A verseny teljes lendületben van. A világ vezető vállalata megkísérel létrehozni az első kvantumszámítógépet, amely olyan technológián alapul, amely már régóta ígérte a tudósokat, hogy segítsenek csodálatos új anyagok kifejlesztésében, tökéletes adat titkosításban és pontosan megjósolja a Föld éghajlatának változásait. Egy ilyen gép valószínűleg legfeljebb tíz év múlva jelenik meg, de ez nem áll meg az IBM, a Microsoft, a Google, az Intel és mások számára. Szó szerint kvantum biteket - vagy kviteket - darabkálnak egy processzor chipre. De a kvantumszámításhoz vezető út sokkal több, mint a szubatomi részecskék manipulálása.
Egy szuperpozíció egyedülálló kvantum-jelenségének köszönhetően egy kvbit egyszerre 0 és 1 lehet. Ez lehetővé teszi a kvitek számára, hogy hatalmas mennyiségű számítást végezzenek egyszerre, ezáltal jelentősen növelve a számítási sebességet és a kapacitást. De vannak különféle típusú kvitek, és nem mindegyik készül azonos. Egy programozható szilikon kvantumcsipben például egy bit értékét (1 vagy 0) az elektron forgásiránya határozza meg. A qubitek azonban rendkívül törékenyek, és néhányuknak 20 millikelvin hőmérsékletre van szükség - ez 250-szer hidegebb, mint a mély űrben - ahhoz, hogy stabil maradjon.
Természetesen a kvantumszámítógép nem csak processzor. Ezeknek a következő generációs rendszereknek új algoritmusokra, új szoftverekre, kapcsolatokra és egy csomó még feltalált technológiára van szükségük, amelyek előnyei a kolosszális számítástechnika. Ezen felül a számítások eredményeit valahol tárolni kell.
"Ha nem lett volna ilyen nehéz, akkor már megtettük volna" - mondja Jim Clark, az Intel Labs kvantum hardver igazgatója. Az idei CES-en az Intel egy 49-bites processzort mutatott be, a Tangle Lake kódnévvel. Néhány évvel ezelőtt a vállalat létrehozott egy virtuális környezetet a kvantumszoftverek tesztelésére; a nagyteljesítményű Stampede szuperszámítógépet használja (a texasi egyetemen) egy 42-bites processzor szimulálására. Clarke szerint azonban ahhoz, hogy valóban megértsük, hogyan kell szoftvert írni kvantumszámítógépekhez, több száz vagy akár több ezer kvitet kell szimulálni.
A tudományos amerikai interjút készített Clarke-vel a kvantumszámítógép felépítésének különféle megközelítéseiről, miért olyan törékenyek, és miért tart az egész ilyen sokáig. Érdekes lesz számodra.
Miben különbözik a kvantumszámítás a hagyományos számítástól?
Promóciós videó:
A kétféle számítás összehasonlításához használt általános metafora egy érme. Hagyományos számítógépes processzorban a tranzisztor fej vagy farok. Ha azonban megkérdezi, hogy az érme melyik oldalán néz ki, amikor forog, akkor azt fogja mondani, hogy a válasz mindkettő lehet. Így működik a kvantumszámítás. A szokásos bitek helyett, amelyek 0 vagy 1-et jelölnek, akkor van egy kvantum bit, amely egyszerre jelzi a 0-t és az 1-t is, amíg a qubit le nem forog, és nyugalmi állapotba nem lép.
Az állapottér - vagy az a lehetőség, hogy hatalmas számú kombinációval iteráljon - exponenciális a kvantumszámítógép esetében. Képzelje el, hogy két érme van a kezemben, és egyszerre dobom őket a levegőbe. Ahogy forognak, négy lehetséges állapotot képviselnek. Ha három érmét dobok a levegőben, akkor nyolc lehetséges állapotot képviselnek. Ha ötven érmét dobok a levegőben, és megkérdezem tőlem, hogy hány államot képviselnek, a válasz egy olyan szám, amelyet a világ legerősebb szuperszámítógépe sem tud kiszámítani. Háromszáz érme - még mindig viszonylag kis szám - több államot képvisel, mint atomok az univerzumban.
Miért annyira törékeny a jegybank?
A valóság az, hogy az érmék vagy a jegyek végül abbahagyják a forgást és összeomlanak egy bizonyos állapotba, legyen az fej vagy farok. A kvantumszámítás célja az, hogy hosszú ideig szuperpozícióban forogjon egy állapotkészletben. Képzelje el, hogy egy érme forog az asztalomon, és valaki nyomja az asztalt. Az érme gyorsabban eshet le. A zaj, a hőmérséklet-változások, az elektromos ingadozások vagy a rezgések mind zavarhatják a kvbit működését, és adatvesztéshez vezethetnek. Bizonyos típusú kvitták stabilizálásának egyik módja a hideg tartás. A nyulaink 55 gallonos hordóméretű hűtőszekrényben futnak, és speciális hélium-izotópot használunk az abszolút nullához való lehűtéshez.
Hogyan különböznek a különféle típusú kvitek egymástól?
Nem kevesebb, mint hat vagy hét különféle kvbit létezik, és ezek közül három-négy aktívan fontolgatják kvantumszámítógépekben való felhasználást. A különbség az, hogy hogyan lehet manipulálni a kviteket, és hogyan lehet egymással kommunikálni. Két nagyméretű kvantumra van szükség a nagyméretű „összegabalyodott” számítások elvégzéséhez, hogy egymással kommunikálhassanak, és a különféle típusú kvitek különböző módon összefonódnak. Az általam leírt típusú szélsőséges hűtést igénylő szupravezető rendszernek nevezzük, amely magában foglalja a Tangle Lake processzort és a Google, az IBM és mások által épített kvantum számítógépeket. Más megközelítések az elfogott ionok oszcilláló töltéseit használják - amelyeket a vákuumkamrában a lézernyalábok tartanak a helyén -, amelyek kvbitként működnek. Az Intel nem fejlesztett csapdájú ionrendszereket, mert mély ismereteket igényel a lézerek és az optika területén,nem tehetjük meg.
Ugyanakkor egy harmadik típust vizsgálunk, amelyet szilikon centrifugáknak hívunk. Pontosan úgy néznek ki, mint a hagyományos szilícium-tranzisztorok, de egyetlen elektronon működnek. A spin-kvbitok mikrohullámú impulzusokat használnak az elektron spinjének vezérlésére és annak kvantumerejének felszabadítására. Ez a technológia manapság kevésbé érett, mint a szupravezető qubit technológia, ám vitathatatlanul sokkal valószínűbb, hogy méretezhető és kereskedelmi szempontból sikeres lesz.
Hogyan lehet innen innen jutni?
Az első lépés ezeknek a kvantum-chipeknek a elkészítése. Ugyanakkor szimulációkat hajtottunk végre egy szuperszámítógépen. Az Intel kvantumszimulátorának futtatásához kb. Öt billió tranzisztorra van szükség a 42 kvbit szimulálásához. Több, mint négymillió másodpercre van szükség a kereskedelmi cél eléréséhez, de egy ilyen szimulátorral kezdve megépíthető az alapvető architektúra, a fordítók és az algoritmusok. Amíg nincs olyan fizikai rendszerünk, amely néhány száz-ezer kvitet tartalmaz, addig nem világos, hogy milyen szoftvert tudunk rajta futtatni. Kétféle módon lehet növelni egy ilyen rendszer méretét: az egyik további kvitek hozzáadása, ami több fizikai helyet igényel. A probléma az, hogy ha a célunk egy millió kviteket számláló számítógépek építése, akkor a matematika nem engedi számukra, hogy jól méretezzék őket. Egy másik módszer az integrált áramkör belső méreteinek tömörítése, de ez a megközelítés szupravezető rendszert igényel, amelynek hatalmasnak kell lennie. A centrifugálási számok egymilliószor kisebbek, tehát más megoldásokat keresünk.
Ezen felül javítani szeretnénk a kvitek minőségét, amely segít az algoritmusok tesztelésében és a rendszer felépítésében. A minőség arra utal, hogy pontosan hogyan továbbítják az információkat az idő múlásával. Noha egy ilyen rendszer számos része javítja a minőséget, a legnagyobb nyereséget új anyagok fejlesztése, valamint a mikrohullámú impulzusok és más vezérlőelektronika pontosságának javítása jelenti.
Nemrégiben az Egyesült Államok Digitális Kereskedelmi és Fogyasztóvédelmi Albizottsága meghallgatást tartott a kvantumszámításról. Mit akar tudni a jogalkotók erről a technológiáról?
A különböző bizottságokhoz számos meghallgatás kapcsolódik. Ha kvantumszámítást veszünk fel, akkor azt mondhatjuk, hogy ezek a számítástechnikák a következő 100 évben. Természetes, hogy az Egyesült Államok és más kormányok érdeklődnek a lehetőségeik iránt. Az Európai Unió több milliárd dolláros tervvel rendelkezik kvantumkutatás finanszírozására Európában. Kína tavaly ősszel bejelentette a 10 milliárd dolláros kutatási bázist, amely a kvantum-informatikára összpontosít. A kérdés az, hogy mit tehetünk országként nemzeti szinten? A kvantumszámítás nemzeti stratégiáját az egyetemeknek, a kormánynak és az iparnak kell vezetnie, a technológia különféle szempontjaival együtt dolgozva. A szabványok feltétlenül szükségesek a kommunikáció vagy a szoftver architektúrája szempontjából. A munkaerő szintén problémát jelent. Ha megnyílok egy kvantumszámítástechnikai szakértő megüresedett állása, a jelentkezők kétharmada valószínűleg az Egyesült Államokon kívül tartózkodik.
Milyen hatással lehet a kvantumszámítás a mesterséges intelligencia fejlődésére?
Általában az első javasolt kvantumalgoritmus a biztonságra (például kriptográfia) vagy a kémiára és az anyagmodellezésre összpontosít. Ezek olyan problémák, amelyek alapvetően megoldhatatlanok a hagyományos számítógépek számára. Rengeteg induló vállalkozás és tudóscsoport működik gépi tanulással és az AI-vel kvantumszámítógépek bevezetésével, akár elméletileg is. Tekintettel az AI fejlesztéséhez szükséges időkeretre, elvárnám a kifejezetten az AI algoritmusokra optimalizált hagyományos chipeket, amelyek viszont hatással lesznek a kvantum chips fejlesztésére. Mindenesetre az AI minden bizonnyal lendületet kap a kvantumszámításnak.
Mikor láthatjuk, hogy működő kvantumszámítógépek megoldják a valós problémákat?
Az első tranzisztort 1947-ben hozták létre. Az első integrált áramkör 1958-ban volt. Az Intel első mikroprocesszora - amely körülbelül 2500 tranzisztort tartalmazott - csak 1971-ben jelent meg. Ezeket a mérföldköveket több mint egy évtized választotta el egymástól. Az emberek azt gondolják, hogy a kvantumszámítógépek a sarkon vannak, de a történelem azt mutatja, hogy a haladás időbe telik. Ha 10 év alatt van egy kvantumszámítógépünk néhány ezer kvbittel, akkor ez határozottan megváltoztatja a világot, mint az első mikroprocesszor.
Ilya Khel