Obecny stan obliczeń kwantowych

Obliczenia kwantowe są inne

Obliczenia kwantowe to koncepcja wykorzystania fizyki kwantowej do wykonywania obliczeń, która różni się od normalnych metod obliczeniowych opartych na półprzewodnikach. Zamiast generować wartości 0 i 1 (brak prądu lub prądu), wykorzystuje „bity kwantowe”, zwane kubitami, gdzie dane cząstek wynoszą albo 0 ORAZ 1 na raz, albo 1, albo 0.

Ze względu na zasadniczą różnicę w sposobie wykonywania obliczeń, obliczenia kwantowe są nie tyle alternatywą dla „normalnych” obliczeń, ile raczej ich uzupełnieniem.

Obliczenia standardowe działają w sposób liniowy i wymagają bardzo skomplikowanych obliczeń, takich jak modelowanie klimatu, kryptografia lub konfiguracja 3D złożonych cząsteczek, takich jak białka. I właśnie w tym rodzaju obliczeń oczekuje się, że będzie się wyróżniać komputer kwantowy.

Tak więc, chociaż nasze laptopy i smartfony prawdopodobnie nigdy nie będą komputerami kwantowymi, mogą zrewolucjonizować badania naukowe.

Obliczenia kwantowe są trudne

Zatem w obliczu obietnicy, że superkomputery kwantowe będą działać tysiąc razy lepiej niż istniejące, nie jest zaskoczeniem, że przeprowadzono wiele badań, aby je urzeczywistnić.

Problem polega jednak na tym, że utworzenie choćby jednego kubitu jest technicznie bardzo trudne. Pierwsza trudność polega na tym, że obliczenia kwantowe działają tylko w bardzo niskich temperaturach, około stu stopni powyżej zera absolutnego. Tylko w takich warunkach niektóre unikalne materiały zamieniają się w nadprzewodniki (materiały nie posiadające oporu elektrycznego). Jest to energochłonne, kosztowne i trudne do osiągnięcia.

A następnie kontrolowanie, manipulowanie i „odczytywanie” danych w kubicie jest również złożone i zwykle wymaga użycia ultraprecyzyjnych laserów, mikroskopów atomowych i czujników. Wreszcie wszelkie zakłócenia sprawią, że kubit stanie się bezużyteczny, dlatego należy również osiągnąć idealną próżnię.

Podczas gdy układy scalone manipulują materią w skali zaledwie kilku atomów, komputery kwantowe starają się obsługiwać materię w skali cząsteczkowej. Co istotne, praktyczny komputer kwantowy będzie wymagał tysięcy kubitów, aby zachować stabilność i oddziaływać ze sobą.

Postęp obliczeń kwantowych

Przekroczenie progu 1,000 kubitów

Zespół kierowany przez profesora Gerharda Birkla z „Atomy – Fotony – Kwanty” grupa badawcza na Wydziale Fizyki przy ul TU Darmstadt in Germany właśnie stworzył największy jak dotąd komputer kwantowy.

Stworzyli komputer kwantowy składający się z 1,000 indywidualnie sterowanych kubitów atomowych, wygrywając wyścig w terenie z wieloma innymi zespołami naukowymi.

Źródło: optyka

Liczba 1,000 jest częściowo symboliczna, ale jest także zbliżona do liczby, która będzie wymagana do znaczącego zastosowania komputerów kwantowych. Mniej więcej, są to głównie ciekawostki naukowe i obiecujący pomysł, ale niewiele więcej.

W tej technice wykorzystuje się „pęsety optyczne”, czyli specjalne lasery zdolne do manipulowania atomami indywidualnie. Dzięki postępowi w mikrooptyce jest to najbardziej obiecująca technika obliczeń kwantowych, będąca skalowalną metodą budowy znacznie większych systemów.

Źródło: optyka

„Ponieważ liczba soczewek na centymetr kwadratowy z łatwością sięga 100,000 100 i można wytwarzać płytki MLA o powierzchni kilku XNUMX centymetrów kwadratowych, mają one ogromny potencjał pod względem skalowalności, ograniczony jedynie dostępną mocą lasera”

Źródło: optyka

Udoskonalając użycie takich pęset optycznych, profesor Birkl wykazał, że można skonstruować duże komputery kwantowe zawierające tysiące kubitów. To z kolei zapewni niezbędne narzędzie potrzebne innym badaczom do wykonywania obliczeń kwantowych.

Symulatory kwantowe do rozwiązywania fizyki

Wiele problemów, z którymi borykają się dziś fizycy, wiąże się z zachowaniem cząstek w skali kwantowej lub przynajmniej w momencie, gdy symulowanych jest ponad 30 cząstek. Stanowi to problem, ponieważ zwykłe systemy komputerowe zmagają się z probabilistycznym zachowaniem cząstek i ogólnie z fizyką kwantową.

Aby rozwiązać ten problem, idealną sytuacją byłoby opracowanie „symulator kwantowy”, gdzie kubity mogą symulować zachowanie cząstek kwantowych. Dzieje się tak, ponieważ kubity same wykorzystują właściwości kwantowe uwikłanie oraz nałożenie, czyli części, które tak trudno symulować na normalnym komputerze.

Chociaż symulatory kwantowe są zasadniczo specjalnym rodzajem komputerów kwantowych, dotychczasowym problemem było umożliwienie im symulowania wielu różnych cząstek zamiast konieczności projektowania symulatora kwantowego na zamówienie dla każdego konkretnego problemu fizycznego.

Natalia Chepiga i jej grupa badawcza, adiunkt at Delft University of Technology w Holandii, być może znalazł rozwiązanie.

Proponuje protokół, który tworzy w pełni sterowalny symulator kwantowy o charakterze naukowym artykuł opublikowany w Physical Review Letters. Działa to poprzez użycie dwóch laserów o różnych częstotliwościach i kolorach, co dodaje dodatkowy wymiar obliczeniom. Teoretycznie metodę tę można rozszerzyć, aby dodać więcej niż 2 wymiary do rachunku symulatora kwantowego.

Źródło: Wy

Tego typu symulatory kwantowe mogłyby znacząco pomóc w wielu badaniach z pogranicza naszej obecnej wiedzy, w tym w fizyce ultrazimnych (w tym nadprzewodników), półprzewodnikach, materiałoznawstwie, telekomunikacji i technologiach energetycznych (zwłaszcza baterii).

QuDits zamiast QuBits

Większość projektów obliczeń kwantowych koncentruje się na kubitach, co ułatwia manipulowanie nimi/programowanie oraz dodawanie ich większej liczby. Alternatywą jest użycie cyfr kwantowych, czyli „quditów”.

„Komputer kwantowy z x kubitami może wykonać 2^x obliczenia. Jednakże maszyna z x liczbą quditów, gdzie D reprezentuje liczbę stanów na qudit, może wykonać D^x ilość obliczeń.

Oznacza to, że przy użyciu quditów możesz zakodować tę samą informację w mniejszej liczbie cząstek kwantowych”

Martina Ringbauera, fizyk kwantowy na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii w IEEE Spectrum

Mówiąc prościej, im więcej wymiarów D w kwantowym systemie obliczeniowym, tym większa staje się on wykładniczo potężna. Oprócz tego bardziej wydajnych obliczeń przy użyciu kuditów zamiast kubitów, oczekuje się, że będą one bardziej niezawodne i rzadziej będą powodować błędy w obliczeniach niż kubity.

Więc to wielka wiadomość zespół badaczy pod przewodnictwem Andrei Morello na USNW w Australii stworzył 16-wymiarowy, wysoce kontrolowany system obliczeniowy Qudit. Przy D=16 dowolna ilość quditów dodana do systemu zwiększa moc obliczeniową o potęgę 16.

Aby to osiągnąć, wykorzystali atom donora 123Sb (antymonu), który został wszczepiony jonowo do krzemowego urządzenia nanoelektronicznego.

„Połączona przestrzeń Hilberta atomu obejmuje 16 wymiarów i można do niej uzyskać dostęp zarówno za pomocą elektrycznych, jak i magnetycznych pól kontrolnych. Andrei Morello"

System ten osiągnął niezwykłe wyniki; w szczególności „spin jądrowy wykazuje już wierność bramki przekraczającą 99%, niezależnie od mechanizmu napędowego”. Atom antymonu jest również udoskonaleniem w stosunku do poprzednio stosowanego 31P (fosforu), ponieważ antymon jest cięższym atomem i łatwiej nim manipulować.

To osiągnięcie naukowo-techniczne jest dalej udoskonalane, zwłaszcza dzięki wykorzystaniu izotopowo oczyszczonego 28Si (krzemu), usunięciu resztkowego stężenia 29Si i poprawie niezawodności systemu (czasów koherencji i dokładności bramek).

Stan rozwoju komputerów kwantowych

Dziedzina ta jest wciąż w powijakach i wciąż pojawiają się zupełnie nowe koncepcje, takie jak użyteczne kwanty czy programowalne symulatory kwantowe.

W połączeniu z postępem w tworzeniu ponad 1,000 systemów kubitowych pokazuje to, że obliczenia kwantowe będą prawdopodobnie bardzo ważną dziedziną nauki w nadchodzących dziesięcioleciach, z ogromnym niewykorzystanym potencjałem.

Obecnie badania w dziedzinie inżynierii materiałowej lub biochemii są wspierane przez sztuczną inteligencję, o czym pisaliśmy w naszym artykule „Przełomowe branże skupiają się wokół podstawowej technologii – sztucznej inteligencji (AI)".

Ale wkrótce, w ciągu najbliższych 5–10 lat, być może zaczniemy widzieć praktyczne wyniki obliczeń kwantowych. Sprzęt przechodzi obecnie od eksperymentów myślowych i demonstratorów laboratoryjnych do prototypów komercyjnych komputerów badawczych.

Następnym krokiem będzie opracowanie oprogramowania, które zmaksymalizuje potencjał obliczeń kwantowych i rozpoczęcie produkcji komputerów kwantowych na dużą skalę, aby obniżyć koszty i zapewnić pewną standaryzację.

Pod wieloma względami obliczenia kwantowe znajdują się na etapie, w którym w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku pojawiły się pierwsze komercyjne komputery typu mainframe, zanim w następnych dziesięcioleciach stały się powszechnym narzędziem biznesowym i badawczym.

Zastosowania obliczeń kwantowych

Choć trudno to w pełni przewidzieć, znamy już kilka segmentów, które odniosą ogromne korzyści z szerszej dostępności obliczeń kwantowych:

• Modelowanie biochemiczne: od określenia trójwymiarowego kształtu białka po ekspresję genów – przeliczanie złożonych cząsteczek biologicznych na atomy mogłoby zrewolucjonizować badania biotechnologiczne.
• Modelowanie klimatu: Modele klimatyczne są niezwykle złożone i przekraczają granice możliwości obecnych superkomputerów. Lepsze zrozumienie klimatu dzięki dokładniejszej skali obliczeniowej w modelu, zarówno pod względem geograficznym, jak i czasowym, mogłoby pomóc w zrozumieniu zagrożeń związanych ze zmianą klimatu.
• Półprzewodniki: Komputery kwantowe można wykorzystać do zwiększenia mocy zwykłych chipów komputerowych. Ponieważ „normalne” chipy osiągają obecnie skalę nanometrową, zjawiska kwantowe stają się coraz bardziej problematyczne i do ich rozwiązania mogą być potrzebne komputery kwantowe.
• Material Science: Lepsze zrozumienie fizyki kwantowej i reakcji materiałów aż do pojedynczych atomów może otworzyć nowe projekty materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym, bateriach, druku 3D, produkcji itp.
• Kryptografię: Komputery kwantowe mogą potencjalnie sprawić, że wszystkie obecne metody kryptografii staną się przestarzałe. Stanowi to poważny problem dla systemów wojskowych, finansowych i informatycznych. Ale jednocześnie może sprawić, że kryptografia będzie jeszcze bezpieczniejsza.

Akcje komputerów kwantowych

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) była wiodącą siłą stojącą za komercjalizacją pierwszego komputera typu mainframe. Jednak pozostaje w tyle za innymi gigantami technologicznymi, takimi jak Apple, TSMC i NVIDIA.

Jest jednak liderem rozwoju komputerów kwantowych. Na przykład opracowała komputer kwantowy „Eagle” o pojemności 127 kubitów, a następnie system o pojemności 433 kubitów, znany jako „Osprey”.

I to jest teraz a następnie „Condor”, nadprzewodzący procesor kwantowy o pojemności 1,121 kubitów oparty na technologii bramki rezonansu krzyżowego, wraz z procesorem kwantowym „Heron” na samym skraju pola.

Wreszcie w lutym 1.0 r. IBM wypuścił Qiskit 2024, najpopularniejszy zestaw SDK do obliczeń kwantowych, z ulepszeniami w budowie obwodów, czasie kompilacji i zużyciu pamięci w porównaniu z wcześniejszymi wydaniami.

Patrząc w przyszłość, IBM ogłosił już swój kolejny ważny cel, przewidując, że jego obecne układy kwantowe „przerosną” obecną infrastrukturę. Cel ten znany jest jako „IBM Quantum System Two”; jest to system modułowy, który ma potencjał obsługi do 16,632 XNUMX kubitów.

Od samego początku siłą IBM było tworzenie ultrawydajnych superkomputerów – segmentu rynku przyćmionego przez rozwój elektroniki użytkowej i standaryzowanych układów scalonych. Pojawienie się komputerów kwantowych to dla IBM okazja, by ponownie zabłysnąć i stać się liderem w tym nadchodzącym, ważnym segmencie informatyki dla badań naukowych i dużych korporacji.

2. Microsoft Corporation

Będąc już liderem „normalnych” usług w chmurze, Microsoft jest pionierem w oferowaniu usług w chmurze obliczeniowej kwantowej Azure QuantumJest całkiem możliwe, że w przyszłości większość obliczeń kwantowych będzie wykonywana przez badaczy „zdalnie”, w oparciu o usługi w chmurze, takie jak te oferowane przez firmę Microsoft, zamiast bezpośredniego dostępu do własnego komputera kwantowego.

Jest to szczególnie prawdopodobne, ponieważ ostatecznie większość zastosowań obliczeń kwantowych będzie badana przez biochemików, ekspertów w dziedzinie materiałoznawstwa, klimatologów i innych specjalistów nieposiadających szczególnego doświadczenia w obliczeniach kwantowych. Dlatego poleganie na wyspecjalizowanych specjalistach pracujących w firmach takich jak IBM, Microsoft czy Google w zakresie obsługi komputera ma większy sens niż zatrudnianie lub szkolenie osób nieznających się w tej dziedzinie.

Usługa może również zaoferować „przetwarzanie hybrydowe”, łączące przetwarzanie kwantowe z tradycyjną usługą superkomputerową opartą na chmurze.

Źródło: Microsoft

Zamiast integracji pionowej podejście firmy Microsoft do obliczeń kwantowych polegało na nawiązywaniu partnerstw z liderami w tej dziedzinie obejmującymi praktycznie wszystkie technologie umożliwiające osiągnięcie obliczeń kwantowych, takie jak IonQ (IONQ), Paskal, Quantinium, QCI (QUBT) i Rigettiego (RGTI).

Źródło: Microsoft

Komputery kwantowe nie są kluczowe dla działalności Microsoftu, przynajmniej na razie. Niemniej jednak jest to kluczowy gracz w tym sektorze i może okazać się „bezpieczniejszym” wyborem niż bezpośrednie nabycie akcji notowanych na giełdzie partnerów Microsoftu zajmujących się komputerami kwantowymi, takich jak QCI czy Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google jest bardzo aktywny w dziedzinie obliczeń kwantowych, głównie za pośrednictwem swojego laboratorium Google Quantum AI i kampusu Quantum AI w Santa Barbara.

Komputer kwantowy Google’a zapisał się w historii w 2019 r., kiedy firma ogłosiła, że ​​osiągnęła „supremację kwantową” dzięki maszynie Sycamore, wykonując w 200 sekund obliczenia, które konwencjonalnemu superkomputerowi zajęłyby 10,000 XNUMX lat.

Być może jednak największy wkład Google będzie dotyczył oprogramowania, dziedziny, w której firma ma znacznie lepsze osiągnięcia niż w segmencie sprzętu (wyszukiwarka, Gsuit, Android itp.). Już teraz Quantum AI firmy Google udostępnia pakiet oprogramowania zaprojektowany, aby pomóc naukowcom w opracowywaniu algorytmów kwantowych.

Google może prawdopodobnie być jedną z firm wyznaczających standardy oprogramowania i programowania obliczeń kwantowych, zapewniając uprzywilejowane miejsce do kierowania kierunkiem ewolucji tej dziedziny w przyszłości.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum powstało w wyniku fuzji firm Honeywell Quantum Solutions i Cambridge Quantum (oraz, jak wspomniano, partnera Microsoft Quantum Cloud Computing).

Wydaje się, że na razie Quantinuum koncentruje się na segmentach mniej eksplorowanych przez inne systemy obliczeń kwantowych, zwłaszcza na analizach finansowych i związanych z łańcuchem dostaw, za pośrednictwem silnika Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), uruchomionego we wrześniu 2023 r.

QMCI ma zastosowanie do problemów, które nie mają rozwiązania analitycznego, takich jak wycena finansowych instrumentów pochodnych lub symulowanie wyników eksperymentów z zakresu fizyki cząstek wysokoenergetycznych, i zapewnia postęp obliczeniowy w biznesie, energetyce, logistyce łańcucha dostaw i innych sektorach.

Podobnie jak w przypadku Microsoftu, komputery kwantowe nie są główną gałęzią działalności Honeywell, koncentrują się one raczej na produktach związanych z lotnictwem, automatyką oraz specjalistycznymi chemikaliami i materiałami.

Biorąc jednak pod uwagę, że każdy z tych segmentów biznesowych mógłby odnieść korzyści z obliczeń kwantowych, nietrudno dostrzec uzasadnienie biznesowe dla zaangażowania firmy Honeywell.

Czyni to Honeywell zarówno dostawcą usług obliczeń kwantowych, jak i jedną z firm, które mogłyby skorzystać na zastosowaniu komputerów kwantowych w rzeczywistych przypadkach biznesowych, do czego włączenie Quantinuum do grupy powinno pomóc w szybszym tempie niż w przypadku działalności przemysłowej konkurentów.

5. Intel

Intel jest głównym producentem chipów i wydaje się, że jego celem jest wykorzystanie tej siły na arenie obliczeń kwantowych.

Niedawno został wydany „Zapadnięcie tunelu”, „ najbardziej zaawansowany krzemowy układ kubitu spinowego". Godne uwagi jest to, że nie jest to prototyp, ale chip zbudowany na dużą skalę, charakteryzujący się 95% wydajnością całej płytki i jednorodnością napięcia. Otwiera to drogę do masowej produkcji kwantowych chipów obliczeniowych, co na razie jest nieuchwytne w rodzącej się i szybko zmieniającej się branży.

Źródło: Intel

Wierny swoim korzeniom, Intel rozwija także oprogramowanie wykorzystujące swoje chipy, wypuszczając na rynek Intel Quantum SDKZawiera wytyczne dla programistów dotyczące tworzenia oprogramowania do obliczeń kwantowych, kompatybilnego z konstrukcją układów scalonych Intela opartych na procesorach kwantowych, co historycznie rzecz biorąc stanowiło silną i dochodową przewagę biznesową dla konwencjonalnych układów scalonych firmy Intel.

Źródło: Intel

Pojawienie się skalowalnej produkcji chipów kwantowych może być dla branży równie rewolucyjne, jak każdy inny, bardziej techniczny przełom naukowy, obniżający koszty i ustanawiający wspólne standardy programowania i architektury chipów.

Intel to firma, która z doświadczenia wie, jak wielką siłę może to mieć w branży komputerowej, wciąż podążając za swoimi innowacjami i związanymi z nimi patentami począwszy od lat 1960. XX wieku.

6. Fundusz ETF Defiance Quantum

Sektor obliczeń kwantowych jest wciąż bardzo młody. Jak dotąd została przejęta głównie przez duże korporacje technologiczne z wystarczająco głębokimi kieszeniami, aby sfinansować miliardy dolarów na tego rodzaju badania podstawowe.

Jednak wiele innych mniejszych firm również aktywnie działa w tej dziedzinie, a niektóre współpracują ze wspomnianymi gigantami w celu wdrożenia ich technologii.

Dla inwestorów niebędących specjalistami zrozumienie złożoności różnych technologii obliczeń kwantowych może być dość trudnym zadaniem, a tym bardziej zgadywanie, które z nich odniosą komercyjny sukces.

Tak więc, choć jedną z opcji są bezpośrednie inwestycje w małe start-upy zajmujące się obliczeniami kwantowymi, inną opcją jest poleganie na funduszu ETF w celu uzyskania ekspozycji na sektor przy jednoczesnej dywersyfikacji przy niższych kosztach.

Fundusz ETF Defiance Quantum zawiera W swoich portfelach posiada 69 różnych akcji związanych z obliczeniami kwantowymi, w tym twórcy komputerów kwantowych i chipów, a także dostawcy systemów chłodzenia, laserów, oprogramowania i innych technologii stosowanych w komputerach kwantowych lub produkcji chipów kwantowych.

Źródło: ETF sprzeciwu

W tej szybko rozwijającej się dziedzinie większość inwestorów, nawet tych zaznajomionych z branżą półprzewodników, prawdopodobnie odniesie korzyści z pewnego stopnia dywersyfikacji. Można to zatem osiągnąć albo obstawiając, że poszczególni giganci technologiczni dokonują właściwych wyborów w zakresie partnerstwa, albo korzystając z szerokiej gamy akcji, co często można skuteczniej osiągnąć dzięki dedykowanemu funduszowi ETF.