Stephen Hawking ehdotti kerran, että Albert Einsteinin väite, jonka mukaan "Jumala ei pelaa noppaa" maailmankaikkeuden kanssa, oli väärä. Hawkingin näkemyksen mukaan mustan aukon fysiikan löytö vahvisti, että Jumala ei vain pelannut noppaa, "vaan että hän joskus hämmentää meitä heittämällä ne sinne, missä niitä ei näy".
Olemmeko täällä sattumalta vai suunnittelusta?
Aihe huomioon ottaen pragmaattisempi lähestymistapa kysymykseen olisi olettaa, että kaikki vastaukset ovat oikeita. Itse asiassa se on kvanttifysiikan perusta.
Tervehdys humanoidit
Tilaa nyt viikoittainen yhteenveto suosikki tekoälytarinoistamme
Tässä on yksinkertaisin selitys sen toimivuudesta, jonka olet koskaan lukenut: kuvittele, että heittäisit kolikon ja kävelet sitten turvallisesti pois tietäen, että se osui päähän tai häntään.
Jos katsomme koko maailmankaikkeutta ja alamme zoomata, kunnes pääset pienimpiin hiukkasiin, näet täsmälleen saman vaikutuksen niiden vuorovaikutuksessa. He joko tekevät jotain tai toista. Ja siihen asti, kunnes havaitset niitä, tämä potentiaali säilyy.
Kaikella universumin potentiaalilla, joka vain odottaa havaitsemista, pystymme rakentamaan kvanttitietokoneita.
Kuitenkin, kuten kaikessa kvantissa, Jumalan noppien valjastamiseen omiin inhimillisiin tarpeisiimme liittyy kaksinaisuus. Tarvitsemme maadoitettua tekniikkaa sen hallitsemiseen jokaista keksimäämme kvanttitekniikan hämmentävää suoritusta varten – odota vain, kunnes luet laserpinseteistä ja aikakiteistä.
Todellisuudessa "puhtaasti kvanttitietokonetta" ei ole olemassa, eikä sitä todennäköisesti tule koskaan olemaan. Ne ovat kaikki tavalla tai toisella hybridi-kvanttiklassisia järjestelmiä.
Kvanttilaskenta
Aloitetaan siitä, miksi tarvitsemme kvanttitietokoneita. Klassiset (tai binaariset, kuten niitä usein kutsutaan) tietokoneet – sellaiset, joilla luet tätä – täyttävät tavoitteet ratkaisemalla tehtäviä.
Ohjelmoimme tietokoneet tekemään mitä haluamme antamalla niille sarjan komentoja. Jos painan näppäimistöni A-näppäintä, tietokone näyttää A-kirjaimen näytölläni.
Jossain koneen sisällä on koodi, joka kertoo, kuinka näppäinpainallusta tulkitaan ja kuinka tulokset näytetään.
Lajillamme kesti noin 200 000 vuotta päästä niin pitkälle.
Noin kuluneella vuosisadalla olemme oppineet ymmärtämään, että newtonilainen fysiikka ei päde hyvin pienikokoisiin asioihin, kuten hiukkasiin, tai erityisen massiivisiin esineisiin, kuten mustiin aukkoihin.
Hyödyllisin opetus, jonka olemme oppineet suhteellisen hiljattain suorittamassamme kvanttifysiikan tutkimuksessamme, on se, että hiukkaset voivat sotkeutua.
Kvanttitietokoneiden avulla voimme hyödyntää sotkeutumisen voimaa. Sen sijaan, että odottaisivat yhden komennon suorittamista, kuten binääritietokoneet tekevät, kvanttitietokoneet voivat tehdä kaikki johtopäätöksensä kerralla. Pohjimmiltaan he pystyvät keksimään (melkein) kaikki mahdolliset vastaukset samanaikaisesti.
Tämän suurin hyöty on aika. Simulaatio- tai optimointitehtävä, jonka käsittely saattaa kestää supertietokoneelta kuukauden, voitaisiin suorittaa kvanttitietokoneella muutamassa sekunnissa.
Useimmin mainittu esimerkki tästä on huumeiden löytäminen. Uusien lääkkeiden luomiseksi tutkijoiden on tutkittava niiden kemiallisia vuorovaikutuksia. Se on kuin neulan etsimistä loputtomasta heinäsuovasta.
Maailmankaikkeudessa on lähes ääretön määrä mahdollisia kemiallisia yhdistelmiä, joiden yksittäisten yhdistettyjen kemiallisten reaktioiden selvittäminen on tehtävä, jota mikään supertietokone ei voi tehdä hyödyllisessä ajassa.
Kvanttilaskenta lupaa nopeuttaa tämäntyyppisiä tehtäviä ja tehdä aiemmin mahdottomista laskennoista yleisiä.
Mutta näiden erittäin nopeiden tulosteiden tuottamiseen tarvitaan muutakin kuin vain kallista, huippuluokan laitteistoa.
Hybridikvanttilaskenta on tullut keskusteluun
Hybridikvanttilaskentajärjestelmät yhdistävät klassiset laskenta-alustat ja ohjelmistot kvanttialgoritmeilla ja simulaatioilla.
Ja koska ne ovat naurettavan kalliita ja enimmäkseen kokeellisia, niitä voidaan käyttää lähes yksinomaan pilviyhteyden kautta.
Itse asiassa hybridikvanttitietokoneita lukuun ottamatta on olemassa koko joukko kvanttitekniikoita, vaikka ne ovatkin tekniikka, joka saa eniten huomiota.
Äskettäisessä Neuralin haastattelussa SandboxAQ:n (Googlen Alphabet-sateenvarjossa toimivan sisarusyrityksen) toimitusjohtaja Jack Hidary valitti:
Joskin syystä valtamedia näyttää keskittyvän vain kvanttilaskentaan.
On myös olemassa kvanttianturia, kvanttiviestintää, kvanttikuvausta ja kvanttisimulaatioita – vaikka jotkut niistä ovat päällekkäisiä myös kvanttihybridilaskennan kanssa.
Kyse on, kuten Hidary myös Neuralille sanoi, "olemme käännepisteessä". Kvanttitekniikka ei ole enää kaukaisen tulevaisuuden tekniikka. Se on täällä nykyään monessa muodossa.
Mutta tämän artikkelin soveltamisala rajoittuu hybridikvanttilaskentateknologioihin. Ja siksi keskitymme kahteen asiaan:
Onko tämä tässä vai nyt?
Kvanttilaskennan maailmassa on kahdenlaisia ongelmia: optimointiongelmia ja… sellaisia, jotka eivät ole optimointiongelmia.
Edellinen tarvitset kvanttihehkutusjärjestelmän. Ja kaikkeen muuhun tarvitset porttipohjaisen kvanttitietokoneen… luultavasti. Ne ovat vielä hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa.
Mutta D-Waven kaltaiset yritykset ovat rakentaneet kvanttihehkutusjärjestelmiä vuosikymmeniä.
Näin D-Wave kuvaa hehkutusprosessia:
Järjestelmät alkavat joukolla kubitteja, joista kukin on superpositiotilassa 0 ja 1. Niitä ei ole vielä kytketty. Kun ne käyvät läpi kvanttihehkutuksen, kytkimet ja esijännitykset otetaan käyttöön ja kubitit sotkeutuvat. Tässä vaiheessa järjestelmä on monien mahdollisten vastausten sotkeutumassa. Hehkutuksen loppuun mennessä jokainen kubitti on klassisessa tilassa, joka edustaa ongelman minimienergiatilaa tai hyvin lähellä sitä.
Näin kuvailemme sitä täällä Neuralissa: oletko koskaan nähnyt jotain noista kolmiulotteisista nastataideveistoksista?
Se on pitkälti hehkutusprosessi. Pin art veistos asia on tietokone ja kätesi on hehkutusprosessi. Jäljelle jää "ongelman vähimmäisenergiatila".
Porttipohjaiset kvanttitietokoneet sen sijaan toimivat täysin eri tavalla. Ne ovat uskomattoman monimutkaisia ja niitä voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla, mutta pohjimmiltaan ne suorittavat algoritmeja.
Näihin kuuluvat Microsoftin uusi huippuluokan kokeellinen järjestelmä, joka on äskettäin julkaistun blogikirjoituksen mukaan melkein valmis parhaaseen katseluun:
Microsoftin lähestymistapa on ollut pyrkiä topologiseen kubittiin, jossa on sisäänrakennettu suojaus ympäristömelua vastaan, mikä tarkoittaa, että hyödyllisen laskennan suorittamiseen ja virheiden korjaamiseen pitäisi kulua paljon vähemmän kubitteja. Topologisten kubittien pitäisi myös pystyä käsittelemään tietoa nopeasti, ja luottokortin turvasirua pienemmälle kiekolle mahtuu yli miljoona.
Ja arkipäiväisimmätkin tieteen lukijat ovat luultavasti kuulleet Googlen hämmästyttävästä aikakristallien läpimurrosta.
Viime vuonna täällä Neuralissa kirjoitin:
Googlen "aikakiteet" voivat olla elämämme suurin tieteellinen saavutus.
Aikakide on aineen uusi vaihe, joka yksinkertaistettuna olisi kuin lumihiutale, joka pyöräilee jatkuvasti edestakaisin kahden eri kokoonpanon välillä. Se on yhden hetken seitsemänkärkinen hila ja seuraavana kymmenenkärkinen hila, tai mitä tahansa.
Aikakiteissä on hämmästyttävää, että kun ne pyörivät edestakaisin kahden eri kokoonpanon välillä, ne eivät menetä tai käytä energiaa.
Hitsi, jopa D-Wave, yritys, joka laittoi kvanttihehkutuksen kartalle, aikoo tuoda monialustaisen hybridi-kvanttilaskennan massat käyttöön tulevalla omalla porttipohjaisella mallillaan.
Mitä kvanttilaskenta-alalle tapahtuu seuraavaksi
Kvanttilaskentateollisuus kukoistaa jo. Mitä tulee Neuraliin, valtavirta on vasta nyt alkamassa saada tuulahdus siitä, mitä 2030-luvulla tulevat näyttämään.
Kuten Bob Wisnieff, IBM Quantumin teknologiajohtaja, kertoi Neuralille vuonna 2019, kun IBM paljasti ensimmäisen kaupallisen kvanttijärjestelmänsä:
Saamme olla oikeassa paikassa oikeaan aikaan kvanttilaskentaa varten, tämä on iloprojekti… Tämä muotoilu edustaa tekniikan keskeistä hetkeä.
Wisnieffin ja muiden huomisen hybridikvanttitietokonejärjestelmiä rakentavien mukaan aikajana kokeellisesta täysin toteutettuun on hyvin lyhyt.
Jos hehkutus ja vastaavat kvanttioptimointijärjestelmät ovat olleet olemassa jo vuosia, näemme nyt ensimmäisen sukupolven kvanttietujen porttipohjaisten mallien tulevan markkinoille.
Muistat ehkä lukeneeni "kvanttiylivallasta" muutama vuosi sitten. Kvanttietu on sama asia, mutta semanttisesti se on hieman tarkempi. Molemmat termit edustavat pistettä, jossa kvanttitietokone voi suorittaa tietyn toiminnon kohtuullisessa ajassa, jonka suorittaminen klassiselta tietokoneelta kestäisi liian kauan.
Syy, miksi "ylivalta" meni nopeasti pois suosiosta, johtuu siitä, että kvanttitietokoneet luottavat klassisiin tietokoneisiin näiden toimintojen suorittamisessa, joten on järkevämpää sanoa, että ne antavat etua, kun niitä käytetään yhdessä. Se on hybridi-kvanttilaskennan määritelmä.
Mitä seuraavaksi? On epätodennäköistä, että näet pian kvanttilaskennan paraatin. Ei ole olemassa kvanttitietokoneiden iPhonea tai tietyn prosessorin käynnistämistä koskevaa kulttuurista ajankohtaa.
Sen sijaan, kuten kaikki suuret asiat tieteen alalla, seuraavien viiden, 10, 100 ja 1 000 vuoden aikana tiedemiehet ja insinöörit jatkavat viestikapulaa sukupolvelta toiselle seisoessaan jättiläisiä katsomaan tulevaisuuteen.
Heidän jatkuvan työnsä ansiosta tulemme näkemään elinaikanamme valtavia parannuksia sähköverkkoihin, ratkaisuun massaaikataulukonflikteihin, dynaamisiin toimituksen optimointiin, täydellisiä kvanttikemian simulaatioita ja jopa ensimmäisiä havaintoja kauko- tulevaisuuden tekniikka, kuten loimimoottorit.
Nämä tekniset edistysaskeleet parantavat elämänlaatuamme, pidentävät elinikäämme ja auttavat meitä kääntämään ihmisen aiheuttaman ilmastonmuutoksen.
Hybridikvanttilaskenta on meidän vaatimattoman mielipiteemme mukaan tärkein yksittäinen teknologia, jota ihmiskunta on koskaan pyrkinyt kehittämään. Toivomme, että pysyt kanssamme, kun jatkamme kattavuuden jäljittämistä tämän uuden ja jännittävän suunnittelun rajalla.
