Introducere în calculul cuantic
Obiective de învățare
La sfârșitul acestui modul, vei înțelege mai bine:
- Argumentul de business pentru calculul cuantic
- Repere și descoperiri în calculul cuantic de-a lungul timpului
O nouă modalitate de a aborda probleme complexe
Calculatoarele cuantice, deși odată reprezentau experimente mari de laborator, sunt acum resurse de calcul disponibile comercial în cloud, capabile să efectueze calcule care nu pot fi simulate exact pe calculatoarele clasice. Întreprinderile investighează din ce în ce mai mult modul în care calculul cuantic ar putea influența industria lor. Acest training îți va prezenta calculul cuantic și potențiala sa valoare pentru business. În plus, acest training te va pregăti să răspunzi la întrebări pe măsură ce îți începi călătoria în calculul cuantic. IBM Quantum® oferă multe resurse pentru a începe să înveți despre calculul cuantic, indiferent de rolul tău în organizație.
Ce probleme ar putea rezolva calculul cuantic?
Calculul cuantic valorifică legile mecanicii cuantice pentru a rezolva probleme matematice complexe. Când oamenii de știință și inginerii se confruntă cu probleme dificile, apelează de obicei la supercalculatoare — calculatoare clasice mari, cu mii de unități centrale de procesare (CPU) și unități de procesare grafică (GPU). Cu toate acestea, deși supercalculatoarele clasice sunt foarte bune la rezolvarea anumitor tipuri de probleme, au dificultăți cu problemele care implică multe variabile ce interacționează în moduri complicate. Tehnologia cuantică ne-ar putea ajuta să depășim aceste bariere ale complexității pentru a aborda probleme importante în industrii din întreaga lume.
Să începem prin a viziona acest videoclip despre tipurile de probleme pe care le pot rezolva calculatoarele cuantice, prezentat de Katie Pizzolato, Director al IBM Quantum Theory and Computational Science la IBM Quantum.
Unele domenii considerate deosebit de promițătoare pentru aplicațiile de calcul cuantic includ:
- Simulare - Simularea sistemelor fizice sau chimice care sunt deja cuantice în natură.
- Optimizare - Găsirea soluțiilor optime la probleme complexe, formulate de obicei ca probleme de minimizare.
- Date cu structură complexă - Folosirea calculului cuantic pentru a explora noi modele în machine learning și știința datelor.
Argumentul de business pentru calculul cuantic
Deși calculul cuantic nu va înlocui calculatoarele convenționale, reprezintă o nouă paradigmă de calcul. Un raport recent al IBM® Institute for Business Value, The Quantum Decade, prezintă principalii factori determinanți pentru această nouă generație de calcul. Ia în considerare aceste aspecte atunci când evaluezi calculul cuantic pentru business-ul tău:
Priorități globale – Pe măsură ce industrii întregi se confruntă cu o incertitudine tot mai mare, modelele de business devin mai sensibile la noile tehnologii și mai dependente de acestea.
Viitorul calculului – Integrarea calculului cuantic, a inteligenței artificiale și a calculului clasic în fluxuri de lucru hibride multi-cloud va conduce la cea mai semnificativă revoluție în calcul din ultimii 60 de ani.
Întreprinderea orientată spre descoperire – Întreprinderile vor evolua de la analiza datelor la descoperirea de noi modalități de a rezolva probleme.
Presiunea crescândă de a rezolva probleme exponențiale – Exemplele includ descoperirea de noi materiale, dezvoltarea de medicamente pentru a combate boli emergente și restructurarea lanțurilor de aprovizionare pentru reziliență.
Tehnologia cuantică la un punct de inflexiune – Odată cu scalarea rapidă a hardware-ului și a qubiților, niciodată nu a fost mai important ca experții din domeniu să participe la descoperirea algoritmilor. Circuitele vor crește în calitate, capacitate și varietate pe măsură ce apar noi algoritmi.
Scalarea ecosistemului cuantic – Inovația deschisă favorizează învățarea colaborativă. Practicienii și oamenii de știință trebuie să fie instruiți pentru a aplica calculul cuantic la probleme din lumea reală, în timp ce fizicienii și inginerii pot crea hardware și software informați de expertiza specifică domeniului.
Verifică-ți înțelegerea
Citește întrebarea de mai jos, gândește-te la răspuns, apoi apasă pe triunghi pentru a dezvălui soluția.
Adevărat sau fals: Calculatoarele cuantice vor înlocui calculatoarele clasice în viitor.
Fals. Calculatoarele cuantice plus cele clasice ar putea depăși în curând utilizarea calculatoarelor clasice singure într-o sarcină importantă. Integrarea calculului cuantic, a inteligenței artificiale și a calculului clasic în fluxuri de lucru hibride multi-cloud va conduce la cea mai semnificativă revoluție în calcul. Numim această viziune a calculului cuantic conectat cu cel clasic „supercalcul centrat pe cuantic".
Fotografie a unui model de IBM Quantum System One, instalat la Shin-Kawasaki pentru Universitatea din Tokyo. (Credit: Satoshi Kawase pentru IBM)
Clase potențiale de probleme pentru calculul cuantic
Pentru mai multe detalii despre clasele de complexitate computațională pe care Victoria le-a prezentat în videoclipul de mai sus, consultă acest articol. Acolo vei afla mai multe despre o listă teoretică de probleme pe care un calculator cuantic le poate rezolva cu ușurință, numită BQP — timp polinomial cuantic cu eroare limitată.
Drumul de la știință la sisteme
Ceea ce face calculul cuantic extraordinar este capacitatea sa de a rezolva problemele de nerezolvat de astăzi, oferind în cele din urmă valoare de afaceri. Calculul cuantic poate explora aceste probleme deoarece se bazează pe mecanica cuantică, care este cea mai profundă explicație a realității disponibilă. Calculul cuantic exploatează fenomenele mecanicii cuantice pentru a procesa informații.
Deși unii ar putea considera calculul cuantic un domeniu inovator aflat la începutul ciclului său de viață, realitatea este că teoria care stă la baza calculului cuantic a evoluat cel puțin din anii 1970. Este important să recunoaștem unele dintre etapele și descoperirile cheie de-a lungul timpului, deoarece ceea ce anterior se măsura în centimetri de progres a avansat rapid de la știință la sisteme.
| 1970 | Charles H. Bennett ar putea fi prima persoană care a scris expresia „teoria informației cuantice" pe 24 februarie 1970, în timp ce lucra ca cercetător la IBM. Nota sa a fost un semn premergător al muncii extraordinare a multor alții care a urmat, conducând lumea pe calea spre avantajul cuantic. |
| 1981 | Richard Feynman, un renumit fizician teoretician, a identificat potențialul calculatoarelor cuantice încă din 1981. La prima Conferință privind Fizica Computației, organizată de IBM și Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT), a încheiat în mod memorabil discursul său principal cu afirmația „[...] natura nu e clasică, la naiba, și dacă vrei să faci o simulare a naturii, mai bine fă-o mecanică cuantică, și, la dracu, e o problemă minunată, pentru că nu pare chiar ușoară." [1] |
| 1994 | În 1994, Peter Shor, un matematician de la AT&T Bell Labs din New Jersey la acea vreme, a demonstrat că un calculator cuantic complet funcțional poate face ceva remarcabil: putea sparge criptarea RSA, un mijloc popular de securizare a comunicațiilor private. El a arătat că algoritmul său cuantic putea face în câteva minute ceea ce ar putea lua unui calculator obișnuit toată durata de viață a universului pentru a dezlega. 2 |
| 1996 | Un an mai târziu, Lov Grover, tot un om de știință de la Bell Labs, a conceput un algoritm cuantic care le-ar permite oamenilor să caute rapid în baze de date nestructurate. Oamenii de știință au invadat domeniul, iar progresele în hardware au urmat în curând descoperirile din cod. [2] |
| 1998 | Prima demonstrație experimentală a unui algoritm cuantic a fost realizată în 1998. Un calculator cuantic funcțional cu rezonanță magnetică nucleară (NMR) de 2 qubiți a fost utilizat pentru a rezolva problema lui Deutsch de către Jonathan A. Jones și Michele Mosca la Universitatea Oxford și la scurt timp după de Isaac L. Chuang la Centrul de Cercetare IBM Almaden și Mark Kubinec la Universitatea din California, Berkeley, împreună cu colaboratori de la Universitatea Stanford și MIT. [3] |
| 2001 | În 2001 a avut loc prima execuție a algoritmului lui Shor la Centrul de Cercetare IBM Almaden și Universitatea Stanford. Numărul 15 a fost factorizat folosind 1018 molecule identice, fiecare conținând șapte spin-uri nucleare active. [4] |
| 2005 | Până la mijlocul anilor 2000, domeniul de cercetare dezvoltase mai multe tipuri de qubiți superconductori, fiecare cu avantajele și dezavantajele sale. În 2007, o echipă de la Yale a găsit o modalitate de a combina unele dintre aceste abordări pentru a depăși limitele individuale, numind noul design „qubit transmon". Qubit-ul transmon a ajuns să fie în centrul eforturilor multor companii de a dezvolta calculatoare cuantice, inclusiv IBM Quantum, Google AI și Rigetti Computing. Un membru al echipei Yale, Jay Gambetta, a devenit ulterior Vicepreședinte al Calculului Cuantic pentru IBM Research. |
Schema calculatorului cuantic superconductor IBM cu patru qubiți anunțat în 2015. (Credit: IBM Research)
| 2016 | În mai 2016, IBM a fost prima companie care a lansat un serviciu de calcul cuantic în cloud care includea calculatoare cuantice reale, numit IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer pe o tabletă la IBM Research (Credit: Connie Zhou pentru IBM)
| 2017 | În martie 2017, IBM a lansat Qiskit, un framework open-source pentru programare cuantică. [6] În decembrie 2017, a fost lansat IBM Quantum Network pentru a stabili un ecosistem comercial al calculului cuantic. |
| 2019 | IBM a deschis Centrul de Calcul Cuantic din New York, aducând online cea mai mare flotă de calculatoare cuantice din lume. |
Centrul de date IBM Quantum din Poughkeepsie, NY. (Credit: James O'Connor, IBM)
| 2020 | În septembrie 2020, IBM a lansat o foaie de parcurs pentru dezvoltare, pentru a trece de la calculatoarele cuantice zgomotoase și de mică scară ale zilei la calculatoarele cuantice cu milioane sau mai mulți qubiți din viitor. Foaia de parcurs trasează cursul pentru atingerea unui jalon de 1.121 qubiți al calculatorului cuantic în anul 2023, 1.386+ qubiți în 2024 și peste 4.000 de qubiți în 2025. |
| 2021 | În primăvara anului 2021, IBM a anunțat lansarea Qiskit Runtime, un mediu de execuție containerizat pentru programe cuantice-clasice care a eliminat unele dintre cele mai mari blocaje ale performanței de lucru. [7] În noiembrie 2021, IBM a atins un jalon important în calculul cuantic când a depășit bariera procesorului de 100 de qubiți cu Eagle, un procesor cuantic de 127 de qubiți. [9] |
| 2022 | În aprilie 2022, IBM a lansat primitivele Qiskit Runtime, simplificând experiența de dezvoltare și permițând utilizatorilor să obțină rezultate mai semnificative din calculatoarele cuantice. [10] În mai 2022, IBM a lansat o foaie de parcurs actualizată care anticipează o eră viitoare a supercalculului centrat pe cuantică, în care modularitatea și tehnicile de comunicare diverse vor crește capacitatea computațională. [11] În noiembrie 2022, IBM și-a prezentat procesorul IBM Quantum Osprey de 433 de qubiți — cel mai mare de până atunci folosind qubiți superconductori. [12] În aceeași lună, IBM a lansat și Dynamic Circuits — circuite computaționale care folosesc resurse cuantice și clasice pentru a permite măsurători mid-circuit și operații feed-forward [13] — și a anunțat noi opțiuni de nivel de reziliență pentru primitivele Qiskit Runtime, care le permit utilizatorilor să experimenteze cu instrumente de suprimare și atenuare a erorilor. [14] IBM face pași spre realizarea supercalculului centrat pe cuantică prin lansarea de middleware avansat, inclusiv Circuit Knitting Toolbox, în 2025. |
Dezvăluit în 2022 la Summit-ul IBM Quantum, procesorul IBM Quantum Osprey dispune de 433 de qubiți. (Credit: Connie Zhou pentru IBM)
| 2023 | Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance este o lucrare prezentată pe coperta revistei Nature în iunie 2023, o colaborare între IBM și UC Berkeley. Simulări fizice complexe au fost realizate de oameni de știință cu IBM Quantum pe procesorul IBM Quantum Eagle de 127 de qubiți. Simulările au fost rulate simultan folosind metode clasice de aproximare de ultimă generație pe supercalculatoare de la Lawrence Berkeley National Lab și Universitatea Purdue. Eagle a oferit răspunsuri mai precise decât metodele clasice de aproximare, chiar și în regimul dincolo de capacitățile metodelor brute. |
Articolul de copertă al revistei Nature despre utilitatea cuantică, publicat pe 14 iunie 2023
| 2023 | În 2023, IBM a anunțat cipul nostru Heron, cu numele de cod montecarlo. Inițial cu 133 de qubiți și actualizat la 156 de qubiți în 2024, Heron încorporează o nouă arhitectură de cuplaj acordabil. Heron prezintă îmbunătățiri semnificative față de cel mai bun procesor Eagle, având o rată a erorilor de gate la jumătate, practic zero crosstalk și timpi de gate semnificativ îmbunătățiți. Heron valorifică inovații substanțiale în livrarea semnalelor care au fost implementate anterior în Osprey. Semnalele necesare pentru a permite controlul rapid și de înaltă fidelitate al qubiților cu două și un singur qubit sunt livrate cu cabluri flex de înaltă densitate. |
Dezvăluit în 2023 la IBM Quantum Summit, procesorul IBM Quantum Heron prezintă îmbunătățiri substanțiale față de procesoarele Eagle.
Nu este ușor de prezis exact când calculul cuantic va putea depăși metodele utilizate astăzi. Totuși, pentru a fi în frunte în era calculului cuantic care se apropie rapid și pentru a aborda probleme complexe, companiile și organizațiile de cercetare trebuie să înceapă să se pregătească acum. Din cauza curbei abrupte de învățare, un start timpuriu în învățare și experimentare poate reprezenta un avantaj competitiv. Pregătirea pentru calculul cuantic este o stare în continuă evoluție, care depinde de abordarea și de investițiile unei organizații în inovație, de noile talente și competențe, și de maturitatea digitală generală. Pregătirea include adoptarea tehnologiilor facilitatoare, cum ar fi automatizarea, AI și hybrid multi-cloud; disponibilitatea de a analiza, experimenta și itera cu capacități de calcul în expansiune; sofisticarea fluxurilor de lucru; și setul de competențe organizaționale.
Verifică-ți înțelegerea
Citește întrebarea de mai jos, gândește-te la răspunsul tău, apoi apasă pe triunghi pentru a dezvălui soluția.
Adevărat sau fals: Calculul cuantic a fost conceptualizat pentru prima dată în anii 1990.
Fals. Deși primul calculator cuantic experimental a fost creat în 1998, potențialul calculului cuantic a fost identificat de Richard Feynman încă din 1981.
Concluzii cheie
Poți reține aceste concluzii cheie:
- Calculul cuantic reprezintă o nouă paradigmă de calcul care poate funcționa în unison cu calculatoarele convenționale.
- Ne va permite să înțelegem lumea în mod diferit și să rezolvăm unele probleme care anterior erau de nerezolvat.
- Deși calculul cuantic nu poate depăși încă metodele utilizate astăzi, organizațiile pot lua măsuri acum pentru a se pregăti pentru această schimbare fundamentală în calcul.
Surse
[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.