Technologie kwantowe na co dzień


02-08-2022 21:19:28

Quantum machine learning to jedna z nowszych dziedzin badań naukowych, która próbuje wykorzystać moc komputera kwantowego, aby zwiększyć szybkość klasycznych algorytmów uczenia maszynowego.

Naukowcom z włoskiego Uniwersytetu w Padwie udało się efektywniej niż dotąd użyć mechaniki kwantowej do obliczeń na sieciach neuronowych. Ta nowa metoda pozwala na szybsze rozpoznawanie obrazów, sortowanie elementów wejściowych i podejmowanie decyzji.

W obszarze komercyjnym można z kolei podać przykład Volkswagena, który rozpoczął współpracę z D-Wave, aby za pomocą komputera kwantowego wypracować optymalny przepływ ruchu dla 10 tys. taksówek w Pekinie. Podobnie Daimler, który bada możliwości komputerów kwantowych w kierowaniu autonomiczną flotą samochodów oraz jeden z koncernów lotniczych, który pracuje nad wykorzystaniem komputera kwantowego w testach autopilota. Najnowsze algorytmy autopilota są już zbyt skomplikowane dla klasycznych komputerów.

Kwanty i sztuczna inteligencja

Trudno tak naprawdę określić, co uda się osiągnąć dzięki komputerom kwantowym, ale znane są dziedziny, w których wykorzystywać chce je między innymi IBM. Przede wszystkim naukowcy i inżynierowie wierzą, że uda się za ich pomocą odkryć nowe materiały i leki, pozwalające uporać się z chorobami, które dzisiaj są uznawane za nieuleczalne. Komputery kwantowe mają znaleźć również zastosowanie w logistyce (np. do optymalizacji procesu dostaw) czy finansach (np. do określania kluczowych elementów ryzyka inwestycyjnego). Najbardziej liczy się jednak na to, że pozwolą one na stworzenie niezwykle zaawansowanej sztucznej inteligencji, która sama w sobie jest jednym z największych wynalazków naszych czasów. IBM ma też ambitne plany na rozwój komputerów kwantowych – producent już teraz dysponuje procesorem Hummingbird o wydajności 65 kubitów, a jeszcze w tym roku ma zostać wydany układ Eagle ze 127 kubitami. Do 2023 r. planowane jest uruchomienie systemu składającego się z 5000 kubitów.

Komercyjny komputer kwantowy

W Europie działa pierwszy, ale za to jeden z najszybszych na świecie komercyjny komputer kwantowy. Zbudowany przez firmę D-Wafe jest zamontowany w budynku Junig w Centrum Naukowo-Badawczym w Jülich (fot. Forschungszentrum Jülich/Sacha Kreklau). „Cudo “myśli inżynierskiej pracuje tu od miesięcy. Technicznie ekstremalnie kosztowny w zabudowie i działaniu: wewnątrz musi być schładzany blisko zera absolutnego (-273,15oC), by atomy wewnątrz jądra się „uspokoiły” – są to bowiem atomy które wspomagają obliczenia. W Jülich wybudowano duży gmach z potężnymi fundamentami: każde najmniejsze drganie prowadzi do błędu w obliczeniach.

Aby przeprowadzić obliczenie z dużą liczbą kubitów muszą one znajdować się w uwikłanej superpozycji stanów, w tak zwanym stanie koherentnym kwantów. Wówczas zmiana jednego kubita wpływa jednocześnie na wszystkie pozostałe. Kubity wraz ze swymi stanami kwantowymi reagują w sposób bardzo wrażliwy na zewnętrzne wpływy, w szczególności na ciepło i promieniowanie. Te czynniki destrukcyjne rozwiązują ponownie w czasie mikrosekund stany powiązane. Im więcej kubitów jest ze sobą związanych, tym bardziej kruchy jest wzajemny stan kwantów. „Długość życia” informacji kwantowej zależy więc także od tego jak bardzo udaje się naukowcom „ochronić” komputer przed wpływem otoczenia, lub też korygować powstałe błędy. Na zdjęciu: kriostat komputera D-Wafe (fot. D-Wave)

W Jülich planuje się też wykorzystywać zależności logiczne kwantów. Jak dotychczas kanadyjska firma D-Wafe zbudowała tylko dwie instalacje tego typu. Komputer kwantowy może rozwiązywać specyfikacje optymalizacji: optymalizować rozkłady jazdy pociągów, przebieg procesów ekonomicznych, wykonywać kalkulacje klimatyczne lub też symulować działanie aktywnych składników farmaceutycznych. I to wszystko z (prawie) prędkością światła.

Komputery kwantowe pracują inaczej niż dotychczas znane komputery i są przy tym tak ekstremalnie szybkie: są w stanie równocześnie rozwiązywać tysiące zadań. Jeśli oferowanych jest 100 rozwiązań danego problemu, to te cudo techniki potrafi je wszystkie jednocześnie sprawdzić i znaleźć optymalne rozwiązanie. Komputery kwantowe przenoszą oferty w zakresie sztucznej inteligencji na nowy poziom.

Ten kto posiada umiejętności programowania w Basic, Pascal, C++ lub PHP niech nie wyobraża sobie, że będzie zrozumianym przez Junig. Komputer kwantowy ze względu na swą naturę, jest zupełnie inaczej programowany. Problemy być muszą prezentowane w postaci matematycznych zadań. Nowe możliwości oznaczają także nowe wyzwania. Na przykład szyfrowanie w przyszłości musi zupełnie inaczej wyglądać, jeśli rzeczywiście ma być bezpieczne.

Centrum Naukowo-Badawcze w Jülich należy do największych centrów interdyscyplinarnych centrów naukowych w Europie. Współpracownicy mają możliwość wykorzystywania w swej pracy jedynej w swoim rodzaju infrastruktury dużych urządzeń: od superkomputerów przez źródła neutronów do mikroskopów elektronowych o wysokich rozdzielczości. Technologia kwantowa zmienia nasz świat: zarówno w nauce, przemyśle, gospodarce, jak i w codziennym życiu. Aby jednak spełnić wysokie oczekiwania jakich oczekujemy od tej rewolucyjnej technologii, potrzeba optymalnej syntezy wiedzy teoretycznej i praktycznych kompetencji. Jülich łączy badania podstawowe w segmentach materiałów kwantowych i obliczeń kwantowych z konkretnymi zastosowaniami: rozwijają komputer kwantowy, realizują badania mózgu i oferują rozwiązania podtrzymywalnego zagospodarowania. Różnorodność tematyki, unikalne instalacje badawcze oraz ludzie pozwalają tym zespołom na holistyczny pogląd: reprezentują interdyscyplinarne badania podstawowe w różnych wymiarach – od badania na poziomie atomowym do symulacji w skali globalnej. Na tych kampusach badawczych ma zostać zrealizowany cały łańcuch rozwoju: w „Helmholzt Quantum Center” (HQC) rozwijane są koncepcje oraz nowe komponenty do prototypów komputerów kwantowych. Na zdjęciu: grupa badawcza w Jülich pracuje nad skonstruowaniem JSC (Jülich Superkomputer Centre) za pomocą którego można będzie symulować złożone systemy kwantowe (fot. Forschungszentrum Jülich.) 

Erwin Halentz i Józef Trzionka

Królestwo badań podstawowych

Centrum Naukowo-Badawcze Jülich (FZJ) jest narodowym centrum badań interdyscyplinarnych w dziedzinach: energia, informatyka i biotechnologia. Źródłem informacji jest infrastruktura badawcza, przede wszystkim superkomputery. Zatrudnia 6800 pracowników w 10 instytutach oraz 80 obszarach badawczych i jako członek wspólnoty Helmholzt niemieckich jednostek naukowo-badawczych należy do największych w Europie jednostek naukowych.

FZJ Jülich położone jest pomiędzy Aachen-Kolonią – Düsseldorfem, na obrzeżach miasta Jülich.FZJ obsługuje 15 oddziałów w kraju i za granicą. Prace naukowe w zakresie energii celują w bazujący na energii odnawialnej system energetyczny. Badania badawczo-rozwojowe Instytutu Energii i Badań Klimatu (IEK) obejmują proces konwersji energii, technologie magazynowania energii oraz mechanizmy działania zmian klimatu.

W tak pięknym otoczeniu czuje się dobrze także największy komputer (fot. Forschungszentrum Jülich)

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl