Masa depan dengan komputer kuantum hampir tiba - tetapi apakah kita siap untuk itu?

Ketika mendekati waktu peralatan baru yang bermanfaat, faktor manusia dalam komputasi menjadi kritis

Masa depan komputasi adalah tangki logam besar? Saya akan kecewa jika ternyata di dalamnya hanya duduk lelaki dengan laptop dan google.

Yorktown Heights, New York. Saya berada di ruangan di mana salah satu opsi untuk komputasi masa depan berada. Komputer itu sendiri tidak membuat banyak kesan, dan terlihat seperti tangki logam yang tergantung di langit-langit. Kebisingan membuat kesan - ketukan logam periodik yang berlaku di ruangan. Ini adalah suara dari sistem pendingin, membawa peralatan ke suhu mendekati nol absolut. Dan tidak ada chip biasa yang didinginkan di sana - ini adalah pendekatan IBM terhadap komputasi kuantum.

Pada 2016, IBM membuat pengumuman sensasional mengundang publik untuk mencoba versi awal komputer kuantumnya, yang hanya berisi lima qubit - ini terlalu sedikit untuk komputasi serius, tetapi cukup bagi orang untuk mendapatkan pengalaman pemrograman nyata dengan teknologi baru. Teknologi ini berkembang pesat, dan IBM memasang lebih banyak tangki di ruang komputer kuantumnya dan menambahkan proses baru sesuai kebutuhan. Perusahaan telah memperluas proyek menjadi 20 qubit, dan optimis mengumumkan bahwa mereka sedang mempersiapkan versi dengan 50 qubit.


Seperti banyak komputer awal perusahaan, komputer kuantum baru IBM terlampir dalam wadah berwarna krem

Ketika kami baru-baru ini mengunjungi pusat penelitian. Thomas Watson, peneliti perusahaan, lebih berhati-hati dalam pernyataan mereka, menekankan bahwa mereka tidak membuat janji, dan bahwa komputer 50-qubit hanyalah tonggak lain dalam perjalanan menuju masa depan komputer kuantum. Tetapi mereka meyakinkan kami bahwa IBM dijamin untuk berpartisipasi di masa depan ini, khususnya karena kekhasan ekosistem yang diciptakan perusahaan di sekitar upaya pertamanya.

Blok bangunan chip

Untuk membuat qubit, IBM menggunakan kabel superkonduktor yang terhubung ke resonator, yang dipasang pada substrat silikon. Kabel dan substrat memungkinkan perusahaan untuk menggunakan semua pengalaman yang diperoleh dalam membuat sirkuit elektronik, tetapi dalam hal ini kawat adalah campuran niobium dengan aluminium, yang memungkinkannya menjadi superkonduktor pada suhu yang sangat rendah. Jerry Chau, yang menunjukkan kepada kami ruang inspeksi peralatan, mengatakan perusahaan masih bereksperimen dengan detail di bidang peningkatan kualitas qubit, dan sedang menguji berbagai formula dan geometri.

Resonator sensitif terhadap frekuensi gelombang mikro, yang memungkinkan Anda untuk menetapkan atau membaca nilai qubit menggunakan pulsa gelombang mikro. Setiap chip memiliki elemen optik yang menerima gelombang mikro pada input dan mengarahkannya ke qubit individu. Gelombang mikro saja tidak menonjol, sehingga entri data diatur menggunakan komponen yang sudah ada dan sudah dibuat sebelumnya. Satu-satunya kesulitan adalah mentransfer data input ke chip yang terbenam dalam tangki helium cair. Peralatan yang dirancang untuk ini seharusnya tidak hanya tahan suhu yang sangat rendah, tetapi juga bertahan dengan memanaskan kembali ke suhu kamar. Meski, begitu dingin, peralatan itu mampu bekerja tanpa henti tanpa perlu penggantian.


Bagian dari sistem pendingin yang terkandung dalam tangki. Helium cair memungkinkan Anda menurunkan suhu hingga mendekati nol mutlak

Komputasi kuantum didasarkan pada seluk-beluk qubit. Chow memberi tahu kami bahwa untuk membingungkan dua qubit, Anda dapat mengandalkan fakta bahwa mereka memiliki frekuensi resonansi yang sedikit berbeda. Jika kita mengatasi setiap anggota sepasang qubit menggunakan frekuensi resonansi pasangannya, maka mereka dapat menjadi bingung. Kemudian set pasangan dapat dilibatkan dalam sistem urutan yang lebih tinggi. Koherensi qubit dipertahankan selama 100 μs, tetapi beberapa qubit dapat dikacaukan selama 10 ns. Chow mengatakan bahwa sekarang dibutuhkan beberapa mikrodetik untuk melibatkan chip, yang memberi cukup waktu untuk mempersiapkan seluruh sistem dan melakukan perhitungan.

Jadi jika semuanya sangat sederhana, mengapa kita masih tidak memiliki chip 50-qubit?


Kontrol pendinginan eksternal - tetapi bukan komputer kuantum

Masalahnya adalah qubit sangat sensitif terhadap noise eksternal. Mungkin ada suara bising di luar perangkat (meskipun tangki logam membantu melindungi chip). Ini dapat berupa gangguan internal - sistem pendingin, kabel microwave, komponen chip itu sendiri - semua ini dapat berinteraksi dengan qubit. Dan interaksi apa pun adalah bencana bagi perhitungan.

Ini berarti bahwa setiap perubahan dalam arsitektur chip, bahkan penambahan qubit tunggal, berpotensi dapat mengubah frekuensi dan jenis kesalahan saat melakukan perhitungan. IBM terlibat dalam pemodelan yang ketat, mencoba membatasi masalah-masalah seperti itu pada pembuatan chip, tetapi, dalam arti tertentu, ini adalah proses empiris dan langkah-demi-langkah: Anda perlu menggunakan chip dan melihat apa yang terjadi. "Menambahkan qubit baru akan memungkinkan kita mengidentifikasi sumber kebisingan dan crosstalk," kata Chau.

Ini juga ditunjukkan oleh Sarah Sheldon, salah satu ilmuwan yang bekerja pada sistem gelombang mikro yang mengontrol dan membaca data dari qubit. "Kami memiliki alat yang baik untuk menggambarkan komponen individu, tetapi tidak ada metode yang cocok untuk menggambarkan seluruh perangkat," kata Sheldon. "Ketika kami meningkatkan sistem, kami dihadapkan pada situasi di mana mengendalikan satu qubit dapat menyebabkan kesalahan di tempat lain." Dia kemudian menambahkan: "Kami mendekati batas setelah mana secara klasik perangkat ini tidak dapat lagi disimulasikan - dan bagaimana kemudian mengatakan apakah mereka bekerja dengan benar?"


Dan semua demi itu? Salah satu chip uji komputer kuantum

Superioritas atau volume?

Gagasan komputer kuantum adalah bahwa ia dapat melakukan perhitungan jenis tertentu secara kardinally lebih cepat dari komputer biasa. Dengan menggunakan jumlah qubit yang cukup, komputer kuantum akan mampu mengatasi tugas-tugas yang dibutuhkan komputer tradisional untuk menyelesaikan lebih banyak waktu daripada Semesta yang ada. Ambang, setelah melewati mana komputer kuantum dapat melakukan ini, telah dijuluki "superioritas kuantum." Google, setelah mengumumkan perkembangannya di bidang komputasi kuantum pada Maret 2018, menyebutkan konsep ini.

Secara alami, Google merumuskan konsep keunggulan kuantum dalam hal jumlah kesalahan yang diizinkan (jumlah yang tidak akan kami toleransi dari komputer tradisional). IBM, sebaliknya, mengembangkan qubit koreksi kesalahan. Sayangnya, sistem ini membutuhkan beberapa qubit tambahan. Bob Sator, wakil presiden IBM untuk komputasi kuantum, menyarankan bahwa komputer kuantum dengan beberapa ratus qubit yang mengoreksi kesalahan akan membutuhkan ribuan qubit untuk bekerja.



Ingatlah bahwa perusahaan masih bekerja pada sistem dengan 50 qubit yang tidak terlibat dalam koreksi kesalahan. Dalam waktu dekat, superioritas kuantum tidak mengancam kita.

Alih-alih, IBM menyarankan untuk mulai berpikir dalam hal "volume kuantum," ukuran yang menggabungkan jumlah qubit yang digunakan untuk perhitungan dengan jumlah kesalahan. Volume kuantum akan memungkinkan perbandingan bermakna komputer dari IBM dan mesin-mesin yang dijelaskan Google. Namun, ukuran ini tidak akan memberi tahu kami seberapa bermanfaat masing-masing mesin ini.

Dan, sampai batas tertentu, jawaban atas pertanyaan ini terdengar seperti: "Tergantung." Dalam beberapa kasus, Anda dapat dengan aman menerima kesalahan. Faktorisasi sederhana dari sejumlah besar, misalnya, dapat langsung diperiksa pada komputer klasik. Dalam kasus lain, kesalahan akan membuat hasil perhitungan tidak dapat diandalkan, dan tidak akan ada cara mudah untuk memeriksanya. Oleh karena itu, komputer saat ini agak aneh. "Kita dapat melakukan sesuatu yang perilakunya tidak dapat diprediksi secara klasik dan yang pekerjaannya tidak rawan kesalahan," kata Jay Gambetta, manajer komputasi kuantum dan kelompok studi informasi di IBM. "Kami tidak tahu apa yang bisa dihitung dengan bantuan mereka."

Dia mencatat bahwa banyak algoritma komputer klasik pertama kali dibuat, dan baru kemudian efektivitasnya terbukti. Dalam kasus komputer kuantum, sangat sulit untuk membuktikan sesuatu.

Anda cukup beralih ke statistik: jalankan algoritme beberapa kali (berpotensi menghilangkan sebagian atau semua keuntungan dalam percepatan kuantum) dan mengambil jawaban yang paling sering. IBM memecahkan masalah ini, khususnya, melalui keterlibatan publik, mengundang semua orang untuk mencoba komputernya. Jika mereka berguna untuk sesuatu dalam kondisi saat ini, ada kemungkinan seseorang akan menebaknya.

SDK untuk QC

Bagaimana cara menarik masyarakat untuk bekerja pada mesin yang membutuhkan infrastruktur yang menyediakan pendingin helium cair dan yang tidak dapat menjalankan perangkat lunak yang ada? Bagian dari jawaban untuk pertanyaan tersebut terletak di salah satu dinding ruang komputer, dalam bentuk server yang lebih tradisional berbasis pada mikroprosesor POWER . Server menerima tugas yang dikirim oleh orang yang mendaftar untuk menguji peralatan kuantum. Di antara mereka ada perusahaan keuangan besar, dan siswa yang belajar ilmu komputer.

Tetapi IBM bergantung pada bagian lain dari jawabannya: SDK tingkat tinggi, yang disebutnya QISKit. Seperti dijelaskan oleh pengembang sistem kontrolnya Sarah Sheldon, pulsa gelombang mikro dari sistem ini bergantung pada seperangkat generator, mixer, dan amplifier gelombang acak. Tetapi QISKit memungkinkan pengguna untuk mengabaikan semua detail ini. Hal ini memungkinkan mereka untuk menetapkan keadaan awal qubit individu dan koneksi mereka, dan kemudian perangkat lunak - sesuatu seperti kompiler kuantum - menerjemahkan ini ke dalam satu set pulsa cahaya yang diperlukan untuk sistem untuk bekerja sebagaimana mestinya. "Anda tidak akan pernah mengalami pulsa microwave," janji Jay Gambetta.

Pemrograman berlangsung dengan Python, memungkinkan orang untuk menggunakan keterampilan yang ada.


Sistem pendingin ditutup, dan helium tidak harus diganti

Penyederhanaan akses adalah cara yang pasti untuk mendorong partisipasi pihak ketiga, tetapi keberhasilan perusahaan telah membuat IBM tugas mengelola komunitas. Gambetta menekankan bahwa QISKit dan kompiler pendamping diciptakan untuk mendapatkan sistem kerja. Dia membahas bagaimana membuat sistem lebih modular sehingga dapat mencakup kontribusi dari berbagai pengguna - menurut pendapatnya, tim IBM telah mengumpulkan lebih banyak kontribusi pada kode daripada yang bisa ditangani. Dia juga menyebutkan bahwa dia ingin mulai mengumpulkan sesuatu seperti pustaka kode, mencatat bahwa hal-hal seperti mengimplementasikan transformasi Fourier yang cepat telah menunjukkan nilai mereka dalam memecahkan sejumlah besar masalah.

Dan sementara IBM mendorong upaya semacam itu, Gambetta juga berharap bahwa orang secara alami akan membangkitkan minat pada topik ini. Sejak lahir, komputasi kuantum sebagian besar telah berada di bidang fisika. Ilmuwan komputer tidak melihat alasan untuk melakukan ini, karena peralatan itu tidak bisa memberikan perhitungan. Situasinya mulai berubah, dan kontribusi ilmuwan komputer mungkin sangat penting untuk pengembangan bidang ini, karena, seperti yang dijelaskan Gambetta, "mereka memikirkan masalah secara berbeda, tidak seperti kita para fisikawan."

Dia juga optimis tentang penggunaan peralatan IBM dalam kursus ilmu komputer. Ketika komputasi kuantum menjadi bagian rutin dari mendidik orang, akan lebih mudah bagi mereka untuk berhubungan dengan mereka sebagai instrumen yang berguna untuk serangkaian tugas tertentu. Pada titik ini, komputer kuantum akan menjadi sesuatu seperti GPU atau peralatan khusus lainnya, dalam arti bahwa orang hanya perlu memutuskan apakah akselerasi yang mungkin dari penulisan kode khusus layak dilakukan.

Secara umum, setelah kunjungan, saya mendapat kesan bahwa komputasi kuantum datang ke titik transisi. Bagian dari tur diperlukan untuk melihat peralatan, tetapi mungkin menjadi bagian yang paling tidak menarik dari daerah ini. Dengan pergerakan kemajuan dan penambahan qubit baru, proses akan menjadi perbaikan lambat dan pengujian empiris. Dan peralatan yang tersembunyi di dalam tangki terisolasi yang diisi dengan helium cair bukanlah hal yang paling menarik untuk dilihat.

Seluruh tugas sekarang adalah bagaimana mendapatkan hasil maksimal dari peralatan yang ada, dan bagaimana hal itu dapat digunakan untuk menjamin kesiapan kita untuk meningkatkan kemampuan komputer. Dan pada saat itu, faktor manusia - kumpulan pengalaman dan manajemen masyarakat - menjadi semakin penting.