Võistlus on täies hoos. Maailma juhtivad ettevõtted üritavad luua esimest kvantarvutit, mis põhineb tehnoloogial, mis on teadlastele juba ammu lubanud aidata välja töötada imelisi uusi materjale, täiuslikku andmete krüpteerimist ja täpselt ennustada Maa kliima muutusi. Tõenäoliselt ilmub selline masin mitte varem kui kümne aasta pärast, kuid see ei peata IBMi, Microsofti, Google'i, Inteli ja teisi. Nad tükeldavad sõna otseses mõttes protsessori kiibile kvantbitti või kvbitti. Kuid tee kvantarvutusse hõlmab palju enamat kui subatomiliste osakeste manipuleerimist.
Tänu unikaalsele kvantnähtusele superpositsioonist võib kvabit tähistada korraga 0 ja 1. See võimaldab juppidel teha samal ajal tohutul hulgal arvutusi, suurendades tunduvalt arvutuskiirust ja -mahtu. Kuid vutte on erinevat tüüpi ja mitte kõik need pole loodud sama. Näiteks programmeeritavas räni kvantkiibis määratakse biti väärtus (1 või 0) selle elektroni pöörlemissuunaga. Kuid jänesed on äärmiselt habras ja mõnedel on stabiilse püsimiseks vaja isegi 20 millikellaini temperatuuri - mis on 250 korda külmem kui sügavas kosmoses.
Muidugi pole kvantarvuti ainult protsessor. Need järgmise põlvkonna süsteemid vajavad uusi algoritme, uut tarkvara, ühendusi ja hunnikut veel leiutatud tehnoloogiaid, mis saavad kasu kolossaalsest arvutusvõimsusest. Lisaks tuleb arvutuste tulemused kuskile salvestada.
"Kui see poleks nii raske olnud, oleksime selle juba teinud," ütleb Intel Labsi kvantriistvara direktor Jim Clark. Tänavu CES-il tutvustas Intel 49-bitist protsessorit, koodnimega Tangle Lake. Mõni aasta tagasi lõi ettevõte virtuaalse keskkonna kvanttarkvara testimiseks; see kasutab võimsat Stampede superarvutit (Texase ülikoolis) 42-bitise protsessori simuleerimiseks. Clarke ütleb aga, et kvantarvutitele tarkvara kirjutamise reaalseks mõistmiseks on vaja simuleerida või isegi tuhandeid vutteid.
Ameerika teadlane küsitles Clarkeit kvantarvuti ehitamise erinevate lähenemisviiside kohta, miks need on nii habras ja miks kogu asi nii kaua võtab. See saab olema teie jaoks huvitav.
Kuidas erineb kvantarvutamine tavapärasest arvutamisest?
Reklaamvideo:
Tavaline metafoor, mida kasutatakse kahte tüüpi arvutuste võrdlemiseks, on münt. Traditsioonilises arvutiprotsessoris on transistor kas pea või saba. Kui aga küsite, kummal poolel münt pöörleb, pöördub see nii, et vastus võib olla nii. Nii töötab kvantarvutus. Tavaliste bittide asemel, mis tähistavad väärtust 0 või 1, on teil kvantbitt, mis tähistab korraga nii 0 kui ka 1, kuni qubit lõpetab pöörlemise ja läheb puhkeolekusse.
Olekuruum - või võime itereerida tohutul hulgal võimalikel kombinatsioonidel - on kvantarvuti puhul eksponentsiaalne. Kujutage ette, et mul on käes kaks münti ja viskan neid korraga õhus. Pöörlemisel tähistavad nad nelja võimalikku olekut. Kui ma viskan kolm mündi õhku, esindavad need kaheksat võimalikku olekut. Kui viskan õhus viiskümmend münti ja küsin, mitu riiki nad esindavad, on vastus arv, mida isegi maailma võimsaim superarvuti ei suuda arvutada. Kolmsada münti - ikka suhteliselt väike arv - tähistab universumis rohkem olekuid kui aatomeid.
Miks on jupid nii habras?
Reaalsus on see, et mündid või rahatähed lõpevad lõpuks keerutamise ja varisevad teatud olekusse, olgu selleks siis pea või saba. Kvantarvutamise eesmärk on hoida see keermes olekute komplektis pikka aega keerlemas. Kujutage ette, et minu laual keerleb münt ja keegi lükkab lauda. Münt võib kiiremini kukkuda. Müra, temperatuurimuutused, elektrilised kõikumised või vibratsioon võivad kõik häirida qubit'i tööd ja põhjustada selle andmete kadumise. Üks viis teatud tüüpi juppide stabiliseerimiseks on hoida neid külmas. Meie jänesed jooksevad 55-gallonises tünni suuruses külmkapis ja jahutavad neid spetsiaalse heeliumi isotoobiga absoluutse nulli lähedale.
Kuidas erinevad erinevat tüüpi jupid üksteisest?
Erinevat tüüpi viktereid on vähemalt kuus või seitse ja umbes kolme-nelja neist kaalutakse aktiivselt kvantarvutites kasutamiseks. Erinevus on selles, kuidas juppidega manipuleerida ja neid omavahel suhelda lasta. Suurte "takerdunud" arvutuste tegemiseks vajate üksteisega suhtlemiseks kahte vutti ning eri tüüpi vutid takerduvad erineval viisil. Minu kirjeldatud tüüpi, mis nõuab äärmist jahutamist, nimetatakse ülijuhtivaks süsteemiks, mis hõlmab meie Tangle Lake'i protsessorit ja kvantarvuteid, mille on ehitanud Google, IBM ja teised. Muud lähenemisviisid kasutavad kinni jäänud ioonide võnkelaenguid - mida hoitakse paigas vaakumkambris laserkiirte abil -, mis toimivad juppidena. Intel ei arenda lõksus olevaid ionisüsteeme, kuna see nõuab põhjalikke teadmisi laserite ja optika kohta,me ei saa seda teha.
Uurime aga kolmandat tüüpi, mida me kutsume räni keerdkvooditeks. Need näevad välja täpselt nagu traditsioonilised räni transistorid, kuid töötavad ühel elektronil. Spinnikvoodid kasutavad mikrolaine impulsse elektroni spinni juhtimiseks ja selle kvantjõu vabastamiseks. See tehnoloogia on tänapäeval vähem küps kui ülijuhtiv qubit-tehnoloogia, kuid selle ulatus ja selle äriline edukus on kahtlemata palju tõenäolisem.
Kuidas siit selleni jõuda?
Esimene samm on nende kvantkiipide valmistamine. Samal ajal oleme simulatsioone teinud superarvuti abil. Inteli kvantisimulaatori käivitamiseks kulub 42 vbitaadi simuleerimiseks umbes viis triljonit transistorit. Kommertsiaalse ulatuseni jõudmiseks kulub miljon või rohkem tsüklit, kuid sellise simulaatoriga alustades saab luua põhiarhitektuuri, kompilaatorid ja algoritmid. Kuni meil pole füüsilisi süsteeme, mis hõlmavad mõnisada kuni tuhat vatti, pole selge, millist tarkvara me saame nendel kasutada. Sellise süsteemi suuruse suurendamiseks on kaks võimalust: üks on lisada rohkem kvite, mis nõuab rohkem füüsilist ruumi. Probleem on selles, et kui meie eesmärk on ehitada miljoni vutiga arvuteid, ei võimalda matemaatika neid hästi skaleerida. Teine viis on integreeritud vooluahela sisemõõtmete tihendamine, kuid see lähenemine eeldaks ülijuhtivat süsteemi, mis peab olema tohutu. Spin-vutid on miljon korda väiksemad, seega otsime muid lahendusi.
Lisaks soovime parandada viktoriinide kvaliteeti, mis aitab meil algoritme testida ja oma süsteemi üles ehitada. Kvaliteet tähistab teabe edastamise täpsust aja jooksul. Ehkki sellise süsteemi paljud osad parandavad kvaliteeti, tuleb kõige rohkem kasu uute materjalide väljatöötamisest ning mikrolaineimpulsside ja muu juhtimiselektroonika täpsuse parandamisest.
Hiljuti pidas USA digitaalse kaubanduse ja tarbijakaitse allkomitee kuulamise kvantarvutite teemal. Mida tahavad seadusandjad selle tehnoloogia kohta teada?
Erinevate komisjonidega on seotud mitu kuulamist. Kui võtta kvantarvutused, siis võime öelda, et need on järgmise 100 aasta arvutustehnoloogiad. On täiesti loomulik, et USA ja teised valitsused on huvitatud oma võimalusest. Euroopa Liidul on mitme miljardi dollari suurune plaan kvant uuringute rahastamiseks kogu Euroopas. Hiina teatas eelmisel sügisel 10 miljardi dollari suurusest uurimisbaasist, mis keskendub kvantinformaatikale. Küsimus on selles, mida saaksime riigina riigi tasandil teha? Kvantarvutuste riiklikku strateegiat peaksid juhtima ülikoolid, valitsus ja tööstus, töötades koos tehnoloogia eri aspektidega. Standardid on kindlasti vajalikud kommunikatsiooni või tarkvaraarhitektuuri osas. Probleemiks on ka tööjõud. Kui nüüd avan kvantarvutustehnika eksperdi vaba töökoha, asuvad kaks kolmandikku taotlejatest tõenäoliselt väljaspool USA-d.
Millist mõju võib kvantarvutamine avaldada tehisintellekti arengule?
Tavaliselt keskenduvad esimesed pakutud kvantalgoritmid turvalisusele (nt krüptograafia) või keemiale ja materjali modelleerimisele. Need on traditsiooniliste arvutite jaoks põhimõtteliselt lahendamatud probleemid. Kvantarvutite kasutuselevõtuga on aga tonni alustavaid ettevõtteid ja teadlaste rühmi, kes tegelevad masinõppe ja AI-ga, isegi teoreetiliste omadega. Arvestades AI arendamiseks vajalikku ajaraamistikku, eeldaksin, et traditsioonilised kiibid on optimeeritud spetsiaalselt AI algoritmide jaoks, mis omakorda mõjutab kvantkiipide arengut. Igal juhul saab AI kvantarvutitest kindlasti tõuke.
Millal näeme töötavaid kvantarvuteid tegeliku maailma probleeme lahendamas?
Esimene transistor loodi 1947. aastal. Esimene integraallülitus oli 1958. aastal. Inteli esimene mikroprotsessor - mis sisaldas umbes 2500 transistorit - tuli välja alles 1971. aastal. Kõiki neid verstaposte on eraldanud enam kui kümme aastat. Inimesed arvavad, et kvantarvutid asuvad kohe nurga taga, kuid ajalugu näitab, et edasiminek võtab aega. Kui 10 aasta jooksul on meil olemas kvantarvuti, millel on paar tuhat vatti, siis muudab see kindlasti maailma samamoodi nagu esimene mikroprotsessor.
Ilja Khel
