Вътре как инженерите на IBM проектират квантови компютри


Преди няколко седмици се събудих необичайно рано сутринта в Бруклин, качих се в колата си и се отправих нагоре по река Хъдсън към малката общност на окръг Уестчестър в Йорктаун Хайтс. Там, сред хълмовете и стари ферми, се намира изследователският център на Томас Дж. Уотсън, Проектиран от Ееро Саариненщабквартира на IBM Research от 60-те години на миналия век.

Дълбоко в тази сграда, през безкрайни коридори и порти за сигурност, охранявани от скенери за ириса, учените от компанията работят усилено, разработвайки това, което директорът на IBM по изследванията Дарио Гил ми каза, че е „следващият клон на изчисленията“: квантовите компютри.

Бях в Watson Center, за да прегледам IBM’s актуализирана техническа пътна карта за постигане на мащабни, практични квантови изчисления. Това включваше много разговори за „брой на qubit“, „квантова кохерентност“, „смекчаване на грешки“, „софтуерна оркестрация“ и други теми, от които ще се нуждаете, за да сте електроинженер с опит в компютърните науки и познаване на квантовите механика, която да следвате напълно.

Аз не съм от тези неща, но имам наблюдава квантовото изчислително пространство достатъчно дълго да знаете, че работата, която се извършва тук от изследователите на IBM – заедно с техните конкуренти в компании като Google и Microsoft, заедно с безброй стартиращи компании по света – е да доведе до следващия голям скок в изчисленията. Което, като се има предвид, че изчисленията са „хоризонтална технология, която докосва всичко“, както ми каза Гил, ще има големи последици за напредъка във всичко от кибер защита да се изкуствен интелект да се проектиране на по-добри батерии.

При условие, разбира се, те действително могат да накарат тези неща да работят.

Влизане в квантовата сфера

Най-добрият начин да разберете квантовия компютър – с изключение на отделянето на няколко години за висше училище в MIT или Caltech – е да го сравните с вида машина, на която пиша това парче на: класически компютър.

Моят MacBook Air работи на чип M1, който е пълен с 16 милиарда транзистора. Всеки от тези транзистори може да представлява или “1” или “0” на двоична информация в един момент – малко. Огромният брой транзистори е това, което дава на машината нейната изчислителна мощност.

Шестнадесет милиарда транзистора, опаковани в чип от 120,5 кв. мм, са много – TRADIC, първият транзисторизиран компютър, имаше по-малко от 800. Способността на полупроводниковата индустрия да създава все повече транзистори върху чип, тенденция, прогнозирана от съоснователя на Intel Гордън Мур в закон, който носи неговото имее това, което направи възможно експоненциалният растеж на изчислителната мощност, което от своя страна направи възможно почти всичко останало.

Външността на квантов компютър IBM System One, както се вижда в изследователския център на Thomas J. Watson.
Брайън Уолш/Вокс

Но има неща, които класическите компютри не могат да направят, но никога няма да могат да направят, без значение колко транзистора се натъпкват върху квадрат от силиций в завод за производство на полупроводници в Тайван (или „фаб“, на индустриален жаргон). И тук идват уникалните и откровено странни свойства на квантовите компютри.

Вместо битове, квантовите компютри обработват информация с помощта на кубити, които могат да представляват „0“ и „1“ едновременно. Как го правят? Тук напрягате нивото ми на опит, но по същество кубитите използват квантово механичното явление, известно като „суперпозиция“, при което свойствата на някои субатомни частици не се дефинират, докато не бъдат измерени. Помислете за котката на Шрьодингер, едновременно мъртъв и жив докато не отворите кутията му.

Един кубит е сладък, но нещата стават наистина вълнуващи, когато започнете да добавяте още. Класическата изчислителна мощност нараства линейно с добавянето на всеки транзистор, но мощността на квантовия компютър нараства експоненциално с добавяне на всеки нов надежден кубит. Това се дължи на друго квантово механично свойство, наречено „заплитане“, при което индивидуалните вероятности на всеки кубит могат да бъдат повлияни от другите кубити в системата.

Всичко това означава, че горната граница на мощността на работещия квантов компютър далеч надхвърля това, което би било възможно в класическите изчисления.

Така че квантовите компютри теоретично биха могли да решат проблеми, които класическият компютър, без значение колко мощен, никога не би могъл. Какви проблеми? Какво ще кажете за фундаменталната природа на материалната реалност, която в крайна сметка се основава на квантовата механика, а не на класическата механика? (Съжалявам, Нютон.) „Квантовите компютри симулират проблеми, които откриваме в природата и в химията“, каза Джей Гамбета, вицепрезидент по квантовите изчисления на IBM.

Квантовите компютри могат да симулират свойствата на теоретична батерия, за да помогнат при проектирането на такава, която е много по-ефективна и мощна от днешните версии. Те биха могли да разрешат сложни логистични проблеми, да открият оптимални маршрути за доставка или да подобрят прогнозите за науката за климата.

Що се отнася до сигурността, квантовите компютри биха могли да нарушат криптографските методи, потенциално да направят всичко – от имейли до финансови данни до национални тайни, несигурни – поради което надпреварата за квантово надмощие също е международно състезание, което Китайското правителство налива милиарди. Тези опасения помогнаха на Белия дом по-рано този месец публикува нов меморандум да създаде национално лидерство в квантовите изчисления и да подготви страната за подпомогнати от квантово ниво заплахи за киберсигурност.

Освен проблемите със сигурността, потенциалните финансови подобрения могат да бъдат значителни. Компаниите вече предлагат ранни квантови изчисления чрез облака за клиенти като Exxon Mobil и на Испанска банка BBVA. Докато глобалният пазар на квантови изчисления струваше по-малко от 500 милиона долара през 2020 г., International Data Corporation проекти че ще достигне 8,6 милиарда долара приходи до 2027 г., с повече от 16 милиарда долара инвестиции.

Но нищо от това няма да е възможно, освен ако изследователите не могат да свършат тежката инженерна работа по превръщането на квантовия компютър от това, което все още е до голяма степен научен експеримент, в надеждна индустрия.

Студената стая

В сградата на Уотсън Джери Чоу – който ръководи експерименталния квантов компютърен център на IBM – отвори 9-футов стъклен куб, за да ми покаже нещо, което приличаше на полилей, изработен от злато: Quantum System One на IBM. Голяма част от полилея по същество е високотехнологичен хладилник, с намотки, които пренасят свръхфлуиди, способни да охладят хардуера до 100-та от градуса по Целзий над абсолютната нула – по-студено, каза ми Чоу, от космическото пространство.

Охлаждането е от ключово значение за работата на квантовите компютри на IBM и също така показва защо това е толкова инженерно предизвикателство. Въпреки че квантовите компютри са потенциално далеч по-мощни от класическите си колеги, те също са много, много по-придирчиви.

Помните ли какво казах за квантовите свойства на суперпозицията и заплитането? Докато кубитите могат да правят неща, за които просто малко не може да мечтае, най-малката промяна в температурата, шума или радиацията може да ги накара да загубят тези свойства чрез нещо, наречено декохерентност.

Това изискано охлаждане е предназначено да предпази кубитите на системата от декохериране, преди компютърът да е завършил изчисленията си. Най-ранните свръхпроводящи кубити загубиха кохерентност за по-малко от наносекунда, докато днес най-модерните квантови компютри на IBM могат да поддържат кохерентност за толкова 400 микросекунди. (Всяка секунда съдържа 1 милион микросекунди.)

Предизвикателството, пред което са изправени IBM и други компании, е да проектират квантови компютри, които са по-малко податливи на грешки, докато „мащабират системите отвъд хиляди или дори десетки хиляди кубити до може би милиони от тях“, каза Чоу.

Това може да са години почивка. Миналата година IBM представи Eagle, 127-кубитов процесор, и в новата си техническа пътна карта тя има за цел да представи 433-кубитов процесор, наречен Osprey по-късно тази година, и компютър с повече от 4000 кубита до 2025 г. По това време , квантовите изчисления могат да преминат отвъд фазата на експериментиране, каза изпълнителният директор на IBM Арвинд Кришна каза пред репортери на пресконференция по-рано този месец.

Много експерти са скептични, че IBM или някой от конкурентите му някога ще стигнат до там, повишавайки възможността инженерните проблеми, представени от квантовите компютри, да са просто твърде трудно за системите някога да бъдат наистина надеждни. „Това, което се случи през последното десетилетие, е, че имаше огромен брой твърдения за по-непосредствените неща, които можете да направите с квантов компютър, като например решаването на всички тези проблеми с машинното обучение“, Скот Ааронсън, експерт по квантови изчисления в Университета на Тексас, ми каза миналата година. “Но тези твърдения са около 90 процента глупости.” За да изпълните това обещание, „ще ви трябва известно революционно развитие“.

Във все по-дигитален свят по-нататъшният напредък ще зависи от способността ни да извличаме все повече от компютрите, които създаваме. И това ще зависи от работата на изследователи като Чоу и неговите колеги, които се трудят в лаборатории без прозорци, за да постигнат революционно ново развитие около някои от най-трудните проблеми в компютърното инженерство – и по пътя се опитват да изградят бъдещето.

Версия на тази история първоначално беше публикувана в бюлетина Future Perfect. Регистрирайте се тук, за да се абонирате!