introduction-to-quantum-computing
title: "Úvod do kvantového počítání" description: "Obchodní argumenty pro kvantové počítání, milníky a průlomy v kvantovém počítání v průběhu času"
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 propojených kvantových a klasických systémů nazýváme kvantovým superpočítáním se kvantovým centrem.
Fotografie modelu IBM Quantum System One, instalovaného v Shin-Kawasaki pro Tokijskou univerzitu. (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 osobou, která napsala slovní spojení „quantum information theory" 24. února 1970, když pracoval jako výzkumný vědec v IBM. Jeho poznámka byla předzvěstí obrovské práce mnoha dalších, kteří by ji následovali a přivedli svět na cestu ke kvantové převaze. |
| 1981 | Richard Feynman, uznávaný teoretický fyzik, identifikoval potenciál kvantových počítačů již v roce 1981. Na první konferenci o fyzice výpočtů, organizované IBM a Massachusettským technologickým institutem (MIT), famózně uzavřel svůj hlavní projev slovy „[...] nature isn't classical, dammit, and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical, and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy." [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 mohl udělat něco pozoruhodného: prolomit RSA šifrování, oblíbený prostředek zabezpečení soukromé komunikace. Ukázal, že jeho kvantový algoritmus dokáže za minuty to, co by běžnému počítači mohlo trvat po dobu existence vesmíru. 2 |
| 1996 | O rok později Lov Grover, také vědec z Bell Labs, přišel s kvantovým algoritmem, který by lidem umožnil rychle prohledávat nestrukturované databáze. Vědci se vrhli do tohoto oboru a po průlomech v kódu brzy následovaly pokroky v hardwaru. [2] |
| 1998 | První experimentální demonstrace kvantového algoritmu byla dosažena v roce 1998. Funkční 2-Qubitový počítač s nukleární magnetickou rezonancí (NMR) byl použit k řešení 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 z Univerzity Kalifornie v Berkeley, spolu se spolupracovníky ze Stanfordské univerzity a MIT. [3] |
| 2001 | V roce 2001 proběhlo první spuštění Shorova algoritmu ve výzkumném centru IBM Almaden a na Stanfordské univerzitě. Číslo 15 bylo rozloženo na faktory pomocí 1018 identických molekul, z nichž každá obsahovala sedm aktivních nukleárních spinů. [4] |
| 2005 | V polovině 2000. let výzkumná oblast vyvinula několik typů supravodivých Qubitů, každý s vlastními výhodami a nevýhodami. V roce 2007 tým z Yale našel způsob, jak kombinovat některé z těchto přístupů a překonat jejich individuální nedostatky, přičemž nový design pojmenoval „transmon qubit". Transmon qubit se stal základem úsilí mnoha společností o vývoj kvantových počítačů, včetně IBM Quantum, Google AI a Rigetti Computing. Člen yale týmu Jay Gambetta se později stal viceprezidentem pro kvantové počítání v IBM Research. |
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 kvantového počítání zahrnující skutečné kvantové počítače, nazvanou IBM Quantum Experience. [5] |
 |
IBM Quantum Composer na tabletu v IBM Research (Credit: Connie Zhou for IBM)
| 2017 | V březnu 2017 vydalo IBM Qiskit, open-source framework pro kvantové programování. [6] V prosinci 2017 byla spuštěna IBM Quantum Network s cílem vybudovat komerční ekosystém kvantového výpočetnictví. |
| 2019 | IBM otevřelo Quantum Computation Center v New Yorku a zprovoznilo největší flotilu kvantových počítačů na světě. |
Datové centrum IBM Quantum v Poughkeepsie, NY. (Credit: James O'Connor, IBM)
| 2020 | V září 2020 vydalo IBM vývojový plán přechodu od hlučných, malých kvantových počítačů tehdejší doby ke kvantovým počítačům s miliony Qubitů v budoucnosti. Plán stanovuje dosažení milníku kvantového počítače s 1 121 Qubitů v roce 2023, 1 386+ Qubitů v roce 2024 a více než 4 000 Qubitů v roce 2025. |
| 2021 | Na jaře 2021 IBM oznámilo vydání Qiskit Runtime, kontejnerizovaného prostředí pro spouštění kvantově-klasických programů, které odstranilo některé největší překážky výkonu pracovních zátěží. [7] V listopadu 2021 IBM dosáhlo zásadního milníku v kvantovém výpočetnictví, když překonalo hranici 100 Qubitů procesorem Eagle — 127Qubitovým kvantovým procesorem. [9] |
| 2022 | V dubnu 2022 IBM spustilo Qiskit Runtime primitives, čímž zjednodušilo vývojářský zážitek a umožnilo uživatelům získávat smysluplnější výsledky z kvantových počítačů. [10] V květnu 2022 IBM vydalo aktualizovaný plán, který předpokládá nastávající éru kvantově orientovaného superpočítání, v níž modularita a různorodé komunikační techniky zvýší výpočetní kapacitu. [11] V listopadu 2022 IBM představilo svůj 433Qubitový procesor IBM Quantum Osprey — největší dosud využívající supravodivé Qubity. [12] Ve stejném měsíci IBM také spustilo Dynamic Circuits — výpočetní Circuit, které využívají kvantové a klasické zdroje k umožnění měření uprostřed Circuit a operací feed-forward [13] — a oznámilo nové možnosti úrovní odolnosti pro Qiskit Runtime primitives, které uživatelům umožňují experimentovat s nástroji pro potlačení a zmírnění chyb. [14] IBM podniká kroky k realizaci kvantově orientovaného superpočítání vydáním pokročilého middlewaru včetně Circuit Knitting Toolbox v roce 2025. |
Procesor IBM Quantum Osprey s 433 Qubity, představený v roce 2022 na IBM Quantum Summit. (Credit: Connie Zhou for IBM)
| 2023 | Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance je článek z obálky časopisu Nature z června 2023, výsledek spolupráce IBM a UC Berkeley. Vědci z IBM Quantum provedli komplexní fyzikální simulace na 127Qubitovém procesoru IBM Quantum Eagle. Simulace byly zároveň spuštěny pomocí nejmodernějších klasických aproximačních metod na superpočítačích Lawrence Berkeley National Lab a Purdue University. Eagle poskytl přesnější odpovědi než klasické aproximační metody, a to i v režimu přesahujícím možnosti metod hrubé síly. |
Titulní příběh Nature o kvantové utilitě publikovaný 14. června 2023
| 2023 | V roce 2023 IBM oznámilo čip Heron s kódovým označením montecarlo. Heron měl původně 133 Qubitů a v roce 2024 byl aktualizován na 156 Qubitů, přičemž využívá novou architekturu laditelného spřažení. Heron vykazuje výrazná zlepšení oproti nejlepšímu procesoru Eagle — má poloviční chybovost Gate, prakticky nulový přesah signálu a výrazně zlepšený čas Gate. Heron využívá podstatné inovace v doručování signálů, které byly dříve nasazeny v Osprey. Signály potřebné pro rychlé, vysoce přesné ovládání dvouQubitových a jednoQubitových Gate jsou doručovány pomocí vysokohustotního flexibilního kabeláže. |
Procesor IBM Quantum Heron, představený v roce 2023 na IBM Quantum Summit, vykazuje podstatná zlepšení oproti procesorům Eagle.
Není snadné přesně předpovědět, kdy bude kvantové výpočetnictví schopno překonat dnes používané metody. Přesto, aby firmy a výzkumné organizace mohly vést v rychle se přibližující éře kvantového výpočetnictví a řešit složité problémy, musí začít připravovat se již nyní. Vzhledem ke strmé křivce učení může včasné zahájení vzdělávání a experimentování přinést konkurenční výhodu. Připravenost na kvantové výpočetnictví je průběžně se vyvíjející stav, který závisí na přístupu organizace k inovacím a investicích do nich, jakož i na nových talentech a dovednostech a celkové digitální vyspělosti. Připravenost zahrnuje přijetí umožňujících technologií jako jsou automatizace, AI a hybridní multi-cloud; ochotu analyzovat, experimentovat a iterovat s rozšiřujícími se výpočetními možnostmi; sofistikovanost pracovních postupů; a organizační znalosti.
Check your understanding
Přečti si otázku níže, zamysli se nad odpovědí a poté klikni na trojúhelník pro zobrazení 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.
Key takeaways
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.