Závod je v plném proudu. Přední světové společnosti se snaží vytvořit první kvantový počítač založený na technologii, která již dlouho vědcům slíbila, že pomohou vyvinout úžasné nové materiály, dokonalé šifrování dat a přesně předpovědět změny v zemském klimatu. Takový stroj se pravděpodobně objeví nejdříve za deset let, ale to nezastaví IBM, Microsoft, Google, Intel a další. Doslova rozdělují kvantové bity - nebo qubity - na procesorový čip doslova. Cesta ke kvantovému zpracování však zahrnuje mnohem více než manipulaci s subatomickými částicemi.
Qubit může reprezentovat 0 a 1 současně, díky jedinečnému kvantovému fenoménu superpozice. To umožňuje qubits provádět obrovské množství výpočtů současně, což výrazně zvyšuje výpočetní rychlost a kapacitu. Existují však různé typy qubitů a ne všechny jsou vytvořeny stejně. Například v programovatelném křemíkovém kvantovém čipu je hodnota bitu (1 nebo 0) určena směrem otáčení jeho elektronu. Qubity jsou však extrémně křehké a některé vyžadují teploty až 20 milikelvinů - 250krát chladnější než v hlubokém vesmíru - aby zůstaly stabilní.
Kvantový počítač samozřejmě není jen procesor. Tyto systémy nové generace budou vyžadovat nové algoritmy, nový software, připojení a spoustu dosud nevynalezených technologií, které těží z obrovského výpočetního výkonu. Kromě toho bude třeba někde uložit výsledky výpočtů.
„Kdyby to nebylo tak těžké, už bychom to udělali,“říká Jim Clark, ředitel kvantového hardwaru společnosti Intel Labs. Na letošním CES představil Intel 49bitový procesor s kódovým názvem Tangle Lake. Před několika lety společnost vytvořila virtuální prostředí pro testování kvantového softwaru; používá výkonný superpočítač Stampede (na University of Texas) k simulaci 42bitového procesoru. Abychom však skutečně porozuměli tomu, jak psát software pro kvantové počítače, je třeba simulovat stovky až tisíce qubitů, říká Clarke.
Vědecký Američan vedl Clarka o různých přístupech k vytváření kvantového počítače, proč jsou tak křehké a proč celá věc trvá tak dlouho. Bude to pro vás zajímavé.
Jak se liší kvantové výpočty od tradičních výpočtů?
Propagační video:
Běžnou metaforou, která se používá k porovnání dvou typů výpočtů, je mince. V tradičním počítačovém procesoru je tranzistor buď hlavami nebo ocasy. Ale pokud se zeptáte, na kterou stranu je mince otočena, když se točí, řeknete, že odpověď může být obojí. Takto funguje kvantové zpracování. Místo obvyklých bitů, které představují 0 nebo 1, máte kvantový bit, který představuje současně 0 a 1, dokud se qubit nepřestane otáčet a nevstoupí do klidového stavu.
V případě kvantového počítače je stavový prostor - nebo schopnost iterovat přes obrovské množství možných kombinací - exponenciální. Představte si, že mám v ruce dvě mince a současně je hodím do vzduchu. Když se otáčí, představují čtyři možné stavy. Pokud hodím tři mince do vzduchu, představují osm možných stavů. Pokud hodím padesát mincí do vzduchu a zeptám se, kolik států představují, je odpověď číslo, které nedokáže spočítat ani ten nejsilnější superpočítač na světě. Tři stovky mincí - stále relativně malé množství - budou představovat více stavů než atomů ve vesmíru.
Proč jsou qubity tak křehké?
Realita je taková, že mince nebo qubity nakonec přestanou rotovat a zhroutí se do určitého stavu, ať už jde o hlavy nebo ocasy. Cílem kvantového zpracování je udržovat točení v superpozici ve skupině stavů po dlouhou dobu. Představte si, že se na mém stole točí mince a někdo tlačí na stůl. Mince může padat rychleji. Hluk, změny teploty, elektrické výkyvy nebo vibrace mohou narušovat činnost qubit a vést ke ztrátě jeho dat. Jedním ze způsobů, jak stabilizovat určité typy qubits, je udržovat je v chladu. Naše qubity běží v ledničce o velikosti 55 gallon a používají speciální izotop hélia k jejich ochlazení na téměř absolutní nulu.
Jak se liší různé typy qubitů?
Existuje ne méně než šest nebo sedm různých typů qubitů a asi tři nebo čtyři z nich jsou aktivně zvažovány pro použití v kvantových počítačích. Rozdíl je v tom, jak manipulovat s qubity a přimět je k vzájemné komunikaci. K vzájemné komunikaci budete potřebovat dvě qubity, abyste mohli provádět velké „zapletené“výpočty a různé typy qubits se zaplétaly různými způsoby. Typ, který jsem popsal a který vyžaduje extrémní chlazení, se nazývá supravodivý systém, který zahrnuje procesory Tangle Lake a kvantové počítače vytvořené společností Google, IBM a dalšími. Jiné přístupy používají oscilační náboje zachycených iontů - držených na místě ve vakuové komoře pomocí laserových paprsků - které fungují jako qubity. Intel nevyvíjí zachycené iontové systémy, protože vyžaduje hluboké znalosti laserů a optiky,nemůžeme to udělat.
Studujeme však třetí typ, který nazýváme křemíkové křivky. Vypadají přesně jako tradiční křemíkové tranzistory, ale pracují na jediném elektronu. Spin qubits používají mikrovlnné impulsy k ovládání rotace elektronu a uvolnění jeho kvantové síly. Tato technologie je dnes méně vyspělá než supravodivá qubitová technologie, ale je mnohem pravděpodobnější, že se škála a stane se komerčně úspěšnou.
Jak se k tomuto bodu dostanete odtud?
Prvním krokem je vytvoření těchto kvantových čipů. Zároveň jsme provedli simulace na superpočítači. Spuštění kvantového simulátoru společnosti Intel vyžaduje přibližně pět bilionů tranzistorů, které simulují 42 qubits. Dosažení komerčního dosahu vyžaduje milión qubits nebo více, ale počínaje simulátorem, jako je tento, lze vytvořit základní architekturu, kompilátory a algoritmy. Dokud nebudeme mít fyzické systémy, které budou zahrnovat několik stovek až tisíc quitů, není jasné, jaký druh softwaru na nich můžeme běžet. Existují dva způsoby, jak zvětšit velikost takového systému: jeden je přidat více qubits, což bude vyžadovat více fyzického prostoru. Problém je v tom, že pokud je naším cílem stavět počítače s miliony qubits, matematika jim neumožní dobře škálovat. Jiným způsobem je komprimovat vnitřní rozměry integrovaného obvodu, ale tento přístup by vyžadoval supravodivý systém, který musí být obrovský. Spin qubits jsou milionkrát menší, takže hledáme jiná řešení.
Kromě toho chceme zlepšit kvalitu qubits, což nám pomůže testovat algoritmy a budovat náš systém. Kvalita se týká přesnosti, s jakou jsou informace sděleny v průběhu času. Zatímco mnoho částí takového systému zlepší kvalitu, největší zisky budou plynout z vývoje nových materiálů a zlepšení přesnosti mikrovlnných impulsů a další řídicí elektroniky.
Nedávno uspořádal americký podvýbor pro digitální obchod a ochranu spotřebitelů slyšení o kvantovém zpracování dat. Co chtějí zákonodárci vědět o této technologii?
S různými výbory je spojeno několik slyšení. Pokud vezmeme kvantové výpočty, můžeme říci, že se jedná o výpočetní technologie pro následujících 100 let. Je přirozené, že USA a další vlády mají o tuto příležitost zájem. Evropská unie má v plánu financovat kvantový výzkum v celé Evropě miliardový dolarový plán. Čína loni na podzim oznámila výzkumnou základnu 10 miliard dolarů, která se zaměří na kvantovou informatiku. Otázkou je, co můžeme dělat jako zemi na národní úrovni? Národní strategie pro kvantové výpočty by měly být vedeny univerzitami, vládou a průmyslem a spolupracovat na různých aspektech technologie. Standardy jsou rozhodně nezbytné z hlediska komunikace nebo softwarové architektury. Práce je také problém. Nyní, pokud otevřu volné pracovní místo pro kvantového výpočetního experta, budou dvě třetiny žadatelů pravděpodobně mimo USA.
Jaký vliv může mít kvantové výpočty na vývoj umělé inteligence?
První navrhované kvantové algoritmy se obvykle zaměří na zabezpečení (např. Kryptografické) nebo chemii a modelování materiálů. To jsou problémy, které jsou pro tradiční počítače zásadně nerozpustné. Existuje však spousta startupů a skupin vědců pracujících na strojovém učení a umělé inteligenci se zavedením kvantových počítačů, a to i teoretických. Vzhledem k časovému rámci potřebnému pro vývoj AI bych očekával, že tradiční čipy budou optimalizovány speciálně pro algoritmy AI, což bude mít zase dopad na vývoj kvantových čipů. V každém případě bude AI určitě získat podporu z kvantového zpracování.
Kdy uvidíme, jak fungující kvantové počítače řeší problémy reálného světa?
První tranzistor byl vytvořen v roce 1947. První integrovaný obvod byl v roce 1958. První mikroprocesor společnosti Intel, který obsahoval asi 2 500 tranzistorů, vyšel až v roce 1971. Každý z těchto milníků byl oddělen více než deset let. Lidé si myslí, že kvantové počítače jsou hned za rohem, ale historie ukazuje, že pokrok si vyžaduje čas. Pokud za 10 let máme kvantový počítač s několika tisíci qubity, určitě to změní svět stejně jako první mikroprocesor.
Ilya Khel