100.000-kubitni kvantni računalnik

Proti koncu lanskega leta se je IBM okitil z rekordom za največji kvantni računalniški sistem s procesorjem s 433 kvantnimi biti oziroma kubiti, temeljnimi gradniki kvantnega obdelovanja podatkov. Podjetje pa se zdaj že spogleduje z veliko višjim ciljem: stotisočkubitno napravo, ki jo namerava sestaviti v desetih letih.

Michael Brooks, MIT Technology Review

IBM je svoje načrte predstavil 22. maja na vrhunskem srečanju G7 v japonski Hirošimi v partnerstvu s tokijsko in chicaško univerzo. V projekt, s katerim naj bi kvantno računalništvo začelo normalno delovati in bi ga lahko izkoristili za reševanje najzahtevnejših problemov, ki presegajo zmogljivosti standardnih superračunalnikov oziroma – natančneje povedano – jih posamezen standardni superračunalnik ne zmore rešiti sam, bodo vložili sto milijonov dolarjev.

IBM si je zamislil, da bi sto tisoč kubitov sodelovalo z najboljšimi »klasičnimi« superračunalniki in tako doseglo nove preboje na področju zdravil, proizvodnje gnojil, učinkovitosti baterij in vrste drugih načinov uporabe. »To imenujem kvantnocentrično superračunalništvo,« mi je v intervjuju v Londonu zaupal namestnik vodje za kvantno računalništvo v IBM Jay Gambetta.

V kvantnem računalništvu se podatki shranjujejo in obdelujejo na podlagi enkratnih lastnosti temeljnih delcev; elektroni, atomi in majhne molekule lahko obstajajo v več energetskih stanjih hkrati, kar je pojav, imenovan superpozicija, in stanja delcev se lahko povežejo oziroma prepletejo med seboj. To pomeni, da je informacije mogoče šifrirati in obdelovati na drugačne načine, s čimer se odpre pot za vrsto računskih nalog, ki na klasičnem računalniku niso izvedljive.

Za zdaj kvantni računalniki, kar se tiče uporabnosti, še ne presegajo standardnih superračunalnikov, in sicer predvsem zato, ker nimajo dovolj kubitov in ker se sistemi zlahka podrejo zaradi neznatnih motenj v okolici, ki jih fiziki imenujejo hrup.

Raziskovalci so preučevali, kako shajati s temi motnjami, a so številni prepričani, da bo treba kvantne sisteme občutno okrepiti, preden bodo dejansko uporabni in bi velik del svojih kubitov lahko namenili popravljanju napak zaradi motenj oziroma hrupa.

IBM ni prvo podjetje z visokimi cilji. Pri Googlu pravijo, da je njihov cilj milijon kubitov do konca desetletja, čeprav jih bo zaradi popravljanja napak za računske operacije na voljo le deset tisoč. Podjetje IonQ s sedežem v Marylandu meri na 1.024 logičnih kubitov, vsak bo narejen iz vezja s 13 fizičnimi kubiti, ki bo popravljalo napake. Njihova naprava naj bi začela delovati leta 2028. PsiQuantum iz Palo Alta namerava podobno kot Google sestaviti kvantni računalnik z milijon kubiti, vendar še ni predstavil niti časovnega okvira niti principa za popravljanje napak.

Ravno zaradi zahtevnega popravljanja napak je navajanje podatka o fizičnih kubitih zavajajoče – trenutno so pomembnejše podrobnosti o samem ustroju naprave, saj to vpliva na dejavnike, kot sta odpornost na hrup in nemoteno delovanje. Podjetja običajno navedejo dodatna merila za ocenjevanje učinkovitosti, kot sta kvantna količina (volumen) in število algoritmičnih kubitov. V prihodnjem desetletju bo tej tekmi še težje slediti zaradi napredka pri popravljanju napak, učinkovitosti kubitov in omilitvi napak zaradi programske opreme.

Piljenje strojne opreme

Danes so kubiti v računalniku IBM sestavljeni iz obročev iz superprevodne kovine, ki se pri temperaturah v območju milikelvinov (delček stopinje nad absolutno ničlo) obnašajo po istih pravilih kot atomi. Teoretično bi ti kubiti lahko delovali v veliki skupini, a v skladu z načrti IBM bi kvantne računalnike, kakršne sestavlja, ob sedanji tehnologiji lahko povečali kvečjemu na pet tisoč kubitov. Večina strokovnjak pravi, da to ni dovolj za uporabne računske naloge in za zmogljive kvantne računalnike bodo inženirji morali razmišljati širše. In za to bo nujna nova tehnologija.

Med drugim bo potreben energetsko veliko učinkovitejši nadzor nad kubiti. Trenutno vsak od superprevodnih kubitov iz IBM za delovanje potrebuje približno 65 vatov. »Za sto tisoč kubitov to pomeni ogromno energije in bi potrebovali nekaj v velikosti zgradbe, jedrsko elektrarno in milijardo dolarjev, da bi sestavili eno samo napravo,« je pojasnil Gambetta. »Kar je seveda absurdno. Za prehod s pet tisoč kubitov na sto tisoč bodo seveda nujne inovacije.«

IBM je že opravil raziskave, s katerimi je zagotovil dokaz koncepta in pokazal, da integrirana vezja na osnovi tehnologije komplementarnih kovinskih oksidnih polprevodnikov (CMOS) lahko vgradijo poleg hladnih kubitov in jih nadzorujejo s komaj nekaj deset milivati. A priznal je, da je to tudi vse in da tehnologija, nujna za kvantnocentrično superračunalništvo, še ne obstaja. Ravno zato so akademske raziskave pomemben del projekta.

Kubiti bodo nameščeni na tip modularnega čipa, ki šele nastaja v laboratorijih IBM. Za modularnost, ki bo nujna, ko na en sam čip ne bo mogoče namestiti dovolj kubitov, so nujne povezave, ki prenašajo kvantne podatke med moduli. V IBM zdaj razvijajo računalnik Kookaburra, 1.386-kubitni procesor s kvantno komunikacijsko povezavo, ki ga bodo javnosti predvidoma predstavili leta 2025.

Pri drugih nujnih inovacijah vskočijo univerze. Raziskovalci v Tokiu in Chicagu so že dosegli pomembne preboje na več področjih, na primer pri sestavnih delih in sami komunikaciji, ki bi lahko igrali pomembno vlogo v končnem izdelku, je povedal Gambetta. Meni, da bo v prihodnjem desetletju sodelovanje med industrijo in akademiki še globlje. »Univerzam moramo pomagati, da bodo lahko delale, kar znajo najbolje,« je poudaril. Pri Googlu se strinjajo; sklenili so že poseben dogovor, po katerem bodo s 50 milijoni dolarjev financirali raziskave kvantnega računalništva na prej omenjenih dveh univerzah.

Kot je še povedal Gambetta, panoga potrebuje tudi več znanstvenikov, ki bi se ukvarjali s kvantnim računalništvom, to je ljudi, ki bi bili zmožni premostiti prepad med fiziki, ki razvijajo napravo, in razvijalci, ki se trudijo zasnovati in zagnati uporabne algoritme.

Veliko vlogo bo imela tudi programska oprema, ki deluje na kvantnih napravah. »To panogo želimo razviti čim hitreje in to bomo najlaže storili, če bodo strokovnjaki razvijali nekaj, podobnega klasični knjižnici programske opreme,« je poudaril Gambetta. To je razlog, da je IBM zadnja leta dostop do svojih sistemov omogočil tudi akademskim raziskovalcem. Njegovi kvantni procesorji se namreč lahko v delo vključijo prek oblaka z uporabo standardnih vmesnikov, za katere je nujno le minimalno poznavanje tehničnih podrobnosti kvantnega računalništva. Gambetta je navedel, da je o poskusih s kvantnimi napravami IBM napisanih okoli dva tisoč strokovnih razprav: »Zame je to dober znak, da se razvijajo inovacije.«

Jamstva, da bo sto milijonov dolarjev, kolikor so jih namenili za ta projekt, zadostovalo za cilj sto tisoč kubitov, ni. »Tveganje nesporno obstaja,« je priznal Gambetta.

Joe Fitzsimons, direktor Horizon Quantuma, razvijalca kvantne programske opreme s sedežem v Singapurju, se strinja. »Pot zelo verjetno ne bo gladka in brez presenečenj.«

A dodaja, da se je s tem tveganjem pač treba sprijazniti. Panoga se mora soočiti s strahom pred neuspehom in poskušati premagati tehnične izzive, ki čakajo zmogljivejše kvantno računalništvo. Fitzsimons ocenjuje, da so načrti IBM razumni, čeprav pasti ne bo manjkalo. »Na tej ravni bodo omejevalni dejavnik sistemi nadzora. Močno se bodo morali razviti, da bodo lahko kolikor toliko učinkovito podpirali tako veliko število kubitov,« je zaključil.

Copyright Technology Review, distribucija Tribune Content Agency.