Stephen Hawking jednou navrhl, že tvrzení Alberta Einsteina, že „Bůh nehraje kostky“ s vesmírem, bylo chybné. Podle Hawkinga objev fyziky černých děr potvrdil, že Bůh nejen hrál v kostky, „ale že nás někdy mate tím, že je hází tam, kde nejsou vidět“.
Jsme tu náhodou nebo záměrně?
Pragmatičtější přístup k otázce s ohledem na předmět by byl předpokládat, že všechny odpovědi jsou správné. Ve skutečnosti je to základ kvantové fyziky.
Zdravíme humanoidy
Přihlaste se k odběru týdenního shrnutí našich oblíbených příběhů o umělé inteligenci
Zde je nejjednodušší vysvětlení toho, jak to celé funguje, jaké jste kdy četli: představte si, že si hodíte mincí a pak bezpečně odcházíte s vědomím, že dopadla na hlavu nebo na ocas.
Pokud se podíváme na celý vesmír a začneme přibližovat, dokud se nedostanete k těm nejmenším částicím, uvidíte přesně stejný efekt v jejich interakcích. Buď udělají jednu nebo druhou věc. A dokud je nebudete pozorovat, tento potenciál zůstává.
Se vším tím potenciálem ve vesmíru, který jen čeká na pozorování, jsme schopni postavit kvantové počítače.
Avšak stejně jako všechny kvantové věci existuje dualita spojená s využíváním Božích kostek pro naše vlastní lidské potřeby. Pro každý ohromující počin kvantového inženýrství, který vymyslíme – jen počkejte, až si přečtete o laserových pinzetách a časových krystalech – potřebujeme nějakou uzemněnou technologii k jeho ovládání.
Ve skutečnosti nic takového jako „čistě kvantový počítač“ neexistuje a pravděpodobně ani nikdy nebude. Všechny jsou tak či onak hybridní kvantově-klasické systémy.
Kvantové počítače
Začněme tím, proč potřebujeme kvantové počítače. Klasické (nebo binární, jak se jim často říká) počítače – takový, na kterém to čtete – plní cíle řešením úkolů.
Počítače programujeme tak, aby dělaly, co chceme, tím, že jim zadáváme řadu příkazů. Pokud stisknu klávesu „A“ na klávesnici, počítač zobrazí na obrazovce písmeno „A“.
Někde uvnitř stroje je kód, který mu říká, jak interpretovat stisknutí klávesy a jak zobrazit výsledky.
Nášmu druhu trvalo přibližně 200 000 let, než se dostal tak daleko.
Přibližně v minulém století jsme pochopili, že newtonovská fyzika se nevztahuje na věci ve velmi malých měřítcích, jako jsou částice, nebo na objekty ve zvlášť velkých měřítcích, jako jsou černé díry.
Nejužitečnější lekcí, kterou jsme získali v naší relativně nedávné studii kvantové fyziky, je to, že částice se mohou zamotat.
Kvantové počítače nám umožňují využít sílu zapletení. Místo čekání na provedení jednoho příkazu, jak to dělají binární počítače, mohou kvantové počítače dospět ke všem svým závěrům najednou. V podstatě jsou schopni přijít s (téměř) všemi možnými odpověďmi současně.
Hlavní výhodou je čas. Úloha simulace nebo optimalizace, jejíž zpracování může superpočítači trvat měsíc, by mohla být na kvantovém počítači dokončena za pouhé sekundy.
Nejčastěji uváděným příkladem je objevování drog. Aby mohli vědci vytvořit nové léky, musí studovat jejich chemické interakce. Je to jako hledat jehlu v nekonečném poli kupek sena.
Ve vesmíru existuje téměř nekonečně možných chemických kombinací, třídění jejich jednotlivých kombinovaných chemických reakcí je úkol, který žádný superpočítač nezvládne za užitečnou dobu.
Kvantové výpočty slibují urychlení těchto druhů úloh a učiní dříve nemožné výpočty běžnými.
Produkce těchto ultrarychlých výstupů však vyžaduje více než jen drahý a špičkový hardware.
Hybridní kvantové výpočetní systémy vstoupily do chatu
Hybridní kvantové výpočetní systémy integrují klasické výpočetní platformy a software s kvantovými algoritmy a simulacemi.
A protože jsou směšně drahé a většinou experimentální, jsou přístupné téměř výhradně prostřednictvím cloudového připojení.
Ve skutečnosti existuje celá řada kvantových technologií kromě hybridních kvantových počítačů, i když jsou to technologie, které přitahují největší pozornost.
V nedávném rozhovoru s Neuralem si generální ředitel SandboxAQ (společnosti sourozenecké společnosti Google pod záštitou Alphabet) Jack Hidary posteskl:
Z jakéhokoli důvodu se zdá, že mainstreamová média se zaměřují pouze na kvantové výpočty.
Existuje také kvantové snímání, kvantová komunikace, kvantové zobrazování a kvantové simulace – i když některé z nich se také překrývají s kvantovými hybridními výpočty.
Jde o to, jak Hidary také řekl Neuralu, „jsme v inflexním bodě.“ Kvantová technologie již není technologií vzdálené budoucnosti. Dnes je tu v mnoha podobách.
Ale rozsah tohoto článku je omezen na hybridní kvantové výpočetní technologie. A proto se zaměřujeme na dvě věci:
Je to tady nebo dál?
Ve světě kvantových počítačů existují dva druhy problémů: problémy s optimalizací a... druhy, které nejsou problémy s optimalizací.
Pro první z nich potřebujete systém kvantového žíhání. A na všechno ostatní potřebujete kvantový počítač na bázi brány... pravděpodobně. Ty jsou stále velmi v raných fázích vývoje.
Ale společnosti jako D-Wave staví systémy kvantového žíhání po celá desetiletí.
Jak D-Wave popisuje proces žíhání:
Systémy začínají sadou qubitů, z nichž každý je ve stavu superpozice 0 a 1. Ještě nejsou spojeny. Když podstoupí kvantové žíhání, zavedou se spojky a předpětí a qubity se zapletou. V tomto okamžiku je systém ve spletitém stavu mnoha možných odpovědí. Na konci žíhání je každý qubit v klasickém stavu, který představuje minimální energetický stav problému, nebo stav, který je mu velmi blízký.
Takto to popisujeme zde na Neuralu: viděli jste někdy jednu z těch 3D pin artových soch?
To je v podstatě proces žíhání. Pin art sochařství je počítač a vaše ruka je proces žíhání. Zůstává pozadu „minimální energetický stav problému“.
Kvantové počítače založené na bráně na druhé straně fungují úplně jinak. Jsou neuvěřitelně složité a existuje řada různých způsobů, jak je implementovat, ale v zásadě používají algoritmy.
Mezi ně patří nový špičkový experimentální systém společnosti Microsoft, který je podle nedávného příspěvku na blogu téměř připraven na hlavní vysílací čas:
Microsoft se snaží prosazovat topologický qubit, který má vestavěnou ochranu před okolním hlukem, což znamená, že k provedení užitečného výpočtu a opravě chyb by mělo být zapotřebí mnohem méně qubitů. Topologické qubity by také měly být schopny rychle zpracovávat informace a na wafer, který je menší než bezpečnostní čip na kreditní kartě, se jich vejde více než milion.
A dokonce i ti nejběžnější čtenáři vědy pravděpodobně slyšeli o úžasném průlomu společnosti Google s časovým krystalem.
Loni jsem zde na Neural napsal:
Časové krystaly Google by mohly být největším vědeckým úspěchem našich životů.
Časový krystal je nová fáze hmoty, která, zjednodušeně řečeno, by připomínala sněhovou vločku, která neustále koluje tam a zpět mezi dvěma různými konfiguracemi. V jednu chvíli je to sedmicípá mřížka a v další chvíli deseticípá mřížka, nebo cokoli jiného.
Na časových krystalech je úžasné to, že když se pohybují tam a zpět mezi dvěma různými konfiguracemi, neztrácejí ani nespotřebovávají žádnou energii.
Sakra, dokonce i D-Wave, společnost, která kvantové žíhání umístila na mapu, má v plánu zavést meziplatformní hybridní kvantové výpočty masám s nadcházejícím vlastním modelem založeným na bráně.
Co bude dál v odvětví kvantových počítačů
Odvětví kvantových počítačů již prosperuje. Pokud jde o nás v Neuralu, mainstream právě začíná pociťovat závan toho, co 30. léta 20. století budou vypadat.
Jak Bob Wisnieff, CTO IBM Quantum, řekl Neuralu v roce 2019, kdy IBM představilo svůj první komerční kvantový systém:
U kvantových počítačů jsme ve správný čas na správném místě, je to radostný projekt... Tento design představuje klíčový okamžik v technologii.
Podle Wisnieffa a dalších, kteří budují hybridní kvantové počítačové systémy zítřka, je časová osa od experimentální po plně implementovanou velmi krátká.
Tam, kde žíhání a podobné systémy kvantové optimalizace existují již léta, jsme nyní svědky toho, jak přichází na trh první generace modelů kvantové výhody na bázi hradel.
Možná si vzpomínáte, jak jste před pár lety četli o „kvantové nadřazenosti“. Kvantová výhoda je stejná věc, ale sémanticky řečeno je o něco přesnější. Oba pojmy představují bod, ve kterém může kvantový počítač provést danou funkci v rozumném čase, který by klasickému počítači zabral příliš dlouho.
Důvodem, proč „nadřazenost“ rychle upadla v nemilost, je to, že kvantové počítače se při provádění těchto funkcí spoléhají na klasické počítače, takže je smysluplnější říkat, že poskytují výhodu, když se používají v tandemu. To je samotná definice hybridního kvantového počítání.
Co bude dál? Je nepravděpodobné, že v dohledné době uvidíte přehlídku kvantových počítačů. Nebude tu iPhone kvantových počítačů ani kulturní duch doby kolem uvedení konkrétního procesoru.
Místo toho, stejně jako všechny velké věci ve vědě, budou vědci a inženýři v průběhu příštích pěti, 10, 100 a 1 000 let nadále předávat štafetu z generace na generaci, když budou stát na ramenou obři vidět do budoucnosti.
Díky jejich pokračující práci budeme pravděpodobně za našich životů svědky rozsáhlých vylepšení energetických sítí, řešení hromadných plánovacích konfliktů, dynamických optimalizací přepravy, dokonalých simulací kvantové chemie a dokonce i prvních náznaků daleko- budoucí technologie, jako jsou warp motory.
Tyto technologické pokroky zlepší kvalitu našeho života, prodlouží naše životy a pomohou nám zvrátit lidskou změnu klimatu.
Hybridní kvantové výpočty jsou podle našeho skromného názoru zde na Neuralu jedinou nejdůležitější technologií, jakou se kdy lidstvo snažilo vyvinout. Doufáme, že s námi zůstanete, zatímco budeme pokračovat v šíření stopy pokrytí na hranici této nové a vzrušující oblasti inženýrství.
