Kvanttilaskennan nykytilanne

Kvanttilaskenta on erilaista

Quantum computing is the idea of using quantum physics to perform calculations, which differs from normal semiconductor-based computing methods. Instead of generating 0 and 1 (no current or current), it uses “quantum bits,” called qubits, where particle data is either 0 AND 1 at once, or 1, or 0.

Laskennan perusluonteen merkittävän eron vuoksi kvanttilaskenta ei ole niin paljon vaihtoehto “normaalille” laskennalle, vaan pikemminkin täydentävä tekijä.

Tavallinen laskenta toimii lineaarisesti ja kamppailee erittäin monimutkaisten laskelmien kanssa, kuten ilmastomallinnuksen, kryptografian tai monimutkaisten molekyylien, kuten proteiinien, 3D-rakenteen kanssa. Juuri tällaiset laskelmat ovat ne, joissa kvanttilaskennan odotetaan loistavan.

Joten vaikka kannettavat tietokoneemme ja älypuhelimemme eivät todennäköisesti koskaan ole kvanttitietokoneita, ne voivat mullistaa tieteellisen tutkimuksen.

Kvanttilaskenta on vaikeaa

Joten, kun lupauksena on, että kvanttisupertietokoneet suorittavat tehtäviä tuhat kertaa paremmin kuin nykyiset, ei ole yllättävää, että paljon tutkimusta on tehty niiden toteuttamiseksi.

Mutta ongelmana on, että jopa yhden kubitin luominen on teknisesti erittäin vaikeaa. Ensimmäinen haaste on, että kvanttilaskenta toimii vain erittäin matalissa lämpötiloissa, noin sadan asteen yli absoluuttisen nollapisteen. Vain näissä olosuhteissa jotkut ainutlaatuiset materiaalit muuttuvat suprajohtaviksi (materiaaleiksi, joilla ei ole sähkövastusta). Tämä kuluttaa energiaa, on kallista ja vaikea saavuttaa.

Sen jälkeen kubitin tietojen hallinta, manipulointi ja “lukeminen” on myös monimutkaista, yleensä vaatii erittäin tarkkoja laserita, atomimikroskooppeja ja antureita. Lopuksi, mikä tahansa häiriö tekee kubitista käyttökelvottoman, joten myös täydellinen tyhjiö on saavutettava.

Kun puolijohdepiirit manipuloivat materiaalia mittakaavassa, jossa on vain muutama atomi, kvanttilaskenta pyrkii käsittelemään materiaalia hiukkasasteella. Merkittävää on, että käytännöllinen kvanttitietokone vaatii tuhansia kubitteja pysyäkseen vakaana ja ollakseen vuorovaikutuksessa keskenään.

Kvanttilaskenta kehittyy

Yli 1 000 kubitin rajan ylittäminen

Professori Gerhard Birklin johtama tiimi “Atoms – Photons – Quanta” -tutkimusryhmästä fysiikan laitoksessa TU Darmstadt in Germany on juuri luonut tähän mennessä suurimman kvanttitietokoneen.

He ovat luoneet kvanttitietokoneen, jossa on 1 000 yksittäin hallittavaa atomikubittia, voittaen kilpailun alalla moniin muihin tieteellisiin tiimeihin nähden.

Lähde: Optica

1 000:n raja on osittain symbolinen, mutta myös lähellä sitä lukumäärää, jonka odotetaan olevan tarpeen merkittävien kvanttitietokoneiden sovelluksille. Vähemmän kuin tämä, ne ovat enimmäkseen tieteellinen uteliaisuus ja lupaava idea, muttei paljon muuta.

Tekniikka käyttää “optisia pihtejä”, jotka ovat erityisiä laserita, joilla voidaan manipuloida atomeja yksittäin. Mikro-optiikan edistymisen ansiosta tämä on lupaavin tekniikka kvanttilaskennassa skaalautuvan menetelmän rakentamiseksi paljon suurempia järjestelmiä.

Lähde: Optica

“Koska linssien määrä neliöcenttimetriä kohti saavuttaa helposti 100 000 ja useita satoja neliöcenttimetriä kattavia MLA-levyjä voidaan tuottaa, niillä on valtava skaalautuvuuspotentiaali, jota rajoittaa vain käytettävissä oleva laseriteho”

Tarkentamalla tällaisten optisten pihteiden käyttöä, professori Birkl on osoittanut, että suuria kvanttitietokoneita, joissa on tuhansia kubitteja, voidaan suunnitella. Tämä puolestaan tarjoaa olennaisen työkalun, jonka muut tutkijat tarvitsevat kvanttialgoritmien suorittamiseen.

Kvanttisimulaattorit fysiikan ratkaisemiseksi

Monet ongelmat, joihin fyysikot kamppailevat tänään, liittyvät hiukkasten käyttäytymiseen kvanttiasteikolla, tai ainakin kun simuloidaan yli 30 hiukkasta. Tämä on ongelma, koska tavalliset laskentajärjestelmät kamppailevat todennäköisyyspohjaisen käyttäytymisen kanssa.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi ihanteellinen tilanne olisi kehittää “kvanttisimulaattori“, jossa kubitit voivat simuloida kvanttihiukkasten käyttäytymistä. Tämä johtuu siitä, että kubitit hyödyntävät itse kvanttien ominaisuuksia, kuten lomittuminen ja superpositio, jotka ovat ne osat, joita on niin vaikea simuloida tavallisessa tietokoneessa.

Vaikka kvanttisimulaattorit ovat periaatteessa erityinen kvanttitietokoneen tyyppi, tähän mennessä haasteena on ollut saada ne simuloimaan monia eri hiukkasia sen sijaan, että jokaiselle tietylle fyysiselle kysymykselle pitäisi suunnitella räätälöity kvanttisimulaattori.

Natalia Chepiga ja hänen tutkimusryhmänsä, apulaisprofessori Delftin teknillisessä yliopistossa Alankomaissa, saattaa olla löytänyt ratkaisun.

Hän ehdottaa protokollaa, joka luo täysin hallittavan kvanttisimulaattorin tieteellisessä Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa artikkelissa. Tämä toimii käyttämällä kahta eri taajuista tai väriä omaavaa laseria, lisäten ylimääräisen ulottuvuuden laskentaan. Teoreettisesti tätä menetelmää voitaisiin laajentaa lisäämään yli 2 ulottuvuutta kvanttisimulaattorin laskentaan.

Lähde: TU Delft

Tämän tyyppinen kvanttisimulaattori voisi olla merkittävä vauhdittaja monissa tutkimusponnisteluissa, jotka ovat nykyisen tietämyksemme äärirajoilla, mukaan lukien ultra-kylmäfysiikka (myös suprajohtimet), puolijohteet, materiaalitiede, telekommunikaatio ja energiateknologiat (erityisesti akut).

QuDitit kubittien sijaan

Useimmat kvanttilaskennan suunnitelmat keskittyvät kubitteihin ja niiden helpottamiseen manipuloida/ohjelmoida sekä niiden määrän lisäämiseen. Vaihtoehto on käyttää kvanttinumeroita, eli “quditteja”.

“Kvanttitietokone, jossa on x kubittia, voi suorittaa 2^x laskentaa. Kuitenkin kone, jossa on x quditia, ja D edustaa quditin tilojen määrää, voi suorittaa D^x laskentaa.

Tämä tarkoittaa, että voit koodata saman tiedon vähemmällä määrällä kvanttihiukkasia käyttäessäsi quditteja,

Martin Ringbauer, kvanttifysiikan tutkija Innsbruckin yliopistossa Itävalta IEEE Spectrum

Yksinkertaisemmin sanottuna, mitä enemmän D-ulottuvuuksia kvanttilaskentajärjestelmässä on, sitä eksponentiaalisesti voimakkaammaksi se tulee. Lisäksi tehokkaampi laskenta qudittejä käyttäen kubittien sijaan tekee niistä odotettavasti luotettavampia ja vähemmän alttiita laskentavirheille kuin kubitit.

Joten on suuri uutinen, että Andrea Morellon johtama tutkimusryhmä USNW:ssä Australiassa on luonut 16-ulotteisen, erittäin hallittavan qudit-laskentajärjestelmän. Kun D=16, minkä tahansa määrän quditteja lisättynä järjestelmään kasvattaa laskentakapasiteettia 16‑potenssiin.

Tämän saavuttamiseksi he käyttivät 123Sb (antimoni) lahjoittajaatomia, joka ionipistettiin piininanoelektroniikkalaitteeseen.

“Kombinoitu atomin Hilbert-tila kattaa 16 ulottuvuutta, ja siihen voidaan päästä sekä sähkö- että magneettikenttien avulla. Andrea Morello”

Tämä järjestelmä saavutti merkittäviä tuloksia; erityisesti, “ydinspinni osoittaa jo porttifideliittejä, jotka ylittävät 99 % riippumatta ohjausmekanismista”. Antimoniatomi on myös parannus aiemmin käytettyyn 31P (fosfori) -atomiin verrattuna, koska antimoni on raskaampi atomi ja sitä on helpompi manipuloida.

Tämä tekninen ja tieteellinen saavutus kehittyy edelleen, erityisesti käyttämällä isotooppisesti puhdistettua 28Si (piiä), poistamalla jäljelle jäävä 29Si-pitoisuus ja parantamalla järjestelmän luotettavuutta (koherenssiaika ja porttifideliittejä).

Kvanttilaskennan kehityksen tila

Alue on edelleen hyvin varhaisessa vaiheessa, ja uusia käsitteitä, kuten käyttökelpoisia quditteja tai ohjelmoitavia kvanttisimulaattoreita, syntyy jatkuvasti.

Yhdistettynä edistysaskeliin 1 000+ kubittijärjestelmien luomisessa, tämä osoittaa, että kvanttilaskenta tulee todennäköisesti olemaan erittäin tärkeä tieteellinen ala tulevina vuosikymmeninä, jolla on valtava hyödyntämätön potentiaali.

Tällä hetkellä materiaalitieteen tai biokemian tutkimusta tehostaa tekoäly, mistä keskustelimme artikkelissamme “Disruptive Industries Coalescing Around a Core Technology – Artificial Intelligence (AI)“.

Mutta pian, seuraavien 5–10 vuoden aikana, saatamme alkaa nähdä käytännön tuloksia kvanttilaskennan laskelmista. Laitteisto siirtyy nyt ajatuskokeista ja laboratoriodemostraattoreista kaupallisten tutkimustietokoneiden prototyyppeihin.

Seuraava askel on kehittää ohjelmistoja, jotka voivat maksimoida kvanttilaskennan potentiaalin—ja aloittaa mittakaavassa tapahtuvan kvanttitietokoneiden tuotannon kustannusten alentamiseksi ja jonkin standardoinnin tarjoamiseksi.

Joten monin tavoin kvanttilaskenta on vaiheessa, jossa ensimmäiset kaupalliset tietokonepäätejärjestelmät tulivat markkinoille 1950- ja 1960-luvuilla, ennen kuin ne tulivat yleiseksi liiketoiminnan ja tutkimuksen työkaluksi seuraavina vuosikymmeninä.

Kvanttilaskennan sovellukset

Vaikka on vaikea ennustaa tarkasti, tiedämme jo muutaman segmentin, jotka hyötyvät merkittävästi kvanttilaskennan laajemmasta saatavuudesta:

• Biokemiallinen mallinnus: proteiinin 3D-muodon määrittämisestä geeniekspressioon, monimutkaisten biologisten molekyylien laskemiseen atomitasolla, voi mullistaa bioteknologian tutkimuksen.
• Ilmastomallinnus: Ilmastomallit ovat poikkeuksellisen monimutkaisia ja venyttävät nykyisten supertietokoneiden kykyjä. Parempi ilmaston ymmärtäminen tarkemmalla laskentatasolla sekä maantieteellisesti että ajallisesti voisi auttaa ilmastonmuutoksen riskien ymmärtämisessä.
• Puolijohteet: Kvanttitietokoneita voitaisiin käyttää tekemään tavallisista tietokonepiireistä paljon tehokkaampia. Kun “normaalit” piirit saavuttavat nyt nanometrin mittakaavan, kvanttifysiikka tulee yhä ongelmallisemmaksi, ja kvanttitietokoneita saatetaan tarvita niiden ratkaisemiseen.
• Materiaalitiede: Kvanttifysiikan paremman ymmärtämisen ja materiaalien reaktioiden atomitasolla tutkiminen voi avata uusia suunnitelmia materiaaleille, joita käytetään ilmailussa, akuissa, 3D-tulostuksessa, valmistuksessa jne.
• Kryptografia: Kvanttitietokoneet voisivat mahdollisesti tehdä kaikki nykyiset kryptografiamenetelmät vanhentuneiksi. Tämä on vakava huolenaihe sotilas-, rahoitus- ja IT-järjestelmille. Mutta samalla se voisi tehdä kryptografiasta entistä turvallisempaa.

Kvanttilaskennan osakkeet

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) oli johtava voima ensimmäisen pääjärjestelmätietokoneen kaupallistamisessa. Kuitenkin se on jäänyt jälkeen muista teknologiavalmistajista, kuten Apple, TSMC ja NVIDIA.

Se on kuitenkin kvanttitietokoneiden kehityksen eturintamassa. Esimerkiksi se kehitti 127-kubittisen “Eagle”-kvanttitietokoneen, jota seurasi 433-kubittinen järjestelmä nimeltä “Osprey”.

Ja tämä on nyt seurattavana “Condor”, 1 121 suprajohtavan kubitin kvanttiprosessori perustuen cross-resonance -porttiteknologiaan, yhdessä “Heron”-kvanttiprosessorin kanssa, joka on alan aivan kärjessä.

Lopuksi IBM julkaisi Qiskit 1.0:n helmikuussa 2024, suosituimman kvanttilaskennan SDK:n, jossa on parannuksia piirikokoonpanoon, käännösaikoihin ja muistin kulutukseen verrattuna aikaisempiin versioihin.

Tulevaisuutta ajatellen IBM on jo ilmoittanut seuraavasta merkittävästä tavoitteestaan, joka ennakoi nykyisten kvanttipiirien “ylittymistä” nykyiseen infrastruktuuriin. Tämä tavoite tunnetaan nimellä “IBM Quantum System Two”; modulaarinen järjestelmä, jolla on potentiaali tukea jopa 16 632 kubittia.

IBM:n vahvuus on aina ollut sen perustamisesta lähtien erittäin voimakkaiden supertietokoneiden kehittämisessä, markkinasegmentti, jonka on varjostanut kuluttajaelektroniikan ja standardoitujen piirien nousu. Kvanttilaskennan nousu on tilaisuus IBM:lle loistaa jälleen ja tulla johtajaksi tässä tulevassa tärkeässä tieteenalassa, joka palvelee tieteellistä tutkimusta ja suurten yritysten laskentatarpeita.

2. Microsoft Corporation

Jo olemassa oleva johtaja “normaaleissa” pilvipalveluissa, Microsoft on edelläkävijä tarjoten kvanttilaskennan pilvipalveluita  Azure Quantum-palvelun kautta. On täysin mahdollista, että suurin osa tulevaisuuden kvanttilaskennasta tehdään tutkijoiden toimesta “etänä”, luottaen Microsoftin kaltaisiin pilvipalveluihin sen sijaan, että heillä olisi suora pääsy omaan kvanttitietokoneeseensa.

Tämä on erityisen todennäköistä, koska lopulta suurin osa kvanttilaskennan sovelluksista tutkitaan biokemistien, materiaalitieteen asiantuntijoiden, ilmastotieteilijöiden ja muiden erikoistuneiden, joilla ei ole erityistä taustaa kvanttilaskennassa. Siksi omistautuneiden ammattilaisten käyttäminen yrityksissä kuten IBM, Microsoft tai Google hoitamaan laskentaprosessin on järkevämpää kuin palkata tai kouluttaa alaan vieraantuneita henkilöitä.

Palvelu voi myös tarjota “hybridilaskentaa”, jossa yhdistetään kvanttilaskenta perinteiseen pilvipohjaiseen supertietokonepalveluun.

Lähde: Microsoft

Sen sijaan, että Microsoft toteuttaisi pystysuuntaista integraatiota, sen lähestymistapa kvanttilaskentaan on ollut solmia kumppanuuksia alan johtajien kanssa, jotka kattavat käytännössä kaikki mahdolliset teknologiat kvanttilaskennan saavuttamiseksi, kuten IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT) ja Rigetti (RGTI).

Lähde: Microsoft

Kvanttilaskenta ei ole Microsoftin liiketoiminnan ydin, ainakaan toistaiseksi. Se on kuitenkin alan keskeinen toimija ja saattaa olla “turvallisempi” osakevalinta verrattuna suoraan sen kvanttilaskentakumppaneiden, kuten QCI:n tai Rigettin, osakkeiden ostamiseen.

3. Alphabet Inc.

Google on erittäin aktiivinen kvanttilaskennassa, enimmäkseen Google Quantum AI -laboratorionsa ja Quantum AI -keskuksensa kautta Santa Barbarassa.

Googlen kvanttitietokone teki historiaa vuonna 2019, kun Google väitti saavuttaneensa “kvanttiylivallan” Sycamore-koneellaan, suorittaen laskelman 200 sekunnissa, mikä olisi vakiintuneen supertietokoneen ottanut 10 000 vuotta.

Mutta ehkä Googlen suurin panos on ohjelmistossa, jossa sillä on paljon parempi kokemus kuin laitteistossa (haku, G Suite, Android jne.). Jo Googlen Quantum AI tarjoaa ohjelmistokokonaisuuden, joka on suunniteltu auttamaan tutkijoita kvanttialgoritmien kehittämisessä.

Google saattaa todennäköisesti olla yksi yrityksistä, jotka asettavat kvanttilaskennan ohjelmiston ja ohjelmoinnin standardit, antaen etuoikeutetun aseman ohjata, mihin ala kehittyy tulevaisuudessa.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum on Honeywell Quantum Solutionsin ja Cambridge Quantumin fuusion tulos (ja, kuten mainittiin, Microsoftin kvanttipilvipalvelun kumppani).

Quantinuum näyttää toistaiseksi keskittyvän segmentteihin, joita muut kvanttilaskentajärjestelmät ovat vähemmän tutkineet, erityisesti rahoitus- ja toimitusketjuun liittyviin analyyseihin, Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) -moottorinsa kautta, joka lanseerattiin syyskuussa 2023.

QMCI soveltuu ongelmiin, joilla ei ole analyyttistä ratkaisua, kuten rahoitusderivaattien hinnoitteluun tai korkeaenergiaisten hiukkasfysiikan kokeiden tulosten simulointiin, ja lupaa laskennallisia edistysaskeleita liiketoiminnassa, energiassa, toimitusketjun logistiikassa ja muilla sektoreilla.

Kuten Microsoftin kohdalla, kvanttilaskenta ei ole Honeywellin liiketoiminnan keskeinen osa, vaan se keskittyy enemmän ilmailun, automaation sekä erikoiskemikaalien ja -materiaalien tuotteisiin.

Kuitenkin, kun otetaan huomioon, että jokainen näistä liiketoimintasegmenteistä voisi hyötyä kvanttilaskennasta, on helppo nähdä liiketoimintamalli, jonka vuoksi Honeywellin kannattaa osallistua.

Joten tämä tekee Honeywellista sekä kvanttilaskentapalvelujen tarjoajan että yhden yrityksistä, jotka voisivat hyötyä kvanttitietokoneiden soveltamisesta todellisiin liiketoimintatapauksiin, mikä on jotain, jonka Quantinuumin integrointi ryhmään pitäisi auttaa edistämään nopeammin kuin sen teolliset kilpailijat.

5. Intel

Intel on merkittävä piiriksen valmistaja ja näyttää pyrkivän hyödyntämään tätä vahvuutta kvanttilaskennan alalla.

Se julkaisi äskettäin “Tunnel Falls”, “edistyksellisin piinispuinikubit-piiri”. Merkittävää on, että se ei ole prototyyppi, vaan mittakaavassa rakennettu piiri, jossa on 95 % tuotantoyieldi koko waferilla ja jännitteen yhtenäisyys. Tämä avaa tien kvanttipiirien massatuotannolle, mikä on toistaiseksi vaikeaa alalla, joka on nuori ja nopeasti muuttuva.

Lähde: Intel

Pysyvästi juurissaan Intel kehittää myös ohjelmistoja piiriensä hyödyntämiseksi, julkaisten Intel Quantum SDK. Tämä tarjoaa ohjeistuksen ohjelmoijille kvanttilaskennan ohjelmiston kehittämiseen, joka on yhteensopiva Intelin kvanttipiirisuunnittelun kanssa, mikä on historiallisesti ollut erittäin vahva ja kannattava liiketoimintamarginaali Intelin perinteiselle piirialalle.

Lähde: Intel

Skaalautuvan kvanttipiirituotannon saapuminen voisi olla yhtä mullistavaa teollisuudelle kuin mikä tahansa muu tekninen tieteellinen läpimurto, alentamalla kustannuksia ja asettamalla yhteisiä ohjelmointistandardeja ja piirirakenteita.

Intel on yritys, joka tietää kokemuksesta, kuinka vahva voima tämä voi olla laskentateollisuudessa, edelleen hyödyntäen innovaatioiden ja niihin liittyvien patenttien perintöä 1960-luvulta lähtien.

6. Defiance Quantum ETF

Kvanttilaskennan sektori on edelleen hyvin nuori. Se on tähän mennessä enimmäkseen hallinnut suurten teknologiayritysten syvät taskut, jotka pystyvät rahoittamaan miljardeja dollareita tällaiseen perustutkimukseen.

Kuitenkin monet muut pienemmät yritykset ovat myös aktiivisia alalla, jotkut solmivat kumppanuuksia mainittujen jättiläisten kanssa teknologiansa käyttöönotossa.

Ei-asiantuntijoiden sijoittajille voi olla melko vaikeaa ymmärtää eri kvanttilaskentateknologioiden monimutkaisuutta, ja vielä vaikeampaa arvata, mikä niistä menestyy kaupallisesti.

Joten, vaikka suora sijoitus pieniin kvanttilaskentayrityksiin on vaihtoehto, toinen vaihtoehto on turvautua ETF:ään saadakseen altistuksen sektorille samalla hajauttaen alhaisemmilla kustannuksilla.

Defiance Quantum ETF sisältää 69 eri osaketta, jotka liittyvät kvanttilaskentaan sen salkussa, mukaan lukien kvanttitietokone- ja piirikehittäjät sekä jäähdytysjärjestelmien, laserien, ohjelmistojen ja muun kvanttitietokoneissa tai kvanttipiirituotannossa käytetyn teknologian toimittajat.

Lähde: Defiance ETF

Tässä nopeasti kehittyvässä kentässä useimmat sijoittajat, jopa ne, jotka tuntevat puolijohdeteollisuuden, hyötyvät todennäköisesti jostain hajautuksesta. Tämä voidaan saavuttaa joko panostamalla yksittäisiin teknologiayrityksiin, jotka tekevät oikeita kumppanuusvalintoja, tai laajaan osakevalikoimaan, mikä on usein tehokkaammin toteutettavissa omistautuneen ETF:n kautta.