Производительность новых моделей квантовых компьютеров IBM, по сравнению с представленными в прошлом году – удвоена. Это огромный скачок в создании обещанной революционной машины Big Blue, но не все так просто и все только начинается
Фундаментальный элемент обработки данных в квантовом компьютере называется – кубитом. И чем их больше, соответственно, тем выше потенциал компьютера. Однако кубиты привередливы, и даже такое внешнее воздействие как тепло, легко может сбить их с толку и нарушить квантовую механику. Чтобы измерять производительность, IBM создала тест, называемый квантовым объемом, который может показывать количество кубитов в квантовом компьютере и объем фактически выполненной работы.
В 2019 году IBM достигла цифру квантового объема – 32. В этом году он достиг – 64. Это планомерное ежегодное удвоение заявленных планов по наращиванию квантового объема. Такой экспоненциальный темп роста направлен на то, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными и полезными – и, самое главное, взращивать интерес и ожидание публики новых, мощных и практичных машин.
Квантовые вычисления не заменят классический дизайн ноутбуков, серверов, умных часов и смартфонов. Но если они выполнят свое обещание, то будут решены вопросы, недоступные для сегодняшних компьютеров. К примеру, квантовый компьютер сможет включать в себя: разработку на молекулярном уровне новых материалов, лекарств и химических процессов, таких как производство удобрений; более быструю доставку посылок с автопарком; более выгодные инвестиционные портфели и т.д.
IBM является лидером на рынке квантовых компьютеров. Сейчас у нее функционирует 22 машины, по сравнению с 18-ю квантовыми компьютерами в мае. Здесь стоит также упомянуть игрока, пытающегося вернуть себе место лидера в компьютерной индустрии – Honeywell.
Гонка квантовых вычислений
В начале 2020 года Honeywell заявила, что опередила IBM, достигнув отметки – 64 кубита квантового объема. По словам президента Honeywell Quantum Solutions Тони Аттли, после успешного запуска квантового компьютера, Honeywell планирует предоставлять его вычислительные мощности другим компаниям. Такая услуга может стоить от $10 000 в час, однако Honeywell не предоставила информацию, сколько клиентов готовы использовать устройство. При этом компания сообщила, что уже заключила контракт с американским банком JPMorgan Chase, который собирается использовать устройство для создания систем по обнаружению мошенничества.
Аттли добавил, что скоро квантовые компьютеры перестанут быть шокирующим новшеством, и станут реальным инструментом для решения практических задач. Honeywell планирует каждый год десятикратно увеличивать квантовый объем компьютера и к 2025 году достичь 640 000 кубитов.
Эта область является коллегиальной и отчасти академической. Презентация нового проекта Honeywell просигнализировала о том, что в игру вступила традиционная вычислительная индустрия. И речь идет о гонке за самый быстрый квантовый компьютер.
Что отличает конкуренцию квантовых разработчиков от большинства других производителей компьютерной отрасли? Говоря простыми словами – абсолютно разные подходы и несопоставимые обороты, как скорость лошади с автомобилем или самолета с велосипедом.
Революция квантовых вычислений
Квантовое превосходство Google (Rigetti Computing смог за 3 минуты и 20 секунд выполнить расчет, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit (IBM) понадобилось бы примерно 10 тыс. лет) – это только первый шаг к компьютерной революции. Amazon, IBM и Microsoft стремятся обеспечить глобальный доступ к квантовым вычислениям. Honeywell утверждает, что у него самый быстрый квантовый компьютер на планете.
В продукте IBM, как и в квантовых компьютерах Google, используется конструкция с суперкомпьютерными кубитами, охлажденными на долю градуса выше абсолютного нуля – холоднее космоса. Кубиты Honeywell упакованы, как в «ловушке», в которой находятся заряженные частицы, называемые ионами. Идея Intel состоит в задействовании электронов в качестве кубитов, используя квантово-механическое свойство, называемое спином. Microsoft надеется обойти ненадежность кубитов с помощью подхода, называемого – топологическими кубитами.
Всем разработчикам нужны кубиты
Там, где обычные компьютерные биты могут находиться в одном из двух состояний, нулевом или единичном, кубиты могут записывать комбинацию обеих состояний с помощью явления квантовой физики, называемого суперпозицией. Другое, называемое запутанностью, связывает состояния нескольких кубитов, что позволяет квантовому компьютеру фактически обрабатывать гораздо более крупные возможные комбинации единиц и нулей.
Программисты управляют работой квантовых компьютеров, массируя состояния своих кубитов с помощью последовательности преобразований, называемых вентилями. Но не все вычислительные задачи поддаются такому подходу.
Еще кубиты, пожалуйста
В современных квантовых компьютерах не так много кубитов. 27 кубитов – на микросхеме квантовых вычислений Falcon, которую IBM использовала для своего теста по производительности квантового объема. Но на горизонте уже маячит – обновление 53-кубитной системы Hummingbird.
«Вскоре мы выпустим вторую версию IBM Quantum Hummingbird, которая значительно улучшит первую версию», – сказал Джей Гамбетта, вице-президент IBM Quantum. Он добавил, что подход IBM будет расширяться за счет объединения нескольких квантовых процессоров.
Упаковка большего количества кубитов и поддержание их стабильности имеет решающее значение для успеха квантовых вычислений. Но они настолько непостоянны, что конструкторы считают, что десятки и сотни кубитов должны быть объединены в отдельные «логические» кубиты, которые вместе смогут противостоять вычислительным ошибкам. Самый минимум – миллион или около него.
«Intel опробовала сверхпроводящий подход IBM с процессором 2018 года, – сообщил директор Intel по аппаратному обеспечению квантовых вычислений Джим Кларк в своем выступлении на конференции Hot Chips в августе этого года. – Но этот чип такой же большой, как и обычный серверный чип, что делает его дорогим. Intel остановилась на спиновых кубитах, потому что в чип можно втиснуть гораздо больше кубитов».
Honeywell, в свою очередь утверждает, что его конструкция ионной ловушки будет вмещать большое количество кубитов, что отчасти является причиной того, что она планирует увеличивать квантовый объем в 10 раз каждый год (заметьте, намного быстрее, чем темпы IBM).
Конкуренция, безусловно, накалена до пределов. Джей Гамбетта не умаляет достоинств конкурентов, но признается, что они должны проявить себя: «Мы до сих пор не видели полной, стабильной и доступной системы, использующей спиновые кубиты. Что касается Honeywell, нам бы хотелось видеть документ, в котором подробно описываются характеристики всей системы, а не отдельные ее элементы».
Осложнения контроля
Одна из трудностей квантовой электроники заключается в том, что между управлением кубитами и их разрушением есть тонкая грань. Вот почему сегодня квантовыми компьютерами управляют удаленно. Обычные компьютеры отправляют управляющую информацию кубитам и считывают ответы через громоздкую связку кабелей.
В Hot Chips исследователи Intel и Microsoft заявили, что они надеются разработать технологию, которая улучшит этот контроль, переместив его на отдельный процессор, который будет находиться рядом с чипом квантовых вычислений, в котором размещены кубиты.
Примитивное состояние квантовых вычислений-2020
Квантовые компьютеры выглядят как люстры в стиле хайтек. Но их конструкция, украшенная коммуникационными кабелями, на самом деле отражает неуклюжее разрастание ранних классических компьютеров до того, как миниатюризация превратила микросхемы в крошечные кусочки кремния.
Microsoft
По словам Кларка, Intel создала свой управляющий чип первого поколения под названием Horse Ridge и работает над Horse Ridge – 2.
Microsoft также занимается проблемой контроля. По словам Дэвида Рейли, директора отдела квантовой работы Microsoft в Сиднее (Австралия ), «уловка будет заключаться в том, чтобы втиснуть управляющий чип без дополнительного нагрева».
«Если бы у вас был квантовый компьютер с миллионом кубитов, каждый из которых бы получал инструкции миллион раз в секунду, для этого понадобился бы управляющий чип, который мог бы обрабатывать триллион битов данных в секунду. Потребуются годы экспериментов в области квантовых вычислений, поскольку исследователи будут пытаться выбрать правильный промышленный образец квантовых вычислений. Я лично считаю, что нам еще предстоит найти идеальную платформу», – сказал Рейли.
Мы привели в статье наиболее преуспевающие в квантовых технологиях компании. Но есть ряд разработчиков, которые занимаются эмуляцией квантовых компьютеров на современных сверхпроизводительных традиционных системах. Классические компьютеры действительно могут работать, эмулируя работу квантовых систем. Но здесь есть ограничения. Например, суперкомпьютер Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли смог поработать в качестве квантового компьютера с 45 кубитами. Мощность этой системы составила около 29 петафлопс.
Ученые считают, что если сравнивать обычные системы с квантовыми, то первые не смогут выйти за рамки 49 кубитов.
