Cursa este în plină evoluție. Companiile de top din lume încearcă să creeze primul computer cuantic, bazat pe tehnologie care a promis oamenilor de știință de mult timp să ajute la dezvoltarea de noi materiale minunate, la criptarea perfectă a datelor și la prezicerea cu exactitate a schimbărilor în climatul Pământului. O astfel de mașină va apărea probabil nu mai devreme de zece ani de acum încolo, dar acest lucru nu oprește IBM, Microsoft, Google, Intel și altele. În mod literal, ei bucățează biți cuantici - sau qubits - pe un cip procesor, literal. Dar calea către calculul cuantic implică mult mai mult decât manipularea particulelor subatomice.
Un qubit poate reprezenta 0 și 1 în același timp, datorită fenomenului cuantic unic al superpoziției. Acest lucru permite qubit-urilor să efectueze o cantitate imensă de calcul în același timp, crescând considerabil viteza și capacitatea de calcul. Dar există diferite tipuri de qubits și nu toate sunt create la fel. Într-un cip cuantic de siliciu programabil, de exemplu, valoarea unui bit (1 sau 0) este determinată de direcția de rotație a electronului său. Cu toate acestea, știfturile sunt extrem de fragile, iar unele au nevoie de temperaturi de până la 20 de milicelvine - de 250 de ori mai reci decât în spațiul profund - pentru a rămâne stabil.
Desigur, un computer cuantic nu este doar un procesor. Aceste sisteme de generație viitoare vor necesita noi algoritmi, software nou, conexiuni și o mulțime de tehnologii încă de inventat care beneficiază de o putere de calcul colosală. În plus, rezultatele calculelor vor trebui stocate undeva.
„Dacă nu ar fi fost atât de greu, am fi făcut deja unul”, spune Jim Clark, directorul hardware-ului cuantic la Intel Labs. La CES anul acesta, Intel a dezvăluit un procesor de 49 de Qubit, denumit în cod Tangle Lake. Acum câțiva ani, compania a creat un mediu virtual pentru testarea software-ului cuantic; utilizează puternicul supercomputer Stampede (la Universitatea din Texas) pentru a simula un procesor de 42 de cb. Cu toate acestea, pentru a înțelege cum să scrii software pentru calculatoarele cuantice, necesită simularea a sute sau chiar mii de biți, spune Clarke.
Scientific American a intervievat Clarke despre diferitele abordări ale construirii unui computer cuantic, de ce sunt atât de fragile și de ce întreaga trecere durează atât de mult. Va fi interesant pentru dumneavoastră.
În ce fel diferă calculul cuantic de calculul tradițional?
Video promotional:
O metaforă comună care este utilizată pentru a compara cele două tipuri de calcule este o monedă. Într-un procesor tradițional de computer, tranzistorul este fie cap, fie cozi. Dar dacă întrebi de ce parte se confruntă moneda când se învârte, vei spune că răspunsul poate fi ambele. Așa funcționează calculul cuantic. În loc de biți obișnuiți care reprezintă 0 sau 1, aveți un bit cuantic care reprezintă atât 0 cât și 1 în același timp până când qubitul nu se mai învârte și intră într-o stare de repaus.
Spațiul de stat - sau capacitatea de a itera peste un număr imens de combinații posibile - este exponențial în cazul unui computer cuantic. Imaginează-ți că am două monede în mână și le arunc în aer în același timp. Pe măsură ce se rotesc, ele reprezintă patru stări posibile. Dacă arunc trei monede în aer, ele reprezintă opt state posibile. Dacă arunc cincizeci de monede în aer și vă întreb câte state reprezintă, răspunsul este un număr pe care nici cel mai puternic supercomputer din lume nu îl poate calcula. Trei sute de monede - încă un număr relativ mic - vor reprezenta mai multe state decât atomii din univers.
De ce sunt cozile atât de fragile?
Realitatea este că monedele, sau qubit-urile, încetează în cele din urmă să se rotească și să se prăbușească într-o anumită stare, fie că este vorba de capete sau cozi. Scopul calculului cuantic este de a-l menține învârtind în superpoziție într-un set de stări pentru o lungă perioadă de timp. Imaginează-ți că o monedă se învârte pe masa mea și cineva împinge masa. Moneda poate cădea mai repede. Zgomotul, schimbările de temperatură, fluctuațiile electrice sau vibrațiile pot interfera cu funcționarea qubit-ului și pot duce la pierderea datelor sale. O modalitate de a stabiliza anumite tipuri de garnituri este de a le menține la rece. Păturile noastre se execută într-un frigider cu dimensiunea de 55 de galoți și folosesc un izotop special de heliu pentru a le răci până la zero absolut.
Cum diferă diferitele tipuri de qubits între ele?
Există nu mai puțin de șase sau șapte tipuri diferite de qubits și aproximativ trei sau patru dintre ele sunt luate în considerare în mod activ pentru utilizarea în computere cuantice. Diferența constă în modul de manipulare a spălăturilor și de a le face să comunice între ele. Aveți nevoie de două picături pentru a comunica între ele pentru a efectua calcule mari „încurcate”, iar diferite tipuri de cabluri se împletesc în moduri diferite. Tipul pe care l-am descris, care necesită răcire extremă, se numește un sistem supraconductor, care include procesorul nostru Tangle Lake și computerele cuantice construite de Google, IBM și alții. Alte abordări folosesc încărcări oscilante ale ionilor prinși - ținuți la locul lor într-o cameră de vid de fascicule laser - care acționează ca fântâni. Intel nu dezvoltă sisteme cu ioni prinși, deoarece necesită cunoștințe profunde despre lasere și optică,nu putem face asta.
Cu toate acestea, studiem un al treilea tip, pe care-l numim chei de spin silicon. Acestea arată exact ca tranzistoarele tradiționale de siliciu, dar funcționează pe un singur electron. Spinetele rotative folosesc impulsuri cu microunde pentru a controla rotirea unui electron și pentru a elibera forța cuantică a acestuia. Astăzi, această tehnologie este mai puțin matură decât tehnologia de qubit supraconductor, dar este probabil mult mai probabil să se extindă și să aibă succes comercial.
Cum să ajungi în acest punct de aici?
Primul pas este realizarea acestor jetoane cuantice. În același timp, am efectuat simulări pe un supercomputer. Pentru a rula simulatorul cuantic al lui Intel, este nevoie de aproximativ cinci trilioane de tranzistoare pentru a simula 42 de biți. Este nevoie de un milion de biți sau mai mulți pentru a ajunge la un nivel comercial, dar începând cu un simulator ca acesta poate construi arhitectura de bază, compilatoare și algoritmi. Până când nu avem sisteme fizice care vor include de la câteva sute până la o mie de cbiti, nu este clar ce tip de software putem rula pe ele. Există două modalități de a crește dimensiunea unui astfel de sistem: una este să adăugați mai multe chituri, ceea ce va necesita mai mult spațiu fizic. Problema este că, dacă obiectivul nostru este să construim calculatoare cu un milion de cbiti, matematica nu le va permite să se scaleze bine. O altă modalitate este de a comprima dimensiunile interne ale circuitului integrat, dar această abordare ar necesita un sistem de supraconductor, care trebuie să fie imens. Spinetele de rotire sunt de un milion de ori mai mici, așa că căutăm alte soluții.
În plus, dorim să îmbunătățim calitatea cablurilor, ceea ce ne va ajuta să testăm algoritmi și să ne construim sistemul. Calitatea se referă la precizia cu care informațiile sunt comunicate în timp. În timp ce multe părți ale unui astfel de sistem vor îmbunătăți calitatea, cele mai mari câștiguri vor veni din dezvoltarea de noi materiale și îmbunătățirea preciziei impulsurilor cu microunde și a altor electronice de control.
Recent, Subcomisia americană pentru comerț digital și protecția consumatorilor a organizat o audiere despre calculul cuantic. Ce vor legiuitorii să știe despre această tehnologie?
Există mai multe audieri asociate cu diferite comisii. Dacă luăm calculul cuantic, putem spune că acestea sunt tehnologii de calcul pentru următorii 100 de ani. Este normal ca SUA și alte guverne să fie interesate de oportunitatea lor. Uniunea Europeană are un plan de mai multe miliarde de dolari pentru finanțarea cercetării cuantice în toată Europa. China a anunțat anul trecut o bază de cercetare de 10 miliarde de dolari care se va concentra pe informatica cuantică. Întrebarea este: ce putem face ca țară la nivel național? O strategie națională pentru calculul cuantic ar trebui să fie condusă de universități, guvern și industrie, care lucrează împreună pe diferite aspecte ale tehnologiei. Standardele sunt cu siguranță necesare în ceea ce privește comunicațiile sau arhitectura software. Munca este, de asemenea, o problemă. Acum, dacă deschid un loc de muncă vacant pentru un expert în informatică cuantică, probabil că două treimi din solicitanți vor fi în afara SUA.
Ce impact poate avea calculul cuantic asupra dezvoltării inteligenței artificiale?
De obicei, primii algoritmi cuantici propuși se vor concentra pe securitate (de exemplu, criptografic) sau pe chimie și modelarea materialelor. Acestea sunt probleme care sunt fundamental insolubile pentru calculatoarele tradiționale. Cu toate acestea, există tone de startup-uri și grupuri de oameni de știință care lucrează la învățarea automată și AI cu introducerea computerelor cuantice, chiar și a celor teoretice. Având în vedere intervalul de timp necesar dezvoltării AI, aș aștepta cipuri tradiționale optimizate special pentru algoritmi AI, care la rândul lor vor avea un impact asupra dezvoltării cipurilor cuantice. În orice caz, AI va primi cu siguranță un impuls din calculul cuantic.
Când vom vedea calculatoarele cuantice care funcționează rezolvă probleme din lumea reală?
Primul tranzistor a fost creat în 1947. Primul circuit integrat a fost în 1958. Primul microprocesor Intel - care conținea aproximativ 2.500 de tranzistoare - nu a apărut până în 1971. Fiecare dintre aceste repere a fost separată de mai bine de un deceniu. Oamenii consideră că calculatoarele cuantice sunt chiar după colț, dar istoria arată că progresele necesită timp. Dacă peste 10 ani avem un computer cuantic cu câteva mii de cbiti, cu siguranță va schimba lumea la fel cum a făcut primul microprocesor.
Ilya Khel
