėti dirbtinio intelekto raidai?
Paprastai pirmieji siūlomi kvantiniai algoritmai daugiausia dėmesio skirs saugumui (pvz., Kriptografijai) arba chemijai ir medžiagų modeliavimui. Tai yra problemos, kurių tradiciniai kompiuteriai iš esmės neišsprendžia. Tačiau yra daugybė pradedančiųjų įmonių ir mokslininkų grupių, dirbančių mašininio mokymosi ir PG srityje, įdiegiant kvantinius kompiuterius, netgi teorinius. Atsižvelgiant į AI kūrimui reikalingą laiką, tikėčiau, kad atsiras tradicinių lustų, optimizuotų specialiai AI algoritmams, o tai savo ruožtu turės įtakos kvantinių lustų raidai. Bet kokiu atveju AI tikrai gaus postūmį iš kvantinio skaičiavimo.
Kada pamatysime, kad dirbantys kvantiniai kompiuteriai išspręs realaus pasaulio problemas?
Pirmasis tranzistorius buvo sukurtas 1947 m. Pirmoji integruota grandinė buvo 1958 m. Pirmasis „Intel“mikroprocesorius - kuriame buvo apie 2500 tranzistorių - pasirodė tik 1971 m. Kiekvieną iš šių etapų atskyrė daugiau nei dešimtmetis. Žmonės mano, kad kvantiniai kompiuteriai yra visai šalia, bet istorija rodo, kad pažangai reikia laiko. Jei per 10 metų turėsime kvantinį kompiuterį su keliais tūkstančiais kvitų, tai tikrai pakeis pasaulį, kaip padarė pirmasis mikroprocesorius.
Ilja Khel