Úvod do kvantového počítání

Cíle učení

Po dokončení tohoto modulu budeš lépe rozumět:

• Obchodním argumentům pro kvantové počítání

• Milníkům a průlomům v kvantovém počítání v průběhu času

Nový způsob, jak řešit složité problémy

Kvantové počítače, ačkoli byly dříve velkými laboratorními experimenty, jsou dnes komerčně dostupné cloudové výpočetní prostředky schopné provádět výpočty, které nelze přesně simulovat na klasických počítačích. Podniky stále více zkoumají, jak může kvantové počítání ovlivnit jejich odvětví. Toto školení tě seznámí s kvantovým počítáním a jeho potenciální obchodní hodnotou. Navíc tě toto školení vybaví schopností odpovídat na otázky, když začneš svou cestu kvantovým počítáním. IBM Quantum® nabízí mnoho zdrojů, které ti pomohou začít se učit o kvantovém počítání, bez ohledu na tvoji roli v organizaci.

Jaké problémy by mohlo kvantové počítání řešit?

Kvantové počítání využívá zákony kvantové mechaniky k řešení složitých matematických problémů. Když vědci a inženýři narazí na obtížné problémy, obvykle se obrátí na superpočítače – velké klasické počítače s tisíci centrálních procesorů (CPU) a grafických procesorů (GPU). Zatímco klasické superpočítače jsou velmi dobré při řešení určitých typů problémů, mají potíže s problémy, kde mnoho proměnných interaguje složitými způsoby. Kvantové technologie by nám mohly pomoci překonat tyto bariéry složitosti a řešit důležité problémy napříč průmyslovými odvětvími po celém světě.

Začněme sledováním tohoto videa o typech problémů, které mohou kvantové počítače řešit, které presentuje Katie Pizzolato, ředitelka IBM Quantum Theory and Computational Science v IBM Quantum.

Mezi oblasti považované za zvláště slibné pro aplikace kvantového počítání patří:

• Simulace - Simulace fyzikálních nebo chemických systémů, které jsou již ze své podstaty kvantově mechanické.

• Optimalizace - Hledání optimálních řešení složitých problémů, typicky formulovaných jako minimalizační problémy.

• Data se složitou strukturou - Využití kvantového počítání k prozkoumání nových modelů ve strojovém učení a datové vědě.

Obchodní argumenty pro kvantové počítání

Ačkoli kvantové počítání nenahradí konvenční počítače, představuje nové výpočetní paradigma. Nedávná zpráva IBM® Institute for Business Value, The Quantum Decade, nastiňuje hlavní hnací síly této nové generace počítání. Při hodnocení kvantového počítání pro svůj podnik zvaž tyto aspekty:

Globální priority – Protože celá odvětví čelí větší nejistotě, obchodní modely jsou stále citlivější na nové technologie a závislejší na nich.

Budoucnost počítání – Integrace kvantového počítání, umělé inteligence a klasického počítání do hybridních multicloudových pracovních postupů přinese nejvýznamnější výpočetní revoluci za 60 let.

Podnik řízený objevy – Podniky se budou vyvíjet od analýzy dat k objevování nových způsobů řešení problémů.

Rostoucí tlak na řešení exponenciálních problémů – Příklady zahrnují objevování nových materiálů, vývoj léků pro boj s nově vznikajícími nemocemi a přebudování dodavatelských řetězců pro větší odolnost.

Kvantové technologie na přelomovém bodě – Při rychlém škálování hardwaru a Qubitů je nyní důležitější než kdy jindy, aby se odborníci v daném oboru zapojili do objevování algoritmů. Circuits budou narůstat na kvalitě, kapacitě a rozmanitosti, jak budou vznikat nové algoritmy.

Škálování kvantového ekosystému – Otevřené inovace podporují kolaborativní učení. Praktici a vědci musí být vyškoleni, aby aplikovali kvantové počítání na reálné problémy, zatímco fyzici a inženýři mohou vytvářet hardware a software informovaný odbornými znalostmi z konkrétních domén.

Ověř si své porozumění

Přečti si níže uvedenou otázku, zamysli se nad svou odpovědí a poté klikni na trojúhelník, aby se zobrazilo řešení.

Pravda nebo lež: Kvantové počítače v budoucnosti nahradí klasické počítače.

Lež. Kvantové počítače v kombinaci s klasickými počítači by mohly brzy překonat použití samotných klasických počítačů ve smysluplném úkolu. Integrace kvantového počítání, umělé inteligence a klasického počítání do hybridních multicloudových pracovních postupů přinese nejvýznamnější výpočetní revoluci. Tuto vizi propojeného kvantového a klasického počítání nazýváme kvantově orientovaným superpočítáním.

Photo of a model of IBM Quantum System One, as installed at Shin-Kawaski for the University of Tokyo. (Credit: Satoshi Kawase for IBM)

Potenciální třídy problémů pro kvantové počítání

Více podrobností o třídách výpočetní složitosti, které Victoria představila ve videu výše, najdeš v tomto článku. Dozvíš se tam více o teoretickém seznamu problémů, které může kvantový počítač snadno řešit, zvaném BQP — bounded-error quantum polynomial time.

Cesta od vědy k systémům

To, co dělá kvantové počítání mimořádným, je jeho schopnost řešit dnešní neřešitelné problémy a nakonec přinášet obchodní hodnotu. Kvantové počítání může tyto problémy zkoumat, protože je založeno na kvantové mechanice, která je nejhlubším dostupným vysvětlením reality. Kvantové počítání využívá kvantově mechanické jevy ke zpracování informací.

Zatímco někteří mohou považovat kvantové počítání za inovativní oblast na začátku svého životního cyklu, skutečností je, že teorie, na níž je kvantové počítání založeno, se vyvíjí přinejmenším od 70. let 20. století. Je důležité rozpoznat některé klíčové milníky a průlomy v průběhu času, protože to, co bylo dříve měřeno v palcích pokroku, rychle postoupilo od vědy k systémům.

1970	Charles H. Bennett byl možná první, kdo 24. února 1970 napsal frázi „teorie kvantové informace“, když pracoval jako výzkumný pracovník ve společnosti IBM. Jeho poznámka byla předzvěstí obrovského množství práce mnoha dalších lidí, kteří v jeho stopách postupně vedli svět na cestě ke kvantové výhodě.
1981	Richard Feynman, uznávaný teoretický fyzik, rozpoznal potenciál kvantových počítačů už v roce 1981. Na první konferenci o fyzice výpočtů (Conference on the Physics of Computation), kterou organizovaly IBM a Massachusetts Institute of Technology (MIT), proslul tím, že svůj hlavní projev zakončil slovy „[...] příroda není klasická, sakra, a pokud chcete vytvořit simulaci přírody, měli byste ji raději udělat kvantověmechanickou, a proboha je to skvělý problém, protože se to nezdá být tak snadné.“ [1]
1994	V roce 1994 Peter Shor, matematik tehdy působící v AT&T Bell Labs v New Jersey, dokázal, že plně funkční kvantový počítač by dokázal něco pozoruhodného: mohl by prolomit šifrování RSA, oblíbený způsob zabezpečení soukromé komunikace. Ukázal, že jeho kvantový algoritmus dokáže za pár minut to, na co by běžný počítač potřeboval dobu existence vesmíru. 2
1996	O rok později přišel Lov Grover, také vědec z Bell Labs, s kvantovým algoritmem, který umožňuje rychle prohledávat nestrukturované databáze. Do tohoto oboru se vrhli vědci ze všech stran a hardwarový pokrok brzy následoval po průlomech v kódu. [2]
1998	První experimentální demonstrace kvantového algoritmu byla dosažena v roce 1998. Funkční 2qubitový kvantový počítač založený na jaderné magnetické rezonanci (NMR) byl použit k vyřešení Deutschova problému Jonathanem A. Jonesem a Michele Moscou na Oxfordské univerzitě a krátce poté Isaacem L. Chuangem ve výzkumném centru IBM Almaden a Markem Kubinecem na Kalifornské univerzitě v Berkeley, spolu s kolegy ze Stanfordské univerzity a MIT. [3]
2001	V roce 2001 došlo k prvnímu spuštění Shorova algoritmu ve výzkumném centru IBM Almaden a na Stanfordské univerzitě. Číslo 15 bylo rozloženo na součin pomocí 1018 identických molekul, z nichž každá obsahovala sedm aktivních jaderných spinů. [4]
2005	V polovině roku 2000 vyvinula výzkumná obec několik typů supravodivých qubitů, z nichž každý měl své výhody i nevýhody. V roce 2007 tým z Yale našel způsob, jak zkombinovat některé z těchto přístupů, aby překonal jejich individuální nedostatky, a nový design pojmenoval „transmon qubit“. Transmon qubit se později stal jádrem úsilí mnoha společností vyvíjet kvantové počítače, včetně IBM Quantum, Google AI a Rigetti Computing. Člen týmu z Yale, Jay Gambetta, se později stal viceprezidentem pro kvantové výpočty ve výzkumu IBM.

Schéma čtyř-Qubitového supravodivého kvantového počítače IBM oznámeného v roce 2015. (Credit: IBM Research)

2016	V květnu 2016 byla IBM první společností, která spustila cloudovou službu kvantových výpočtů zahrnující skutečné kvantové počítače, nazvanou IBM Quantum Experience. [5]

IBM Quantum Composer na tabletu ve výzkumu IBM (Kredit: Connie Zhou pro IBM)

2017	V březnu 2017 vydala IBM Qiskit, open-source framework pro kvantové programování. [6] V prosinci 2017 byla spuštěna síť IBM Quantum Network s cílem vybudovat komerční ekosystém kvantových výpočtů.
2019	IBM otevřela Quantum Computation Center v New Yorku, čímž zprovoznila největší flotilu kvantových počítačů na světě.

Datové centrum IBM Quantum v Poughkeepsie, NY. (Kredit: James O'Connor, IBM)

2020	V září 2020 zveřejnila IBM vývojový plán, jak přejít od dnešních malých, šumem zatížených kvantových počítačů ke kvantovým počítačům budoucnosti s milionem a více qubity. Plán stanovuje cestu k dosažení milníku 1 121 qubitového kvantového počítače v roce 2023, 1 386+ qubitů v roce 2024 a přes 4 000 qubitů v roce 2025.
2021	Na jaře 2021 IBM oznámila vydání Qiskit Runtime (nyní nazývaného IBM Quantum Compute Service), kontejnerizovaného spouštěcího prostředí pro kvantově-klasické programy, které odstranilo některá z největších úzkých hrdel výkonu úloh. [7] V listopadu 2021 IBM dosáhla významného milníku v kvantových výpočtech, když prolomila hranici 100 qubitového procesoru s procesorem Eagle o 127 qubitech. [9]
2022	V dubnu 2022 spustila IBM primitiva IBM Quantum, čímž zjednodušila vývojářskou zkušenost a umožnila uživatelům získávat smysluplnější výsledky z kvantových počítačů. [10] V květnu 2022 vydala IBM aktualizovaný plán, který předjímá blížící se éru kvantově-centrických superpočítačů, v níž modularita a rozmanité komunikační techniky zvýší výpočetní kapacitu. [11] V listopadu 2022 představila IBM svůj 433qubitový procesor IBM Quantum Osprey — dosud největší při použití supravodivých qubitů. [12] Ve stejném měsíci IBM také spustila Dynamic Circuits — výpočetní obvody využívající kvantové i klasické zdroje umožňující měření uprostřed obvodu a operace se zpětnou vazbou [13] — a oznámila nové možnosti úrovní odolnosti pro primitiva IBM Quantum, které umožňují uživatelům experimentovat s nástroji pro potlačení a zmírnění chyb. [14] IBM podniká kroky k realizaci kvantově-centrických superpočítačů vydáním pokročilého middlewaru včetně Circuit Knitting Toolbox v roce 2025.

Odhalený v roce 2022 na summitu IBM Quantum, procesor IBM Quantum Osprey se pyšní 433 qubity. (Kredit: Connie Zhou pro IBM)

2023

Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance je článek, který se objevil na obálce časopisu Nature v červnu 2023, jde o spolupráci mezi IBM a UC Berkeley. Vědci z IBM Quantum provedli komplexní fyzikální simulace na 127qubitovém procesoru IBM Quantum Eagle. Simulace byly zároveň provedeny pomocí nejmodernějších klasických aproximačních metod na superpočítačích v Lawrence Berkeley National Lab a na Purdue University. Eagle poskytl přesnější odpovědi než klasické aproximační metody, a to i v oblasti přesahující možnosti metod hrubé síly.

Titulní příběh Nature o kvantové užitečnosti publikovaný 14. června 2023

2023

V roce 2023 IBM oznámila svůj čip Heron, s kódovým označením montecarlo. Původně měl 133 qubitů a v roce 2024 byl aktualizován na 156 qubitů, Heron obsahuje novou architekturu s laditelnými vazebníky (tunable coupler). Heron vykazuje výrazná zlepšení oproti nejlepšímu procesoru Eagle, má poloviční chybovost hradel, prakticky nulové přeslechy a výrazně zlepšenou dobu provedení hradel. Heron využívá podstatné inovace v přenosu signálů, které byly dříve nasazeny v Ospreyi. Signály potřebné k umožnění rychlého, vysoce věrného řízení dvouqubitových a jednoqubitových operací jsou přiváděny pomocí vysokohustotního flexibilního kabeláže.

Představen v roce 2023 na summitu IBM Quantum, procesor IBM Quantum Heron vykazuje podstatná zlepšení oproti procesorům Eagle.

Není snadné předpovědět, kdy přesně budou kvantové počítače schopny předčit dnes používané metody. Přesto, aby firmy a výzkumné organizace mohly být na čele rychle se blížícího věku kvantových výpočtů a řešit složité problémy, musí se začít připravovat už teď. Vzhledem ke strmé křivce učení může být brzký začátek s učením a experimentováním konkurenční výhodou. Připravenost na kvantové výpočty je neustále se vyvíjející stav, který závisí na přístupu organizace k inovacím a investicích do nich, stejně jako na nových talentech a dovednostech a celkové digitální vyspělosti. Připravenost zahrnuje přijetí podpůrných technologií, jako je automatizace, AI a hybridní multi-cloud; ochotu analyzovat, experimentovat a iterovat s rostoucími výpočetními možnostmi; propracovanost pracovních postupů; a organizační dovednosti.

Ověř si své znalosti

Přečti si níže uvedenou otázku, zamysli se nad svou odpovědí a poté klikni na trojúhelník, aby se zobrazilo řešení.

Pravda nebo nepravda: Kvantové výpočetnictví bylo poprvé konceptualizováno v 90. letech.

Nepravda. Zatímco první experimentální kvantový počítač byl vytvořen v roce 1998, potenciál kvantového výpočetnictví identifikoval Richard Feynman již v roce 1981.

Klíčová ponaučení

Tato klíčová ponaučení si můžeš zapamatovat:

• Kvantové výpočetnictví představuje nové výpočetní paradigma, které může fungovat v souladu s konvenčními počítači.

• Umožní nám jinak chápat náš svět a řešit některé dosud neřešitelné problémy.

• Přestože kvantové výpočetnictví zatím nedokáže překonat dnes používané metody, organizace mohou již dnes podniknout kroky k přípravě na tuto zásadní změnu ve výpočetnictví.

Sources

[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.