Fantastično putovanje u hladno unutarnje djelovanje mističnog modernog stroja.
Srce IBM-ovog kvantnog računala je čip koji nije veći od četvrtine. Ovi ekstravagantni strojevi obećavaju rješavanje teških problema koji opterećuju današnja najbolja klasična računala. The sam čip je samo jedan dio veće slagalice. Za razliku od prijenosnih prijenosnih računala koja ljudi koriste u svakodnevnom životu, računalna infrastruktura koja podržava rad a kvantni čip je složen poput ruske lutke, sa zamršenim međupovezanostima unutar Rube-Goldbergove naprava.
Međutim, čak i sa svojom kompliciranom konstrukcijom i zadivljujućim dizajnom, kvantno računalo je još uvijek stroj koji obavlja operacije koristeći i hardver i softver. Neke od tih radnji slične su onima koje izvode klasična računala. Zanima vas kako funkcioniraju? Popularna znanost razgledali su kvantni centar u IBM-ovom kampusu Yorktown Heights u New Yorku. Pogledajte izbliza što se događa unutra - počevši od nečega što se zove qubit (više o tome što je to za trenutak) i smanjivanje, malo po malo.
To je hladno
Da bi pokazivali kvantne kvalitete, objekti moraju biti ili vrlo mali ili vrlo hladni. Za IBM, ova slojevita struktura nalik na luster, koja izgleda kao naopako okrenuta zlatna steampunk svadbena torta, naziva se dilution refrigerator. Održava njihove qubite hladnima i stabilnima i infrastruktura je koju je tvrtka stvorila za ovaj 50-qubit čip. Sadrži više ploča koje su sve hladnije što su bliže tlu. Svaki tanjur ima različitu temperaturu, a gornji sloj je na sobnoj temperaturi.
Kvantni procesor montiran je na najnižu i najhladniju ploču hladnjaka za razrjeđivanje koja postiže temperaturu od oko 10 do 15 mili-Kelvina, što je otprilike –460 stupnjeva F. Prva faza hlađenja uključuje velike komade bakra koji se vide kako se spuštaju u gornji sloj koji su povezani s hladnim glavama kao dio zatvorenog ciklusa helijskog kriohladnjaka. Više cijevi koje ulaze u niže razine uvode još jedan zatvoreni ciklus kriogenog materijala, sastavljenog od mješavine izotopa helija.
U stražnjem dijelu kućišta nalazi se skrivena potporna infrastruktura za luster. To uključuje sustav za rukovanje plinom koji podržava kriogenu infrastrukturu, kao i pumpe i monitore temperature. A tu je i klasična upravljačka elektronika izrađena po narudžbi. Kada korisnici pokreću program putem IBM-ove usluge kvantnog oblaka, oni učinkovito orkestriraju skup vrata i njihovih sklopova. Oni se pretvaraju u mikrovalne impulse koji su odgovarajuće sekvencirani, poravnati i distribuirani u sustav za kontrolu kubita. A impulsi očitavanja dohvaćaju stanja kubita, koja se prevode natrag u binarne vrijednosti i vraćaju korisnicima.
Qubiti i 'umjetni atom'
Klasična računala predstavljaju informacije pomoću binarnih bitova jedan ili nula. U slučaju kvantnih, informacije su predstavljene kroz qubits, koji mogu biti u kombinaciji nula i jedan. To je fenomen koji se naziva superpozicija. “U stvarnom svijetu cijelo vrijeme imate superpoziciju. Glazba je, na primjer, superpozicija frekvencija,” kaže Zaira Nazario, tehnička voditeljica teorije, algoritama i aplikacija u IBM Quantum. Budući da je to valni oblik, daje amplitudu nula i jedan. To znači da dolazi s fazom, a kao i svi valovi, mogu umiješati se jedno s drugim.
Supervodljivi kubiti nalaze se na čipu i upakirani su u nešto poput tiskane ploče. Žice i koaksijalni kabeli za ulazne i izlazne signale strše izvan tiskane ploče. U novijim modelima čipova s višim kubitima, IBM radi na kompaktnijim rješenjima koja uključuju ožičenje i integrirane komponente kako bi bio učinkovitiji s prostorom. Manje nereda znači da će se komponente lakše hladiti. Trenutno je potrebno oko 48 sati da se kvantno računalo potpuno ohladi na željene temperature.
Kako bi kvantno računalo ispravno funkcioniralo, svaka od ploča mora biti toplinski zaštićena i izolirana kako bi se spriječilo da zračenje crnog tijela utječe na nju. Inženjeri su vakuumski zatvorili cijeli uređaj kako bi spriječili neželjene fotone, kao i drugo elektromagnetsko zračenje i magnetska polja.
Qubiti se kontroliraju mikrovalnim signalima u rasponu od 4 do 7 gigaherca. Klasična elektronika generira mikrovalne impulse koji putuju niz kabele kako bi doveli ulazne signale do čipa i vratili izlazne signale natrag. Dok signal putuje niz luster, prolazi kroz komponente poput filtara, prigušivača i pojačala.
IBM uglavnom radi sa supravodljivim kubitima. To su mali komadići metala koji se nalaze na pločici, koja se koristi za izradu čipa. Metal se sastoji od supravodljivih materijala kao što su niobij, aluminij i tantal. A Josephsonov spoj, napravljen nanošenjem slojeva vrlo tankog izolatora između dva supravodljiva materijala, osigurava osnovni nelinearni element potreban za pretvaranje supravodljivog kruga u kubit.
"Ono što gradimo su kvantni primjeri oscilatora", kaže Jerry Chow, direktor kvantne infrastrukture u IBM-u. Oscilatori pretvaraju istosmjernu struju iz izvora energije (u ovom slučaju mikrovalne fotone) u izmjeničnu struju ili val.
Za razliku od tipičnih harmonijskih oscilatora, nelinearni oscilator daje vam nejednak razmak energetskih razina, kaže Chow. "Kada to imate, možete izolirati najniža dva da djeluju kao vaša kvantna nula i kvantna jedinica."
Razmislite o atomu vodika. Sa stajališta fizike, ima niz energetskih razina. Prave valne duljine svjetlosti koja pogađa ovaj atom mogle bi ga dovesti do različitih stanja. Kada mikrovalovi pogode qubit, on radi nešto slično. "Vi zapravo imate ovaj umjetni atom", objašnjava Chow. “Imamo kvantu energije koju pomičemo stavljanjem prave količine mikrovalnog fotona na određeni puls na određeno vrijeme kako bi pobudio ili deekscitirao kvant energije unutar ovog nelinearnog mikrovalnog oscilatora.”
U klasičnom računalu postoji uključeno stanje (jedan) i isključeno stanje (nula). Za kvantno računalo, off-stanje je osnovno stanje umjetnog atoma. Dodavanje impulsa određenog mikrovalnog fotona energije pobudilo bi ga, promičući ga u jedan. Ako se qubit ponovno pogodi tim pulsom, vratit će se u osnovno stanje. Recimo da je potrebno 5 gigaherca za 20 nanosekundi da se qubit potpuno dovede u pobuđeno stanje - ako želite prepolovite količinu energije ili prepolovite količinu vremena, zapravo biste pokrenuli stanje superpozicije, Chow kaže. To znači da kad biste rezonatorom mjerili stanje qubita, imali biste 50 posto šanse da bude na nuli, a 50 posto šanse da bude na jedinici.
Korisnici se mogu igrati s elementima kruga, frekvencijama pulsa, trajanjem i energijom između različitih kubita kako bi ih spojili, zamijenili ili izvođenje uvjetnih operacija kao što je izgradnja isprepletenih stanja i kombiniranje pojedinačnih qubit operacija za izvođenje univerzalnog izračuna u cijelom uređaj. Kada se valovi presijecaju, to može ili pojačati ili dekonstruirati poruku.
Za što su kubiti dobri?
Praktična upotreba kvantnih računala razvila se u posljednjih nekoliko godina. "Ako pogledam što su ljudi radili sa sustavom u tom vremenskom okviru 2016., 2017., 2018., to je bilo korištenje kvantne za istraživanje kvantne... fizika kondenzirane tvari, fizika čestica, takve stvari,” kaže Katie Pizzolato, direktorica istraživanja strategije i aplikacija u IBM-u. Kvantni. “Ključni dio ovoga bit će uzeti klasične resurse i učiniti ih kvantno svjesnima. Moramo natjerati ljude koji su stručnjaci u svom području da razumiju gdje treba primijeniti kvantu, ali ne da budu kvantni stručnjaci.”
Interes koji IBM vidi u smislu kvantnih problema koji se postavljaju njihovim strojevima može se grupirati u tri skupine: kemija i materijali, strojno učenje i optimizacija (pronalaženje najboljeg rješenja problema iz skupa mogućih opcije). Ključ nije koristiti kvantno računalo u svakom dijelu problema — već na dijelovima koji su najteži.
Tim u IBM-u kontinuirano je tražio probleme iz stvarnog svijeta koje je klasičnim računalima teško riješiti zbog njihove strukture ili matematike koju uključuju. I postoji mnogo zanimljivih mjesta za njih.
Klasična računala rješavaju osnovne matematičke probleme koristeći binarnu logiku i komponente sklopa kao što su zbrajala. Međutim, kvantna računala su stvarno izvrsna u izvođenju linearne algebre — množenju matrica, i koji predstavljaju vektore u svemiru. To je zbog jedinstvenih značajki u njihovom dizajnu. Omogućuje im obavljanje funkcija poput faktoring relativno lako—problem koji je izuzetno težak za klasično računalo zbog eksponencijalno rastućeg broja varijabli i parametara i interakcija između njih. „Postoje strukture unutar tog problema faktoringa koje vam omogućuju da iskoristite prednosti zapetljanja, svih stvari koje dobivate s ovim uređajima. Zato je drugačiji", kaže Pizzolato.
A s problemima kemije i materijala, kubiti su jednostavno bolji u simulaciji svojstava poput veza i povezanih elektrona.
"Razmišljamo o tome koje vrste stvari možete preslikati na kvantne sklopove koji se ne mogu klasično simulirati, a zatim što ćete učiniti s njima", kaže Pizzolato. “Veliki dio rasprava o algoritmu odnosi se na to kako iskoristiti temeljnu mehaniku ovog uređaja. Kako mapirati višedimenzionalne prostore i kako koristiti ovu koordinaciju i množenje ovih matrica da dobijete odgovor koji želite.”
Upamtite, kubiti mogu imati vrijednost nula, jedan ili kombinaciju to dvoje. Budući da su kubiti valni oblici, inženjeri mogu rotirati nulu ili jedinicu kako bi dobili negativnu amplitudu. Qubiti se također mogu zapetljati - jedinstveno svojstvo kvantne mehanike koje nema klasičnu analogiju. Zapleteni kubiti mogu sadržavati informacije ne samo u samim nulama i jedinicama, već iu interakcijama između svih njih. Također, postoje vrata u kvantnim krugovima koji može rotirati qubit da promijeni svoju fazu, a oscilatori mogu zapetljati te qubits.
“Umjetnost izrade kvantnog algoritma je način na koji manipulirate svim tim isprepletenim stanjima i zatim se miješate na način da netočne amplitude se poništavaju, a amplitude ispravne dolaze naprijed i dobivate svoj odgovor,” Nazario kaže. "Imate puno više prostora za manevriranje u kvantnom algoritmu zbog svih tih zapetljanih stanja a ova smetnja u usporedbi s algoritmom koji vam omogućuje samo prebacivanje između nula i one.”
Qiskit, IBM-ov open-source razvojni komplet za kvantna računala, sadrži informacije o različitim vrstama kvantnih algoritama i programa na različitim razinama detalja.
Primjeri iz stvarnog svijeta
I dalje vam je teško vizualizirati što qubit radi? Smanjimo prikaz na neke primjere kako IBM-ovi partneri koriste kvantna računala. Na primjer, biofarmaceutska tvrtka Amgen želi koristiti kvantna računala i strojno učenje predvidjeti pacijente koji bi bili najprikladniji za ispitivanje lijeka na temelju zdravstvene dokumentacije i drugih čimbenika.
A Boeing primjenjuje kvantno računalstvo za analizu koeficijenata korozije u zrakoplovima. Krila aviona zahtijevaju određenu gustoću materijala. Inženjeri ih izrađuju s različitim slojevima različitih materijala, ali trebaju pomoć da shvate kako bi trebali rasporediti slojeve na način da krila budu jača, jeftinija i lakša. Ovo se svodi na problem kombinatorne optimizacije.
Goldman Sachs ga koristi za određivanje cijena opcija. “To su vrlo složene operacije koje su računalno vrlo skupe. I imaju složene distribucije,” kaže Nazario. Radi se o izračunavanju izvedenica varijacija u tim opcijama (operacija linearne algebre), što će im reći o rizicima.
Naposljetku, u prirodnim znanostima istraživačke su skupine bile zainteresirane za korištenje kvantnih računala za proučavanje fotosinteza.
Paralelna gradnja
Iako IBM stalno povećava veličina procesora za svoja kvantna računala i izgradnju zajednice partnera iz industrije, središta nacionalnih vlada i akademskim institucijama, tvrtka još uvijek smišlja najbolje načine za napredovanje s hardverom i softver.
[Povezano: Imamo kvantna računala - sada Amazon i Harvard žele kvantni internet]
Tvrtka je ranije rekla da će imati spreman stroj sposoban za kvantnu prednost (u kojem može pouzdano i točno riješiti problem bolje od klasičnog računala) do 2025. To znači da osim razvoja novih komponenti, treba izgladiti neka problematična područja i učiniti ono što već dobro radi učinkovitijim.
“Ovo je veliki dio fokusa softvera. Prepoznali smo da mnogi alati, alati za ublažavanje pogrešaka, inteligentna orkestracija, ideja kružnog pletenja, kako razdvojiti probleme da proširimo ono što može učiniti na kvantnom računalu, oni postaju mnogo plodniji u tome kako možemo pogurati tehnologiju," kaže Pizzolato.
