Квантовые вычисления могут изменить все, и IBM соревнуется с Microsoft, Intel и Google, с целью овладеть ими
01 июля 2019, 09:15

Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel, с одним из квантовых процессоров компании. Фото; Intel

  • Квантовые компьютеры — чрезвычайно захватывающая технология, подающая надежды на создание мощных вычислительных возможностей для решение ранее неразрешимых проблем.
  • Эксперты утверждают, что IBM лидировала в области квантовых вычислений, поэтому Google, Intel, Microsoft и множество стартапов находятся под ее влиянием.
  • Инвесторов привлекают стартапы в области квантовых вычислений, в их числе IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems и Rigetti, которые смогут изменить этот рынок.
  • Однако, есть загвоздка: современные квантовые компьютеры, как правило, не так мощны и не так надежны, как существующие сегодня суперкомпьютеры, а также им требуются особенные условия для запуска и загрузки.

В январе IBM произвела фурор, когда объявила о выпуске IBM Q System One, первой в мире модели квантового компьютера доступной для бизнеса. Устройство, было помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.

Это важная веха для квантовых компьютеров, которые до сих пор располагаются в исследовательских лабораториях. По мнению IBM, покупатели уже намерены взять в свои руки эту технологию, подающую надежды в разных областях: химии, материаловедении, производстве продуктов питания, авиакосмической промышленности, разработке лекарств, прогнозировании фондового рынка и даже в борьбе с климатическими изменениями.

IBM Q System One. Фото: IBM

Причина волнений заключена в том, что квантовый компьютер обладает, казалось бы, магическими свойствами, которые позволяют ему обрабатывать экспоненциально больше информации. Квантовый компьютер не просто очень быстрый компьютер, скорее, это совершенно другая парадигма вычислений, которая требует радикального переосмысления.

Победителем в гонке технологий станет та компания, которая воспользуется возможностями, предоставляемыми этой технологией. IBM, Microsoft, Google и другие технические гиганты, а также стартапы делают ставку на эту технологию.

Business Insider задал пару вопросов вице-президенту IBM Q Strategy and Ecosystem Бобу Сютору о том как сделать эти системы доступными для людей: как люди получат к ним доступ? Каким образом множество людей сможет научиться использовать квантовые компьютеры для выполнения своих задач?

Мало шансов увидеть квантовые компьютеры в офисе в ближайшее время. Эксперты, с которыми мы поговорили, считают, что, несмотря на то, что они доступны IBM, пройдет еще пять-десять лет, прежде чем квантовые вычисления действительно станут мейнстримом. IBM Q System One в настоящее время доступна только в качестве службы облачных вычислений для избранных покупателей. Пройдет еще какое-то время, прежде чем что-то подобное люди смогут приобрести и заставить работать в личных целях.

Действительно, эксперты уверяют, что квантовые компьютеры подают большие надежды, но они далеки от массового производства. Они чрезвычайно хрупкие и требуют специальных условий для работы. Более того, квантовые компьютеры сегодня не так надежны и не так мощны, как компьютеры, которые у нас уже есть.

"Мы считаем, что примерно через десять лет квантовый компьютер изменит вашу жизнь или мою, — заявил Business Insider Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel. — На самом деле мы сейчас только на первой миле марафона. Это не значит, что мы не обеспокоены этим".

Что такое квантовый компьютер?

Однажды Билл Гейтс сказал, что математика, лежащая в основе кванта, была за пределами его понимания, но не все с этим согласились.

"Несколько ошибочно представление о том, что квантовая физика — это тоже физика и она слишком сложная, — убеждает Business Insider Крис Монро, генеральный директор и соучредитель IonQ. — Непостижимой для многих людей ее делает то, что она — непонятна, но она также непонятна для меня, как и для вас. Если что-то может находиться в суперпозиции, это означает, что оно может быть в двух состояниях одновременно. Это странно, потому что мы не сталкиваемся с подобным в реальном мире".

Компьютеры, которые мы использовали отображают данные в виде строки 1 или 0, названной двоичным кодом. Тем не менее, квантовый компьютер может представлять данные в виде 1, 0 или, что особо важно, оба числа одновременно.

Когда система может находиться в более чем одном состоянии одновременно, это называется "суперпозиция" — одно из, казалось бы, магических свойств квантовых вычислений. Другим ключевым принципом здесь является "запутанность", которая является квантовым свойством, позволяющим двум частицам двигаться абсолютно синхронно, независимо от того, насколько далеко они физически разделены.

Как объясняет статья в журнале Scientific American, эти два качества объединяются в компьютер, который может обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любая система на сегодняшнем рынке.

Мощность квантового компьютера измеряется в кубитах, базовой единице измерения в квантовом компьютере. Точно так же, как современные компьютеры имеют 32-х или 64-разрядные процессоры (меру того, сколько данных они могут обрабатывать одновременно) квантовый компьютер с большим количеством кубитов имеет значительно больший объем вычислительной мощности.

Внутри квантового компьютера. Фото: IBM

Небо — это предел

Все это означает, что квантовый компьютер может решать проблемы, которые ранее были ограничены вычислительной мощностью.

Например, квантовый компьютер может грубым методом разрешить известную проблему коммивояжера — сложную вычислительную задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между несколькими городами, прежде чем вернуться домой. Это звучит просто, но если смотреть на это с точки зрения математики, найти единственный оптимальный путь становится сложнее, когда вы добавляете больше городов в его маршрут.

Точно так же квантовый компьютер мог бы пробраться через самые хитрые, самые трудоемкие задачи, отсеивая огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения. Действительно, квантовый стартап D-Wave уже сотрудничает с Volkswagen, чтобы проанализировать модели движения и отсеять огромное количество помех для того, чтобы добраться до сути.

Обсуждается его полезность в сфере криптографии. Квантовый компьютер способен осилить метод шифрования, отличный от ранее известного шифра, что позволяет ему легко расшифровать даже государственную тайну. Проявляется большой интерес со стороны мировых правительств к этой полезной функции, в то время как активисты опасаются, что появление квантовых вычислений может уничтожить конфиденциальность.

Физическая задача

"Поскольку квантовые вычисления все еще находятся на ранних стадиях своего развития, есть много информации, которая до сих пор остается недоказанной", — считает Мэтью Брисс, вице-президент Gartner по НИОКР. "Но покупатели уже ищут область применения, чтобы определить конкурентные преимущества квантовых вычислений для их бизнеса", — говорит он.

Несмотря на всю шумиху, эксперты считают, что квантовые компьютеры так же далеки от лидирующих позиций, как ПК в 1950-х годах. Конечно, они набирают обороты, но медленно.

"Квантовые вычисления можно сравнить с медленно движущимся поездом, — заявил Business Insider Брайан Хопкинс, вице-президент и главный аналитик Forrester. — Если он проходит один дюйм в секунду, то через месяц он пройдет уже два дюйма в секунду. Довольно скоро он начнет двигаться быстрее".

Большая проблема сейчас заключается в том, что квантовый компьютер не может ничего сделать того, что не смог быть сделать классический компьютер. Промышленность с нетерпением ожидает момента, названного квантовым превосходством, когда квантовые компьютеры выйдут за пределы текущих ограничений.

"Когда клиенты приходят к нам, главное, что они нам говорят — это то, что им все равно какая модель, лишь бы она была полезна для их бизнеса, — говорит аналитик Брисс. — Не существует какой-либо модели, которая могла бы опередить классические алгоритмы. Нам действительно нужно подождать, пока аппаратура квантового компьютера начнет совершенствоваться".

Сотрудник IBM Research Кэти Пули осматривает криостат, который помогает квантовым компьютерам сохранять низкую температуру. Фото: Энди Аарон, IBM

Большой проблемой остается недостаток вычислительной мощности. Предполагается, что для квантового превосходства потребуется компьютер с мощностью в 50 кубит. Хотя данный рубеж был преодолен в лаборатории, он непостоянен и его невозможно поддерживать. Действительно, кубиты могут как подвергаться ошибкам, так и быть непостоянными, что приводит к проблемам с их генерацией и понижает их потенциал.

Другой важный фактор — более материальный. Квантовые компьютеры должны быть полностью изолированы от окружающей среды, чтобы функционировать, и им требуются очень низкие температуры. Даже самые слабые вибрации могут привести к разрушению кубитов, выводя их из суперпозиции, подобно тому, как ребенок, стуча по столу, заставляет вращающиеся монеты падать на стол.

Предыдущие квантовые компьютеры, такие как IBM Q System One, настолько громоздкие, что необходимые условия изоляции и охлаждения становятся реальной проблемой. Усугубляют данную проблему нехватка необходимых компонентов: сверхпроводных кабелей и низкотемпературных рефрижераторов. Они в сильном дефиците.

В конечном счете это означает, что, хотя знания совершенствуются и технология развивается, квантовые вычисления все еще практически неосуществимы.

"Одной из проблем в моей рабочей группе является манипулирование материалами, кремнием, металлами, чтобы мы могли создать очень однородную среду, — сказал Кларк из Intel. — Это в основном самая лучшая полупроводниковая техника. Технологий, которые нам нужны для создания квантовых вычислений в больших масштабах, пока не существует".

Другая проблема заключается в том, что квантовые компьютеры обладают неоспоримым потенциалом для обеспечения непредвиденных вычислительных мощностей. Однако, в этом мире не так много людей, которые на самом деле имеют опыт программирования или управления этими системами, а очарованные потенциальные покупатели пытаются выяснить, как на самом деле этим пользоваться.

Великая квантовая гонка

Аналитики утверждают, что IBM в настоящее время лидирует в гонке квантовых вычислений благодаря ограниченной коммерческой доступности IBM Q System One. Поскольку доступ к нему осуществляется через облако, IBM может поддерживать эти особые условия, чтобы этот квантовый компьютер функционировал, в то же время позволяя избранным клиентам им пользоваться.

"Я думаю, что [квантовый компьютер IBM] раскачивается, — сказал аналитик Брисс. — Я думаю, что модель квантовых вычислений в качестве сервиса — верная модель. Поместив ее в контейнер и обращаясь с конкретными задачами, они действительно пытаются улучшить его качество".

Сара Шелдон и Пэт Гуманн из IBM работают над рефрижератором растворения, который охлаждает квантовые компьютеры. Фото: IBM

При этом аналитики отмечают, что у любого из игроков этого рынка может произойти прорыв в любой момент, который позволит ему вырваться вперед, и что это по-прежнему необходимое соперничество.

Разные IT — гиганты по-разному подходят к это проблеме. Intel, IBM, Google и стартап квантовых вычислений Rigetti строят системы, созданные на основе сверхпроводящих схем, опираясь на современные суперкомпьютеры.

Microsoft использует совершенно другой и, возможно, более рискованный подход, пытаясь создать лучший кубит. Топологический кубит, который пытается создать Microsoft, фрагментирует электроны для хранения информации в нескольких местах одновременно, делая ее более стабильной и менее подверженной разрушению. По словам аналитика Хопкинса, это менее надежно, чем то, что пытаются создать его конкуренты, но результат станет важным шагом вперед для всей области квантовых вычислений.

"Они ввязались в авантюру и многие считают, что им это никогда не удастся", — заявляет Хопкинс.

Что касается авантюр, такие стартапы, как IonQ и D-Wave, делают ставку на передовые технологии, такие как ионное улавливание и квантовый отжиг. Проще говоря, пытаются разными способами добиться большей производительности и стабильности от каждого кубита, используя совершенно новый методы.

"Это позволяет нам создавать квантовый компьютер, который решает сложные задачи и непрерывно прогрессирует в этом", — заявил Business Insider Марк Джонсон, вице-президент по проектированию и разработке процессоров и квантовых продуктов в D-Wave.

Специалист по квантовым технологиям IBM прогуливается по вычислительному центру IBM Q в исследовательском центре Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк. Фото: Конни Чжоу для IBM

Квантовые стартапы

Рост потока квантовых вычислений вызвал волну интереса инвесторов к связанным стартапам. По оценкам Роберта Сютора из IBM, в мире существует около 100 стартапов в области квантового программного обеспечения, аппаратного обеспечения и даже консалтинга. Это мало по сравнению с огромным рынком стартапов, но гораздо больше, чем раньше.

"Я в этой сфере очень долго, с самого начала, — заявил Монро из IonQ. — Долгое время она находилась в зачаточном состоянии, пока 5-8 лет назад не обратила на себя внимание, и привлекла огромные инвестиции. Стало понятно, что время пришло".

Крис Монро, генеральный директор и соучредитель стартапа квантовых вычислений IonQ. Фото: IonQ

Некоторые, как Rigetti, готовы сражаться на равных с техническими титанами, располая собственными квантовыми чипами и искусными системами квантовых вычислений.

"Это основа нашего бизнеса", — сообщила Business Insider Бетси Масиелло, вице-президент по продуктам в Rigetti. — В квантовом пространстве существует множество компаний, которые работают над программными приложениями в области квантовых вычислений. Мы производим микросхемы и строим вычислительные системы".

Мэтью Кинселла, управляющий директор Maverick Ventures, говорит, что он настроен оптимистично относительно области квантовых вычислений. Его компания зашла так далеко, что инвестировала в ColdQuanta, компанию, которая производит оборудование, применяемое в квантовых системах. Он ожидает, что через пять-десять лет квантовые компьютеры превзойдут сегодняшние системы. Maverick Ventures сделал ставку на долгосрочную перспективу.

"Я действительно верю в квантовые вычисления, хотя это может занять больше времени, чем ожидалось, прежде чем квантовый компьютер станет лучше, чем традиционный компьютер для решении повседневных задач. Скорее всего в ближайшие несколько лет мы будем получать преимуществах квантовых компьютеров в решении задач малого масштаба", — сказал Кинселла.

D-Wave's 2000Q Systems лаборатории. Фото: D-Wave

Кинселла, как и аналитики, с которыми мы говорили, в ожидании так называемой "квантовой зимы". Вокруг квантовых компьютеров может быть ажиотаж, но люди обнадеживают сами себя, предупреждают эксперты. Машины еще не совершенны, и пройдут годы, прежде чем инвесторы увидят результаты.

В перспективе

Даже за пределами квантового превосходства эксперты уверяют нас, что для традиционных компьютеров и суперкомпьютеров все же найдется место. До тех пор есть еще стоит решить проблемы со стоимостью, размером, надежностью и вычислительной мощностью, прежде чем мы сможем это обсудить.

"Следует перевести дыхание, — сказал аналитик Брисс. — В этой области происходит много захватывающих вещей, отнимающих время. Это конгломерат физики, информатики и, откровенно говоря, научного анализа. Нам не пришлось бы изучать это, если бы мы знали все ответы, но в будущем нас ждет большой объем исследовательской работы ".

Квантовый компьютер Rigetti. Фото: Rigetti

Тем не менее, для многих ясно, что за этим будущее. Точно так же, как производители первого мэйнфрейм-компьютера не осознавали, что это в конечном итоге приведет к увеличению числа карманных смартфонов размером с ладонь. Квантовый компьютер может стать первым шагом на совершенно новом пути.

Немногие, подобные вице-президенту Microsoft по корпоративному управлению Тодду Холмдалу, достаточно оптимистичны, чтобы заявить, что это может быть более значимым, чем искусственный интеллект и машинное обучение сегодня. Раньше он говорил своим детям, что они должны заниматься тем, чем увлечены, и что они всегда могут получить работу в области искусственного интеллекта. Теперь он скажет тоже самое о квантовых вычислениях.

"Это область, которая будет развиваться. Нам нужны люди, чтобы заполнить ее и не дать зачахнуть, — сказал Холмдал. — Она играет важную роль для нашего поколении, дающая возможность создавать удивительные вещи в будущем".
habr.com
© ФГУП «ГосНИИПП», 1989-2018