Komputery kwantowe IBM Google

Supremacja procesorów kwantowych nadchodzi 

Supremacja kwantowa to potencjalna zdolność kwantowych urządzeń komputerowych do rozwiązywania problemów, których klasyczne komputery praktycznie nie potrafią wykonać. Najistotniejszą ich zaletą jest szybkość wykonywania operacji obliczeniowych. Ta złożoność obliczeniowa procesów wykonywanych przez komputer kwantowy oznacza generalnie wielobiegunowe przyspieszenie w stosunku do najlepszego istniejącego klasycznego algorytmu, który wykorzystuje system binarny. Obecne komputery, które dla porównania z maszynami kwantowymi już zaczynają być nazywane „klasycznymi", wykonują wszelkie obliczenia za pomocą zer i jedynek. Innymi słowy: „mózgiem" każdego komputera, tabletu czy smartfona jest procesor, który dokonuje obliczeń, zamieniając wszelkie liczby i litery w ciągi zer i jedynek, z których jedynki oznaczają przepływ prądu, a zero jego brak. Dzięki temu pozornie prostemu mechanizmowi można „układać" przepływ prądu lub jego brak w różne kombinacje. Każda jedynka lub zero to bit – podstawowa, najmniejsza porcja informacji.

W komputerze czy raczej procesorze kwantowym podstawową jednostką informacji jest kubit (qubit), którego nazwa jest skrótem od zwrotu "quantum bit" (kwantobit). Mówiąc bardzo skrótowo: kubit opisuje pewien układ kwantowy, o którym nie możemy uzyskać pełnej informacji bez zaburzenia go poprzez pomiar. Podobnie jak w słynnym eksperymencie myślowym zaproponowanym przez austriackiego fizyka Erwina Schrödingera, gdzie kot zamknięty w pudełku ze śmiercionośnym gazem jest zawsze żywy lub martwy do czasu otwarcia pudełka i dokonania pomiaru, kubit jest jednocześnie zerem i jedynką. Fizyka kwantowa nazywa taką sytuację superpozycją stanów. Jest ona bardzo nietrwała. Nawet najmniejszy kontakt z otoczeniem powoduje, że w ułamku sekundy układ wypada ze stanu superpozycji do stanu stacjonarnego. Takie zjawisko fizycy nazywają dekoherencją. Stanowi ona największą przeszkodę w pracy maszyn kwantowych. Wygląda jednak na to, że wielkie koncerny informatyczne znalazły metody pozwalające zapanować nad tym zjawiskiem. To, co rozróżnia komputery kwantowe i klasyczne, to niezwykła szybkość wykonywanych operacji obliczeniowych. Informatycy przewidywali, że takie kwantowe maszyny będą zdolne przeprowadzać w ciągu kilku sekund operacje liczbowe, które komputerom tradycyjnym zajmą nie lata, ale tysiące lat.

Komputer kwantowy IBM 

IBM zaprezentował najpotężniejszy na świecie 53-kubitowy komputer kwantowy. Amerykański koncern jest obecnie światowym pionierem w rozwoju tych maszyn obliczeniowych przyszłości, które nie do poznania odmienią rozwój ludzkości pozwalając wejść na znacznie wyższy poziom rozwoju technologii. Niebawem IBM zaprezentuje swój najnowszy komputer kwantowy. W styczniu 2019 roku firma zaprezentowała pierwszy na świecie komercyjny komputer kwantowy o nazwie Q System One. IBM nie chciał szaleć i na początek zaoferował inżynierom z prywatnych placówek badawczych 20-kubitowy rejestr. Dzięki temu, będą mogli oni dokonywać ważnych obliczeń na potrzeby np. świata naukowego. Najważniejszym jednak celem jest popularyzacja technologii komputerów czy raczej procesorów kwantowych.

We wrzesniu 2019 roku dowiadujemy się, że w ciągu kilku tygodni, IBM zaprezentuje światu nowszy wynalazek nad którym po cichu pracuje od dłuższego czasu. Wedle firmy jest nim aż 53-kubitowy system kwantowy. Ale to nie wszystko, gdyż w Nowym Jorku uruchomione zostało Quantum Computation Center, w którym dostępny jest dla placówek naukowych największy zbiór komputerów kwantowych na naszej planecie. Składa się on z 10 systemów procesorów kwantowych, w tym pięć 20-kubitowych, jeden 14-kubitowy i cztery 5-kubitowe. Firma zapowiada jednak, że w ciągu kilku tygodni liczba wzrośnie do aż 14 oraz dołączy do niego również najnowsza i najpotężniejsza, 53-kubitowa maszyna obliczeniowa, we wrześniu 2019 jeszcze testowana.

Dane opublikowane przez giganta technologicznego IBM napawają optymizmem, gdyż pokazują, że komputery kwantowe cieszą się już niesamowitą popularnością na całym świecie. W tej chwili Quantum Computation Center ma już zarejestrowanych 150 tysięcy użytkowników oraz niemal 80 klientów komercyjnych. Od chwili udostępnienia przez IBM pierwszego rejestru obliczeniowego, wykonano już na nim 14 milionów eksperymentów, których skutkiem było powstanie ponad 200 publikacji naukowych.

IBM podaje oficjalnie, że już teraz komputery kwantowe zaczynają powoli odmieniać na lepsze naszą rzeczywistość. Z ich pomocą inżynierowie tworzą systemy obliczeniowe i symulacje ze świata astronomii, fizyki, chemii, a nawet bankowości. Eksperci oceniają, że kwantowe obliczenia pozwalają znacznie przyspieszyć prace nad technologiami przyszłości i sprzyjają oszczędnościom finansowym. Obliczenia, które dziś zajmują najszybszym na świecie superkomputerom kilka dni czy tygodni, komputery kwantowe wykonują w kilka czy kilkanaście sekund. Z ich pomocą będziemy mogli niebawem o wiele szybciej i skutecznej poszukiwać śladów życia w kosmosie, opracowywać leki na najgroźniejsze choroby oraz tworzyć materiały i technologie, które pozwolą nam zacząć przenosić naszą cywilizację na obce obiekty przemierzające Układ Słoneczny.

Wygląda tak imponująco, jak około 80 lat temu maszyny IBM na lampach elektronowych. Parę dekad później były już tranzystorowe, potem na układach scalonych, aż w końcu w latach 1981-1989 pojawiały się na uczelniach desktopy od IBM na biurko mające tę samą moc obliczeniową. Konkretne obliczenia które wykonują się kilka sekund na SystemQ (qubitowy), superkomputerom zajmują kilka dni.

Komputer Google'a osiągnął chwilową supremację kwantową 

Google LLC, jeden z największych koncernów z branży informatycznej, ogłosił osiągnięcie „supremacji kwantowej". To może być początek nowej ery komputerów zwanych kwantowymi lub qubitowymi. Według dokumentów przypadkowo opublikowanych na stronach NASA, inżynierowie z firmy Google skonstruowali komputer kwantowy, który wykonał obliczenia praktycznie niemożliwe nawet dla najlepszego superkomputera - innymi słowy, osiągnął on supremację kwantową. Komputery kwantowe mogą potencjalnie zmienić sposób projektowania nowych materiałów, zarządzania logistyką, budowania sztucznej inteligencji czy łamania szyfrów. Dlatego firmy takie jak Google, Intel czy IBM przeznaczają grube miliony na zbudowanie komputera kwantowego.

Artykuł zawierający szczegóły pracy pojawił się na serwerze NASA, ale został szybko usunięty, gdyż zawierał sporo tajnych danych na temat tej technologii obliczeniowej. Mimo to, kilka mediów, w tym „Financial Times”, zdążyło się z nim zapoznać. Wynika z niego, że firma Google zbudowała komputer kwantowy zdolny do wykonywania obliczeń niemożliwych nawet dla najszybszych komputerów świata. Rzecznik Google odmówił komentarza w tej sprawie. Podobnie wygląda sprawa, gdy pytani byli przedstawiciele NASA, ale w internecie nic nie ginie. Usunięty artykuł można znaleźć w serwisie Pastebin. Według kopii artykułu, Google stworzyło komputer kwantowy o nazwie Sycamore z 54 bitami kwantowymi zwanymi kubitami. W publikacji oznaczono tylko jednego autora: Johna Martinisa z University of California w Santa Barbara. Wiadomo, że Martinis pracuje dla Googla przy budowie sprzętu dla komputerów kwantowych.

W 2018 roku NASA i Google osiągnęły porozumienie w sprawie współpracy przy testowaniu rozwiązań stosowanych przy budowie komputerów kwantowych. Specjaliści z NASA prawdopodobnie służą pomocą kolegom z Google fachową pomoca, co może tłumaczyć przypadkowy wyciek dokumentów. Procesor komputera kwantowego, jak opisuje to artykuł, pozwolił na wykonanie serii niezwykle trudnych dla tradycyjnego komputera obliczeń. Obliczenia miały polegać na wykonaniu losowych operacji na kubitach i odczytaniu wyniku. Po wykonaniu tego wiele razy, badaczom pozostał prawie losowy zestaw liczb, niezwykle trudny do odtworzenia za pomocą klasycznego komputera.

W 2018 roku koncern Google zaprezentował w sumie aż 72-kubitowy chip kwantowy o nazwie Bristlecone. Już wówczas mówiono, że amerykańska firma wkrótce osiągnie kwantową supremację, prześcigając swoją konkurencję. W dniu 20 września 2019 roku „Financial Times" poinformował, że przedstawiciele Google'a potwierdzili, że ich koncern osiągnął supremację kwantową. Potwierdzała to kopia dokumentu koncernu Google wysłanego do NASA, a podpisanego przez fizyka Johna Martinisa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Z treści tego pisma, do którego dotarli dziennikarze portalu internetowego „Fortune", wynikało, że Google posiada 54-kubitowy procesor o nazwie Sycomore, w którym już 53 kubity są funkcjonalne. Sycomore wygenerował przypadkowy rozkład liczb w systemie dwójkowym, a następnie zdołał go błyskawicznie sprawdzić i potwierdzić wynik. Cały ten proces zajął zaledwie 200 sekund. Dla porównania, podobna operacja obliczeniowa wykonana przez największy i najszybszy „klasyczny" superkomputer Summit należący do IBM zajęłaby 10 tysięcy lat. Nie wiadomo ile w sumie jednostek obliczeniowych posiada Google ani jak łączy moduły procesorów kwantowych w jednostkę zwaną komputerem.

„To dramatyczne przyspieszenie w stosunku do wszystkich znanych klasycznych algorytmów zapewnia eksperymentalną realizację supremacji kwantowej w zadaniu obliczeniowym i zwiastuje nadejście długo oczekiwanego paradygmatu obliczeniowego” - czytamy w kopii artykułu w serwisie Pastebin. Procesor Sycamore został użyty o wygenerowania przypadkowego zestawu cyfr w systemie dwójkowym i sprawdzenia, czy ich rozkład jest naprawdę losowy. W artykule obliczono, że zadanie to zajęłoby komputerowi o nazwie Summit, najlepszemu obecnie superkomputerowi na świecie, 10 tysięcy lat pracy. Sycamore zrobił to w 3 minuty i 20 sekund. Zespół badaczy Google'a, który po raz pierwszy wspomniał o swoim celu w czasopiśmie naukowym Nature dwa lata cześniej, w 2017 roku, jest nastawiony bardzo optymistycznie, zaznaczając, że ich odkrycie może przynieść wymierne korzyści już w perspektywie krótkoterminowej.

Obliczenia te nie miały na celu praktycznych zastosowań - to dowód koncepcji. Supremacja kwantowa została uznana za główny przełom w rozwoju komputera kwantowego. W przyszłości takie maszyny mogą być przydatne w dziedzinie uczenia maszynowego, inżynierii materiałowej czy w chemii – do modelowania reakcji chemicznych lub wizualizowania sposobów, w jaki nowa cząsteczka może łączyć się z innymi. Komputery kwantowe będą mogły obsłużyć ogromną liczbę zmiennych, aby stworzyć dokładną symulację. To może zwiastować przełom w wielu dziedzinach. Jak twierdzą komentatorzy, postęp w tej dziedzinie będzie wymagał znacznie więcej kubitów i metody korygowania błędów, które nieuchronnie wkradają się w obliczenia kwantowe. „Chociaż jest to kamień milowy, daleko mu do bycia komputerem kwantowym, który potrafi obliczyć wszystko, co przydatne,” napisał na Twitterze fizyk Jonathan Oppenheim z University College London.

Komputer kwantowy Sycamore, bo o nim tu mowa, powstaje wspólnymi siłami Google'a i NASA. Z założenia miał mieć 54 splątane kubity, ale jeden z nich jeszcze nie działa. Problem naukowy rozwiązany w eksperymencie Google'a polegał na wysłaniu losowych wzorów do kubitów i mierzeniu związanych z tym zjawisk. Jeśli zrobi się tak z jednym kubitem, wynikiem będzie ciąg przypadkowych cyfr. Natomiast w przypadku dwóch lub więcej splątanych kubitów występuje zjawisko zwane interferencją kwantową, przez co określone ciągi zaczynają się powtarzać. Wzorzec interferencji można policzyć na klasycznym komputerze, ale tylko w momencie, gdy liczba bitów jest mocno ograniczona. Ustalono, że w superkomputerze Summit, który znajduje się obecnie na szczycie listy TOP500 klasycznych komputerów, pamięć skończy się przy 14 kubitach. Chmura Google'a sprostałaby 20 kubitom, potrzebując jednak 50 miliardów godzin pracy i petawata energii elektrycznej. Na tej podstawie można wnioskować, że już około 30 kubitów wystarczyłoby do wykazania supremacji kwantowej. Google poszło na całość i spróbowało z 54, a właściwie 53 licząc tylko te sprawne. Użyty 53-kubitowy system Sycamore Google, to jest pomniejszona wersją 72-kubitowej maszyny Bristlecone.

Sam projekt komputera kwantowego Google'a nie odbiega od większości innych, współczesnych koncepcji. Kubity są pętlami, wykonanymi z nadprzewodzącego drutu, po których prąd może płynąć w obydwu kierunkach. Zostały połączone z rezonatorami mikrofalowymi tak, aby sterować nimi za pomocą wiązek światła o odpowiedniej częstotliwości. Wszystkie kubity razem tworzą siatkę, przypominającą trochę siatkę ogrodzeniową. Pomijając egzemplarze skrajne, każdy kubit ma połączenie z czterema sąsiednimi, co można wykorzystać do ich wzajemnego splątania.

NIEZWYKŁA WIZJA FEYNMANA 

Twórca relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej prof. Richard Feynman często powtarzał: „Jeśli sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej". Podczas jednego ze swoich osławionych wykładów o mechanice kwantowej na Massachusetts Institute of Technology w 1981 roku zaprezentował teoretyczny model działania urządzenia, które nazwał komputerem kwantowym. Wówczas uznano tę koncepcję za fantastykę naukową. Feynman próbował przekonać słuchaczy, że do przekształcenia systemu kwantowego w klasyczny model komputerowy wykorzystać można wiele zjawisk rządzących życiem atomów i mniejszych cząstek elementarnych, takich jak: zasada nieoznaczoności i superpozycja. Pierwsza, sformułowana przez niemieckiego fizyka Wernera Heisenberga, oznacza, że nie ma żadnej możliwości precyzyjnego określenia położenia i pędu cząstki, a więc jej komplementarnej własności. Taka cząstka ma też inną zdumiewającą własność, która na pierwszy rzut oka wydaje się nielogiczna. Może pozostawać w superpozycji, czyli być w różnych stanach naraz. Jest zatem falą i cząstką stałą w tym samym momencie, aż do czasu, gdy ktoś dokona jej obserwacji i tym samym natychmiast zredukuje jej własność do tylko jednego stanu.

Możemy sobie wyobrazić (choć to przykład bardzo niedoskonały, ze względu na fakt, że mechanika kwantowa rządzi zjawiskami w nanoskali), że do szuflady chowamy długopis (zastępuje on w tym eksperymencie myślowym atom), w której nieobserwowany wchodzi w stan superpozycji. Teraz staje się on falą prawdopodobnych stanów i teoretycznie może znajdować się w dowolnym miejscu. Jednak otwierając szufladę, „obserwator" redukuje funkcję falową do korpuskularnej i długopis, zapewne ku uldze jego właściciela, staje się znowu tylko zwykłym przedmiotem o określonej wadze, kształcie i kolorze. Podobnie dzieje się z owymi tajemniczymi kubitami. Każdy pomiar i kontakt z otoczeniem powoduje, że układ wypada ze stanu superpozycji. I to jest największa przeszkoda, którą uważano w czasach Feynmana za niemożliwą do pokonania. Mimo fali krytyki ze strony środowiska naukowego koncepcja budowy komputera kwantowego postulowana przez Feynmana została po raz pierwszy zrealizowana już 15 lat po owym słynnym wykładzie. W 1996 roku Neil Gershenfeld, Isaac L. Chuang i Marc Kubineca zbudowali maszynę wykorzystującą zjawisko rezonansu magnetycznego NMR. Urządzenie programowano za pomocą impulsów radiowych. Prawdziwy przełom w informatyce kwantowej nastąpił dopiero w 2009 roku, kiedy dwóm doktorantom z Centrum Fotoniki Kwantowej na Uniwersytecie Brystolskim udało się zbudować pierwszy optyczny komputer kwantowy korzystający z czterech kubitów.

Ażeby zrozumieć różnice między bitami i kubitami, można się posłużyć następującym przykładem: 4 klasyczne bity dają w sumie 16 możliwych kombinacji, kiedy 4 kubity będące w stanie superpozycji mogą być we wszystkich 16 stanach naraz, a z każdym kolejnym dodanym kubitem liczba kombinacji wzrasta wykładniczo. Oznacza to, że 20-kubitowy komputer może jednocześnie przechowywać i analizować 1 000 000 wartości. Rozbudowana maszyna kwantowa przetwarza olbrzymie zbiory danych w bardzo krótkim czasie. Wyzwaniem przy korzystaniu z komputerów kwantowych staje się konieczność ich chłodzenia, żeby nie zakłócać procesów obliczeniowych. Żeby tego uniknąć, trzeba schładzać procesor do temperatury 0,015 K (-273,135 st. C). Komputery kwantowe są zdolne w tym samym czasie błyskawicznie przeszukiwać olbrzymie ilości danych, a przez to są idealnymi narzędziami do łamania szyfrów. Stąd tak ogromne zainteresowanie tą technologia branży IT oraz wszelkich służb specjalnych. Już w czerwcu 2017 r. IBM poinformowało, że w chmurze zostanie uruchomiona usługa IBM Q, która pozwala na komercyjny dostęp do komputera kwantowego wyposażonego w 5- i 16-kubitowe procesory. Do tej pory skorzystało z niej ponad 97 tys. osób, w tym głównie naukowcy, którzy przeprowadzili ponad 6 milionów obliczeń, które na klasycznych maszynach cyfrowych zajęłyby setki lub tysiące lat.

Komputer kwantowy na około 30 kubitów daje przewagę nad największą aktualną na ten 2019 rok jednostką obliczeniową z listy TOP500. Szacunkowo komputer kwantowy mający 100 kubitów daje przewagę nad wszystkimi maszynami z grupy TOP500 jakie aktualnie istnieją. Unia Europejska wspólnym wysiłkiem wielu państw próbuje od 2018 roku zbudować komputer kwantowy o mocy obliczeniowej 100 kubitów. Zadanie wykonania sprawnego i działającego komputera kwantowego założono wykonać w trzy lata kosztem wielu miliardów euro, aby dołączyć do czołowych potęg w produkcji czipów kwantowych, takich jak USA, Chiny i Japonia.

Superkomputery z listy TOP500 obsługiwane są głównie przez system operacyjny LINUX, jako jedyny praktycznie bezproblemowo zdolny do operowania wielkimi mocami obliczeniowymi. Kilka maszyn działa także na podobnym do Linuksa systemie BSD. Najnowszy z największych Summit OLCF-4 obsługiwany jest przez Linux Red Hat. Pisanie programów na platformie Q++ jako analogu dla C++ oraz opensource'owe programy typu jQuantum, sQuantum czy cały Quantum Toolkit to dobra przyszłość dla rozwijania przyszłego Linuksa na komputerach kwantowych.

Wprowadzenie do programowania kwantowego wydaje się być nowym kierunkiem studiów informatycznych w ciągu najbliższych 10-20 lat...