Вступ до квантових обчислень
Цілі навчання
Після завершення цього модуля ти краще розумітимеш:
- Бізнес-обґрунтування квантових обчислень
- Ключові етапи та досягнення у розвитку квантових обчислень
Новий підхід до складних задач
Квантові комп'ютери, колись доступні лише як великі лабораторні установки, сьогодні стали хмарними обчислювальними ресурсами, здатними виконувати розрахунки, які неможливо точно змоделювати на класичних комп'ютерах. Підприємства дедалі активніше досліджують, як квантові обчислення можуть вплинути на їхню галузь. Це навчання познайомить тебе з квантовими обчисленнями та їхнім потенційним бізнес-значенням. Крім того, ти отримаєш інструменти для відповіді на запитання, що виникатимуть на початку твого квантового шляху. IBM Quantum® пропонує численні ресурси для вивчення квантових обчислень незалежно від твоєї ролі в організації.
Які задачі можуть вирішувати квантові обчислення?
Квантові обчислення використовують закони квантової механіки для розв'язання складних математичних задач. Коли вченим і інженерам доводиться вирішувати важкі проблеми, вони зазвичай звертаються до суперкомп'ютерів — великих класичних комп'ютерів з тисячами центральних і графічних процесорів. Однак, попри чудові результати у розв'язанні певних типів задач, класичні суперкомп'ютери мають труднощі з проблемами, де безліч змінних взаємодіють складним чином. Квантові технології можуть допомогти подолати ці бар'єри складності й вирішити важливі задачі в р ізних галузях по всьому світу.
Давай подивимося відео про типи задач, які можуть вирішувати квантові комп'ютери, представлене Кеті Піццолато, директором IBM Quantum Theory and Computational Science.
Серед особливо перспективних напрямків для квантових обчислень виділяють:
- Симуляція — моделювання фізичних або хімічних систем, які вже за своєю природою є квантовими.
- Оптимізація — пошук оптимальних рішень для складних задач, що зазвичай формулюються як задачі мінімізації.
- Дані зі складною структурою — використання квантових обчислень для дослідження нових моделей у машинному навчанні та науці про дані.
Бізнес-обґрунтування квантових обчислень
Хоча квантові обчислення не замінять звичайні комп'ютери, вони являють собою нову обчислювальну парадигму. У нещодавньому звіті IBM® Institute for Business Value The Quantum Decade визначено основні рушії цього нового покоління обчислень. Розглянь такі аспекти при оцінці квантових технологій для свого бізнесу:
Глобальні пріоритети — В умовах зростаючої невизначеності, з якою стикаються цілі галузі, бізнес-моделі стають дедалі більш залежними від нових технологій.
Майбутнє обчислень — Інтеграція квантових обчислень, ШІ та класичних обчислень у гібридні мультихмарні робочі процеси стане рушієм найзначнішої обчислювальної революції за 60 років.
Підприємство, кероване відкриттями — Підприємства еволюціонуватимуть від аналізу даних до відкриття нових способів вирішення проблем.
Зростаючий тиск для розв'язання експоненційних задач — Прикладами є розробка нових матеріалів, створення ліків проти нових хвороб і реінжиніринг ланцюжків постачання.
Квантові технології на переломному моменті — З огляду на стрімке масштабування апаратного забезпечення і кубітів, для доменних експертів як ніколи важливо брати участь у відкрит ті алгоритмів. Схеми зростатимуть у якості, ємності та різноманітності в міру появи нових алгоритмів.
Масштабування квантової екосистеми — Відкриті інновації сприяють колаборативному навчанню. Практиків і вчених потрібно навчати застосовувати квантові обчислення до реальних задач, тоді як фізики та інженери можуть розробляти апаратне і програмне забезпечення на основі доменної експертизи.
Перевір своє розуміння
Прочитай питання, подумай над відповіддю, а потім натисни трикутник, щоб побачити рішення.
Правда чи хиба: квантові комп'ютери в майбутньому замінять класичні.
Хиба. Квантові та класичні комп'ютери разом незабаром зможуть перевершити використання лише класичних комп'ютерів у значущих задачах. Саме інтеграція квантових обчислень, ШІ та класичних обчислень у гібридні мультихмарні робочі процеси ст ане рушієм найзначнішої обчислювальної революції. Ми називаємо цю концепцію поєднаних квантових і класичних обчислень квантово-орієнтованими суперобчисленнями.
Фото моделі IBM Quantum System One, встановленої в Сін-Кавасакі для Університету Токіо. (Авт.: Satoshi Kawase для IBM)
Потенційні класи задач для квантових обчислень
Детальніше про класи обчислювальної складності, які розглянула Вікторія у відео, читай у цій статті. Там ти дізнаєшся більше про теоретичний список задач, що легко розв'язуються квантовим комп'ютером, — так звані BQP (bounded-error quantum polynomial time).
Шлях від науки до систем
Унікальність квантових обчислень полягає в їхній здатності вирішувати сьогоднішні нерозв'язні задачі і в кінцевому рахунку створювати бізнес-цінність. Квантові обчислення здатні досліджувати ці задачі, оскільки засновані на квантовій механіці — найглибшому поясненні реальності, доступному нам. Квантові обчислення використовують квантово-механічні явища для обробки інформації.
Хоча деякі можуть вважати квантові обчислення інноваційною сферою на початку свого життєвого циклу, насправді теорія, що лежить в їх основі, розвивається принаймні з 1970-х років. Важливо відзначити деякі ключові етапи й досягнення з часом, оскільки те, що раніше вимірювалося дюймами прогресу, стрімко перейшло від науки до реальних систем.
| 1970 | Чарльз Х. Беннетт, мабуть, першим написав фразу «теорія квантової інформації» 24 лютого 1970 року, працюючи дослідником в IBM. Його нотатка стала провісником великої роботи багатьох інших людей, яка повела с віт на шлях до квантової переваги. |
| 1981 | Річард Фейнман, видатний теоретичний фізик, ще у 1981 році визначив потенціал квантових комп'ютерів. На першій Конференції з фізики обчислень, організованій IBM та Массачусетським технологічним інститутом (MIT), він завершив своє програмне виступ словами: «[...] природа не класична, чорт забирай, і якщо ти хочеш змоделювати природу, тобі краще зробити це квантово-механічно, і, їй-Богу, це чудова задача, бо вона не така вже й проста». [1] |
| 1994 | У 1994 році Пітер Шор, математик з AT&T Bell Labs у Нью-Джерсі, довів, що повноцінний квантовий комп'ютер здатен зробити щось разюче: зламати RSA-шифрування — поширений спосіб захисту приватних комунікацій. Він показав, що його квантовий алгоритм зможе за хвилини зробити те, на що у звичайного комп'ютера пішов би вік Всесвіту. 2 |
| 1996 | Роком пізніше Лов Гровер, також учений Bell Labs, розробив квантовий алгоритм для швидкого пошуку в неструктурованих базах даних. Вчені кинулися в цю галузь, а прориви в коді невдовзі стимулювали успіхи в апаратному забезпеченні. [2] |
| 1998 | Перша експериментальна демонстрація квантового алгоритму відбулася у 1998 році. Дволетній квантовий комп'ютер на основі ядерного магнітного резонансу (ЯМР) використали для розв'язання задачі Дойча Джонатан Джонс і Мікеле Моска в Оксфорді, а незабаром після них — Айзек Чуан з IBM Almaden Research Center, Марк Кубінек і Каліфорнійський університет у Берклі, разом із колегами зі Стенфордського університету та MIT. [3] |
| 2001 | У 2001 році в IBM Almaden Research Center і Стенфордському університеті вперше запустили алгоритм Шора. Число 15 було розкладено на множники за допомогою 1018 ідентичних молекул, кожна з яких містила сім активних ядерних спінів. [4] |
| 2005 | До середини 2000-х у дослідній спільноті сформувалося кілька типів надпровідних кубітів, кожен зі своїми перевагами та недоліками. У 2007 році команда з Єльського університету знайшла спосіб поєднати деякі з цих підходів, подолавши їхні індивідуальні недоліки, і назвала новий дизайн «трансмонним кубітом». Трансмонний кубіт став основою зусиль багатьох компаній у розробці кванто вих комп'ютерів, зокрема IBM Quantum, Google AI та Rigetti Computing. Один із членів єльської команди, Джей Гамбетта, згодом став віцепрезидентом з квантових обчислень у IBM Research. |
Схема чотирикубітного надпровідного квантового комп'ютера IBM, анонсованого у 2015 році. (Авт.: IBM Research)
| 2016 | У травні 2016 року IBM стала першою компанією, яка запустила хмарний сервіс квантових обчислень з реальними квантовими комп'ютерами — IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer на планшеті в IBM Research. (Авт.: Connie Zhou для IBM)
| 2017 | У березні 2017 року IBM випустила Qiskit — фреймворк для квантового програмування з відкритим вихідним кодом. [6] У грудні 2017 року було запущено IBM Quantum Network для формування комерційної екосистеми квантових обчислень. |
| 2019 | IBM відкрила Центр квантових обчислень у Нью-Йорку, ввівши в онлайн найбільший у світі парк квантових комп'ютерів. |
Дата-центр IBM Quantum у Покіпсі, штат Нью-Йорк. (Авт.: James O'Connor, IBM)
| 2020 | У вересні 2020 року IBM опублікувала дорожню карту розвитку — від шумних малих квантових комп'ютерів того часу до квантових комп'ютерів майбутнього з мільйонами кубітів. Дорожня карта включала досягнення рубежу в 1 121 кубіт у 2023 році, 1 386+ кубітів у 2024 році та понад 4 000 кубітів у 2025 році. |
| 2021 | Навесні 2021 року IBM анонсувала Qiskit Runtime — контейнеризоване середовище виконання для квантово-класичних програм, що усунуло деякі з найбільших вузьких місць у продуктивності робочих навантажень. [7] У листопаді 2021 року IBM досягла важливого рубежу в квантових обчисленнях, подолавши бар'єр у 100 к убітів завдяки Eagle — квантовому процесору на 127 кубітів. [9] |
| 2022 | У квітні 2022 року IBM запустила примітиви Qiskit Runtime, спростивши розробницький досвід і дозволивши отримувати більш значущі результати від квантових комп'ютерів. [10] У травні 2022 року IBM оновила дорожню карту, передбачивши майбутню еру квантово-орієнтованих суперобчислень із модульністю та різноманітними методами зв'язку. [11] У листопаді 2022 року IBM представила свій 433-кубітний процесор IBM Quantum Osprey — найбільший на той час серед надпровідних кубітів. [12] Того ж місяця IBM запустила Dynamic Circuits — обчислювальні схеми, що поєднують квантові й класичні ресурси для вимірювань посередині схеми та операцій прямого зворотного зв'язку [13] — і анонсувала нові рівні стійкості для примітивів Qiskit Runtime. [14] IBM рухається до реалізації квантово-орієнтованих суперобчислень, випускаючи передове проміжне програмне забезпечення, зокрема Circuit Knitting Toolbox, у 2025 році. |
Представлений у 2022 році на IBM Quantum Summit процесор IBM Quantum Osprey містить 433 кубіти. (Авт.: Connie Zhou для IBM)
| 2023 | Стаття Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance, опублікована на обкладинці журналу Nature у червні 2023 року, — результат співпраці IBM та UC Berkeley. Вчені IBM Quantum провели складні фізичні симуляції на 127-кубітному процесорі IBM Quantum Eagle. Одночасно ці ж симуляції виконувалися за допомогою найсучасніших класичних методів апроксимації на суперкомп'ютерах Lawrence Berkeley National Lab і Purdue University. Результати Eagle виявилися точнішими, ніж класичні апроксимаційні методи, навіть за межами можливостей прямолінійних алгоритмів. |
Обкладинка Nature зі статтею про квантовий утиліт, опублікована 14 червня 2023 року
| 2023 | У 2023 році IBM анонсувала чіп Heron із кодовою назвою montecarlo. Спочатку він мав 133 кубіти, а у 2024 році — 156 кубітів; в основі Heron лежить нова архітектура настроюваного з'єднувача. Heron демонструє суттєве покращення порівняно з найкращим процесором Eagle: удвічі менший рівень похибки вентилів, практично нуль перехресних завад і значно покращений час вентилів. Heron використовує важливі інновації в передачі сигналів, які раніше були впроваджені в Osprey. Сигнали, необхідні для швидкого і точного керування дво- та однокубітними операціями, передаються за допомогою гнучких кабелів підвищеної щільності. |
Представлений у 2023 році на IBM Quantum Summit процесор IBM Quantum Heron демонструє суттєве покращення порівняно з процесорами Eagle.
Передбачити точний момент, коли квантові обчислення зможуть перевершити сучасні методи, непросто. Однак, щоб очолити стрімке наближення квантових обчислень і вирішувати складні задачі, бізнесу та науковим організаціям потрібно починати готуватися вже зараз. Через крутизну кривої навчання ранній старт у навчанні та експериментах може стати конкурентною перевагою. Квантова готовність — це безперервно змінюваний стан, що залежить від підходу організації до інновацій та інвестицій у них, нових талантів і навичок, а також загальної цифрової зрілості.
Перевір своє розуміння
Прочитай питання, подумай над відповіддю, а потім натисни трикутник, щоб побачити рішення.
Правда чи хиба: концепцію квантових обчислень вперше сформулювали у 1990-х роках.
Хиба. Хоча перший експериментальний квантовий комп'ютер був створений у 1998 році, потенціал квантових обчислень визначив Річард Фейнман ще у 1981 році.
Ключові висновки
Зверни увагу на такі ключові висновки:
- Квантові обчислення являють собою нову обчислювальну парадигму, здатну працювати в унісон із звичайними комп'ютерами.
- Вони дозволять нам по-новому розуміти наш світ і вирішувати деякі раніше нерозв'язні задачі.
- Хоча квантові обчислення ще не здатні перевершити сучасні методи, організації вже сьогодні можуть робити кроки для підготовки до цієї фундаментальної зміни в обчисленнях.
Джерела
[1] Richard P. Feynman, "Simulating Physics with Computers," International Journal of Theoretical Physics 21, nos. 6–7 (1982): 467–488.
[2] Robert Hackett, "Business Bets on a Quantum Leap," Fortune, May 21, 2019.
[3] Isaac L. Chuang, Neil Gershenfeld, and Mark Kubinec, "Experimental Implementation of Fast Quantum Searching," Physical Review Letters 80, no. 15 (1998): 3408–3411.
[4] Lieven M. K. Vandersypen et al., "Experimental Realization of Shor's Quantum Factoring Algorithm Using Nuclear Magnetic Resonance," NATURE 414 (2001): 883–887.
[5] qiskit log, GitHub repository.
[6] Jay Gambetta, "IBM's Roadmap for Scaling Quantum Technology," IBM Research Blog, September 15, 2020.
[7] Ismael Faro and Blake Johnson, "IBM Quantum Delivers 120x Speedup of Quantum Workloads with Qiskit Runtime," IBM Research Blog, May 11, 2021.
[8] Matthew Treinish, Ali Javadi-Abhari, and Stefan Wörner, "New Qiskit Design: Introducing Qiskit Application Modules," IBM Research Blog, April 6, 2021.
[9] Jerry Chow, Oliver Dial, and Jay Gambetta, "IBM Quantum Breaks the 100-Qubit Processor Barrier," IBM Research Blog, November 16, 2021.
[10] Blake Johnson and Gilah Ben-Shach, "Qiskit Runtime Primitives Make Algorithm Development Easier Than Ever," IBM Research Blog, April 12, 2022.
[11] Jay Gambetta, "Expanding the IBM Quantum Roadmap to Anticipate the Future of Quantum-centric Supercomputing," IBM Research Blog, May 10, 2022.
[12] Jay Gambetta, "Quantum-centric Supercomputing: The Next Wave of Computing," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[13] Blake Johnson, "Bringing the Full Power of Dynamic Circuits to Qiskit Runtime," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[14] Blake Johnson, Tushar Mittal, and Jeannette Garcia, "Introducing New Qiskit Runtime Capabilities — and How Our Clients Are Integrating Them into Their Use Cases," IBM Research Blog, November 9, 2022.