captcha image

A password will be e-mailed to you.

Podczas tegorocznych targów Consumer Electronic Show w Las Vegas, IBM pokazał w pełni zintegrowany komputer kwantowy*. Prasa fachowa okrzyknęła go pierwszym komercyjnym komputerem tego typu, ale rzeczywistość jest nieco mniej kolorowa. Q System One to nie przełom, a raczej symbol. Maszyny nie można kupić. Za to dzięki pracy naukowców i projektantów wnętrz, po raz pierwszy można ją wyprowadzić ze sterylnych ścian laboratoriów.

Do tej pory wszystkie kwantowe komputery IBM-a, bo firma zbudowała ich już kilka, działały tylko w sterylnych laboratoriach. Nie przeszkadzało to (i wciąż nie przeszkadza), by naukowcy mogli prowadzić na nich swoje eksperymenty i testować tworzone algorytmy. Cały proces programowania odbywa się poprzez darmową internetową platformę IBM Q Experience, która wykorzystuje rozrzucone po świecie 5- i 16-kubitowe komputery kwantowe. Jak do tej pory już 97 000 użytkowników przeprowadziło ponad 6 milionów eksperymentów.

Prawda, że piękny? Taki IBM Q System One został ustawiony w Thomas J Watson Research Center w Yorktown Heights, New York. (foto: IBM)

Dlaczego Q System One jest ważny?

20-kubitowy System One jest niewielkim krokiem w rozwoju komputerów kwantowych, który w żaden sposób nie popycha do przodu samej technologii czy naszej wiedzy o tym, jak z niej korzystać. Ale to nie znaczy, że jest bez znaczenia.
To, co podczas CES pokazał IBM, to majstersztyk inżynierii i designu. Do tej pory komputery kwantowe, składające się z tysięcy komponentów wymagały do pracy bardzo sterylnego środowiska. Wynikało to z tego, że kubity – o nich za chwilę – które są z jednej strony potężne obliczeniowo, z drugiej są bardzo wrażliwe od strony fizycznej. Pole elektromagnetyczne, wibracje czy wahania temperatury (kubity trzymane są w temperaturze bliskiej bezwzględnego zera) to jedne z czynników sprawiających, że nawet w najlepszych systemach tracą swoje kwantowe właściwości już po upływie 100 mikrosekund. By zminimalizować wpływ otoczenia i poszczególnych elementów komputera na siebie nawzajem, trzeba było je „rozrzucić” po sporej przestrzeni laboratorium. Taki komputer wymagał również zespołu ludzi czuwających nad jego pracą.

Jeśli macie w głowie, jak wyglądały pierwsze komputery (powiedzmy Eniac), to ten obraz można by porównać do tego co zobaczylibyście w laboratorium IBM-a. Komputer kwantowy działa, ale spróbujcie wpaść na pomysł, by przenieść go w inne miejsce. No i jest brzydki, a to zdecydowanie może przeszkadzać w przekonaniu dyrektora finansowego dużej firmy.
Ten stan rzeczy zmienia Q System One. Robi skok, jakiego kiedyś dokonały komputery mainframe typu IBM System/360. IBM nowe Q nazywa pierwszym zintegrowanym systemem kwantowym do zastosowań komercyjnych. Przełomowe jest właśnie to „zintegrowanie”. Komputer kwantowy IBM Q został przeprojektowany tak, żeby zamiast zajmować całe pomieszczenie, zmieścił się na znacznie mniejszej powierzchni i mógł stanąć obok innych systemów w centrum danych.

Równocześnie IBM postanowił stworzyć coś co nie tylko jest bardzo zaawansowane technologicznie, ale ma także wygląd na miarę XXI wieku (albo tego co zostało nam w głowie po obejrzeniu filmów science-fiction). I trzeba przyznać, że Amerykanom się to udało.

Wygląd nowego komputera IBM-a został zaprojektowany w równie dobrym stylu, jak superkomputer Cray 1 i otaczające go wygodne siedziska. Futurystyczny kształt Q System One w formie przezroczystego prostopadłościanu o szerokości i wysokości 2,75 metra zaprojektowało londyńskie studio wzornictwa przemysłowego Map Project Office (znane ze współpracy np. z Hondą) i projektanci wnętrz z Universal Design Studio.

Obudowę z grubego na pół cala szkła borokrzemianowego zrobiła włoska firma Goppion, która ma na koncie konstrukcje gablot zabezpieczających Mona Lisę czy klejnoty koronne Wielkiej Brytanii.

Tak wygląda komputer kwantowy (w białym cylindrze) w środowisku laboratoryjnym. (fot. IBM)

W przypadku komputera kwantowego nie chodziło jednak o ochronę przed złodziejami, a stworzenie hermetycznej obudowy, która ma utrzymywać stałą temperaturę. A stoi przed nią nie byle jakie wyzwanie, bo komputer kwantowy (kryjący się w cylindrycznym kriostacie) musi utrzymywać ją na poziomie 15 milikelwinów, czyli tuż powyżej absolutnego zera – jest tam zimniej niż w przestrzeni kosmicznej.

Zespół konstruktorów musiał również poradzić sobie ze znacznie gęstszym upakowaniem wszelkich komponentów maszyny, wibracjami i wszystkim, co może mieć wpływ na stabilność jego pracy. W efekcie, System One potrafi się automatycznie kalibrować, zapewniając powtarzalną i przewidywalną jakość kubitów. Te cechy w połączeniu z uproszczonym procesem konserwacji i modernizacji systemu, który skraca ewentualne czasy przestojów, są krokiem w kierunku budowania komercyjnych komputerów kwantowych.

Taki “żyrandol” kryje się w białym kriostacie. Ten na zdjęciu ma 50 kubitów. (fot. IBM)

Sam System One na razie taki jeszcze nie jest, bo wciąż go nie można kupić. Jego atutami w porównaniu do innych komputerów kwantowych ma być nie wyższa liczba kubitów (Google ma już komputer 72-kubitowy), ale ich jakość. IBM najpierw chce skupić się na minimalizowaniu liczby błędów i ogólnej niezawodności systemu, a dopiero później myśleć o podnoszeniu jego mocy obliczeniowej.

Wraz z premierą komputera zadebiutowało centrum obliczeniowe IBM Q Quantum Computation Center, które zaprasza wszystkie zainteresowane firmy i instytucje do dołączenia do komercyjnego projektu IBM Q Network. Stoi za nim społeczność firm z listy Fortune 500, instytucje akademickie, startupy i laboratoria badawcze współpracujące z IBM, które mają być początkiem komercyjnego wykorzystania obliczeń kwantowych. Wśród ponad 100 000 partnerów, którzy już przystąpili do sieci jest CERN, Fermilab, Argonne National Laboratory and Lawrence Berkeley National Laboratory czy ExxonMobil.

Dlaczego kubity są ważne…

Podstawą działania klasycznych komputerów jest bit, który może przyjmować dwa stany „jeden” lub „zero” – „prawda” lub „fałsz”. Komputer kwantowy korzysta z bitów kwantowych, czyli kubitów. Te również mogą przyjmować stany takie jak „zero” czy „jeden”, ale mogą także przyjmować obie wartości na raz.

Tu przypominamy sobie kota Schrödingera, który może być zarówno żywy jak i martwy, albo kręcący się pieniądz, który jeszcze nie spada na żadną ze swoich dwóch stron.

Tak wygląda 7-kubitów (fot. IBM)

Kubit może znajdować się w superpozycji, czyli być proporcjonalną mieszanką „bycia” w stanie „zero” i „jeden”. Kot Schrödingera znajdujący się w superpozycji raz może być bardziej żywy niż martwy, albo odwrotnie**. Nie możemy zobaczyć „jaki jest kot”, ale znając dane wejściowe (włożyliśmy go w dobrej formie), wyniki pomiarów (coś tam drapie, pudełko się rusza i nie są to drgawki z gorączki), możemy przewidywać (po setkach takich pomiarów), że jednak bliżej mu do bycia żywym niż martwym.

Bardzo ważne: jeśli jeden kubit w superpozycji może przebywać w dwóch stanach równocześnie, to dwa kubity będą miały ich cztery, a np. 5 kubitów już 32.

Na tym nie koniec, bo kubity zależą jeden od drugiego, ich stany są splątane. Oznacza to, że nie można opisać stanu jednego kubita w oderwaniu od drugiego. Mając informacje o jednym z nich wiemy czego się spodziewać po pozostałych.

Stany kwantowe mają jeszcze fazę i mogą ze sobą wchodzić w interferencje. To trzeci po superpozycji i splątaniu element opisujący kubity. Interferencje kwantowe należy rozumieć podobnie tak, jak znane nam interferencje fal: kiedy dwie fale mają zgodne fazy, ich amplitudy dodają się, kiedy jest odwrotnie amplitudy się nawzajem znoszą (Przy okazji: wiecie jak działają słuchawki z redukcją szumów? Właśnie tak!).

To wszystko sprawie, że kubity działają inaczej, niż bity. Żeby to wyjaśnić trzeba wspomnieć, że klasyczne bity przetwarzane i programowane są jeden po drugim. Przy dużej komplikacji obliczeń staje się to czasochłonne. Dzięki superpozycji i pozostałym cechom kubitów, w komputerze kwantowym dane wejściowe można zapisać za jednym razem. Również za jednym razem można odczytać wszystkie możliwe rozwiązania. Jedyny problem w tym, że do ich odczytania potrzeba wielu pomiarów, bo wynik końcowy jest ich uśrednieniem.

Gdy w przyszłości uda się zbudować odpowiednio mocny komputer, złożony z wielu użytecznych kubitów o jak najmniejszej ilości błędów, będzie można modelować i rozwiązywać niezwykle złożone problemy.

… i na razie mało istotne.

Jak na razie opracowano tylko kilka algorytmów, w których komputer kwantowy miałby wyraźną przewagę nad tradycyjnym. Wiadomo, że kubity bardzo dobrze będą sprawdzać się w rozkładaniu liczb całkowitych na czynniki (algorytm kwantowy Petera Shora z MIT). Złożoność obliczeniowa tego procesu jest nadal niezwykle czasochłonna, nawet dla współczesnych superkomputerów i dlatego wykorzystywany jest do szyfrowania danych.

Jak czasochłonna? W 2010 roku ogłoszono, że został złamany największy jak do tej pory 768-bitowy klucz RSA (standardowo dziś używa się kluczy 1024- lub 4096-bitowych). Cały proces zajął naukowcom około dwóch lat i wymagał wielu połączonych razem komputerów. Gdyby zamiast nich mieli skorzystać z współczesnego im jednego peceta, cały proces musiałby trwać ok. 2000 lat. Ten stan rzeczy może zmienić komputer kwantowy.

Kubity i ich kwantowa natura będą lepiej nadawać się do opisywania zjawisk fizycznych, reakcji czy związków chemicznych, które same z siebie mają naturę kwantową. Naukowcy w ich wykorzystaniu widzą wielki potencjał, który doprowadzi do odkrycia nowych materiałów i leków. Pierwszymi sukcesami są kwantowe symulacje bardzo prostych cząsteczek wodorku litu (LiH) i wodorku berylu (BeH2), opracowane przez IBM Research z wykorzystaniem 7-kubitowego komputera.

Na razie małe i wciąż nieprecyzyjne komputery kwantowe nie mają na swoim koncie spektakularnych aplikacji. Nie pomagają w prognozowaniu pogody, nie przewidują giełdowych trendów. Przestały za to być już szalonymi marzeniami fizyków, a stały się koszmarem inżynierów (za Isaakiem Chuangiem, MIT). Dla nich nie jest już wyzwaniem zbudowanie komputera, operującego na większej ilości kubitów. Problemem jest stworzenie takich bitów kwantowych, które dadzą akceptowalny poziom błędów. Naukowcy z IBM-a szacują, że zanim komputery kwantowe osiągną przewagę nad tradycyjnymi, minie pewnie jeszcze 3-5 lat.

Jedno jest pewne: komputery kwantowe będą rozwiązywać pewną klasę problemów, ale nie zastąpią klasycznych “bitowych” komputerów. Nawet tam gdzie potrzebna będzie największa moc obliczeniowa, za kilkadziesiąt lat spotkamy rozwiązania hybrydowe, które połączą nowe i stare komputery z algorytmami deep learnigowymi.
A 20-kubitowy Q System One to dopiero mały krok, który pewnego dnia pozwoli rozwiązywać problemy, które są obecnie postrzegane jako zbyt złożone.

* Na targach CES prezentowana była niedziałająca replika IBM Q System One.

** Jeśli to za trudne do wyobrażenia, to można podejść do tego od strony dźwięku. Mnie to nawet bardziej przekonuje, bo dźwięk jest falą. Zagrajcie na pianinie czy gitarze „1”, czyli do. Zagrajcie „0”, czyli mi, a teraz uderzcie te dwa dźwięki razem i macie już superpozycję. Jeśli jeden będzie cichszy, to drugi wybije się na pierwszy plan itd. Tak naprawdę to nawet pojedynczy dźwięk jest już superpozycją, bo brzmią w nim składowe harmoniczne innych dźwięków.

Czego u nas szukaliście?

2
Dodaj komentarz

avatar
 
2 Comment threads
0 Thread replies
0 Followers
 
Most reacted comment
Hottest comment thread
2 Comment authors
HdhdhdPaweł Recent comment authors

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

  Subscribe  
najnowszy najstarszy oceniany
Powiadom o
Paweł
Gość
Paweł

Przecież o tym można było przeczytać dobry miesiąc temu. Co za neews…

Hdhdhd
Gość
Hdhdhd

Mam wątpliwości, co do tego czy autor czytał ten artykuł “na zimno”, przed publikacją.
Już w samym nagłówku jest błąd: “…wyprowadzić ze sterylnych ściana laboratoriów”. Dalej też się zdarzają: “…komputery kwantowe, składające się tysięcy komponentów”.
Niby drobnostki ale sprawiają wrażenie że publikowano to na szybko.

Nie ma więcej wpisów