Pengenalan kepada pengkomputeran kuantum
Objektif pembelajaran​
Menjelang akhir modul ini, kamu akan mempunyai pemahaman yang lebih baik tentang:
- Kes perniagaan untuk pengkomputeran kuantum
- Pencapaian dan terobosan dalam pengkomputeran kuantum dari masa ke masa
Cara baru untuk menangani masalah yang rumit​
Komputer kuantum, walaupun dulunya merupakan eksperimen makmal yang besar, kini tersedia secara komersial sebagai sumber pengkomputeran berasaskan awan yang mampu melakukan pengiraan yang tidak dapat disimulasikan dengan tepat pada komputer klasikal. Perusahaan semakin menyiasat bagaimana pengkomputeran kuantum mungkin mempengaruhi industri mereka. Latihan ini akan memperkenalkan kamu kepada pengkomputeran kuantum dan nilai perniagaannya yang berpotensi. Selain itu, latihan ini akan melengkapkan kamu untuk menjawab soalan apabila kamu memulakan perjalanan pengkomputeran kuantum kamu. IBM Quantum® menawarkan banyak sumber untuk kamu mula belajar tentang pengkomputeran kuantum, tanpa mengira peranan kamu dalam organisasi kamu.
Masalah apa yang boleh diselesaikan oleh pengkomputeran kuantum?​
Pengkomputeran kuantum memanfaatkan undang-undang mekanik kuantum untuk menyelesaikan masalah matematik yang kompleks. Apabila saintis dan jurutera menghadapi masalah yang sukar, mereka biasanya beralih kepada superkomputer — komputer klasikal besar dengan ribuan unit pemproses pusat (CPU) dan unit pemproses grafik (GPU). Namun, walaupun superkomputer klasikal sangat baik dalam menyelesaikan jenis masalah tertentu, mereka sukar menyelesaikan masalah dengan banyak pemboleh ubah yang berinteraksi secara rumit. Teknologi kuantum boleh membantu kita melepasi halangan kerumitan ini untuk menangani masalah penting merentasi industri di seluruh dunia.
Mari mulakan dengan menonton video tentang jenis masalah yang mungkin diselesaikan oleh komputer kuantum, yang dipersembahkan oleh Katie Pizzolato, Pengarah Teori Kuantum dan Sains Pengiraan IBM Quantum di IBM Quantum.
Beberapa kawasan yang dianggap sangat menjanjikan untuk aplikasi pengkomputeran kuantum termasuk:
- Simulasi - Simulasi sistem fizikal atau kimia yang sudah bersifat kuantum mekanikal.
- Pengoptimuman - Mencari penyelesaian optimum untuk masalah yang kompleks, biasanya dirumuskan sebagai masalah minimasi.
- Data dengan struktur kompleks - Menggunakan pengkomputeran kuantum untuk meneroka model baru dalam pembelajaran mesin dan sains data.
Kes perniagaan untuk pengkomputeran kuantum​
Walaupun pengkomputeran kuantum tidak akan menggantikan komputer konvensional, ia mewakili paradigma pengkomputeran baru. Laporan terkini oleh IBM® Institute for Business Value, The Quantum Decade, menggariskan pemacu utama untuk generasi pengkomputeran seterusnya ini. Pertimbangkan aspek-aspek ini dalam menilai kuantum untuk perniagaan kamu:
Keutamaan global – Apabila seluruh industri menghadapi ketidakpastian yang lebih besar, model perniagaan menjadi lebih sensitif dan bergantung kepada teknologi baru.
Masa depan pengkomputeran – Integrasi pengkomputeran kuantum, AI, dan pengkomputeran klasikal ke dalam aliran kerja hybrid multi-cloud akan mendorong revolusi pengkomputeran paling signifikan dalam 60 tahun.
Perusahaan yang dipacu penemuan – Perusahaan akan berkembang daripada menganalisis data kepada menemui cara baru untuk menyelesaikan masalah.
Tekanan yang semakin meningkat untuk menyelesaikan masalah eksponen – Contohnya termasuk penemuan bahan baru, pembangunan ubat untuk menangani penyakit yang muncul, dan kejuruteraan semula rantaian bekalan untuk ketahanan.
Teknologi kuantum di titik infleksi – Dengan perkakasan dan qubit yang berkembang pesat, tidak pernah lebih penting bagi pakar domain untuk turut serta dalam penemuan algoritma. Circuit akan meningkat dalam kualiti, kapasiti, dan kepelbagaian apabila algoritma baru muncul.
Penskalaan ekosistem kuantum – Inovasi terbuka memupuk pembelajaran kolaboratif. Pengamal dan saintis perlu dilatih untuk menerapkan pengkomputeran kuantum pada masalah dunia nyata, sementara ahli fizik dan jurutera boleh mencipta perkakasan dan perisian yang dimaklumkan oleh kepakaran khusus domain.
Uji pemahaman kamu​
Baca soalan di bawah, fikirkan jawapan kamu, kemudian klik segitiga untuk mendedahkan penyelesaian.
Benar atau salah: Komputer kuantum akan menggantikan komputer klasikal pada masa depan.
Salah. Komputer kuantum ditambah klasikal mungkin akan segera mengatasi penggunaan komputer klasikal sahaja dalam tugasan yang bermakna. Integrasi pengkomputeran kuantum, AI, dan pengkomputeran klasikal ke dalam aliran kerja hybrid multi-cloud akan mendorong revolusi pengkomputeran yang paling signifikan. Kami menyebut visi komputer kuantum dan klasikal yang berhubung ini sebagai superkomputer berpusatkan kuantum.
Foto model IBM Quantum System One, seperti yang dipasang di Shin-Kawaski untuk Universiti Tokyo. (Kredit: Satoshi Kawase untuk IBM)
Kelas masalah yang berpotensi untuk pengkomputeran kuantum​
Untuk maklumat lebih lanjut tentang kelas kerumitan pengiraan yang diperkenalkan oleh Victoria dalam video di atas, semak artikel ini. Di sana kamu akan mengetahui lebih lanjut tentang senarai teori masalah yang mudah diselesaikan oleh komputer kuantum yang dipanggil BQP — bounded-error quantum polynomial time.
Laluan dari sains kepada sistem​
Yang menjadikan pengkomputeran kuantum luar biasa adalah keupayaannya untuk menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan hari ini, akhirnya memberikan nilai perniagaan. Pengkomputeran kuantum boleh meneroka masalah ini kerana ia berasaskan mekanik kuantum, yang merupakan penjelasan terdalam tentang realiti yang tersedia. Pengkomputeran kuantum mengeksploitasi fenomena mekanikal kuantum untuk memproses maklumat.
Walaupun ada yang menganggap pengkomputeran kuantum sebagai kawasan inovatif di awal kitaran hidupnya, hakikatnya teori yang mendasari pengkomputeran kuantum telah berkembang sekurang-kurangnya sejak 1970-an. Adalah penting untuk mengenali beberapa pencapaian dan terobosan utama dari masa ke masa, kerana apa yang sebelumnya diukur dalam inci kemajuan telah berkembang pesat daripada sains kepada sistem.
| 1970 | Charles H. Bennett mungkin adalah orang pertama yang menulis frasa "teori maklumat kuantum" pada 24 Februari 1970, semasa bekerja sebagai saintis penyelidikan di IBM. Notanya adalah petanda kerja luar biasa oleh ramai orang lain yang akan mengikuti, membawa dunia ke laluan menuju kelebihan kuantum. |
| 1981 | Richard Feynman, seorang ahli fizik teori terkenal, mengenal pasti potensi komputer kuantum seawal 1981. Di Persidangan Pertama tentang Fizik Pengiraan, yang dianjurkan oleh IBM dan Institut Teknologi Massachusetts (MIT), dia dengan terkenalnya menutup ucapan utamanya dengan pernyataan "[...] alam semula jadi bukanlah klasikal, dammit, dan jika kamu ingin membuat simulasi alam semula jadi, kamu lebih baik menjadikannya mekanikal kuantum, dan bagus sekali, ia adalah masalah yang menakjubkan, kerana ia tidak kelihatan begitu mudah." [1] |
| 1994 | Pada tahun 1994, Peter Shor, seorang ahli matematik yang kemudian di AT&T Bell Labs di New Jersey, membuktikan bahawa komputer kuantum yang berfungsi sepenuhnya boleh melakukan sesuatu yang luar biasa: ia boleh memecahkan enkripsi RSA, kaedah popular untuk mengamankan komunikasi peribadi. Dia menunjukkan bahawa algoritma kuantumnya boleh melakukan dalam beberapa minit apa yang mungkin memerlukan komputer biasa seumur hidup alam semesta untuk menguraikannya. 2 |
| 1996 | Setahun kemudian, Lov Grover, juga seorang saintis Bell Labs, menghasilkan algoritma kuantum yang membolehkan orang mencari pangkalan data tidak berstruktur dengan pantas. Saintis berbondong-bondong masuk ke dalam bidang ini, dan kemajuan dalam perkakasan segera mengikuti terobosan dalam kod. [2] |
| 1998 | Demonstrasi eksperimen pertama algoritma kuantum dicapai pada tahun 1998. Komputer kuantum resonans magnetik nuklear (NMR) 2 qubit yang berfungsi digunakan untuk menyelesaikan masalah Deutsch oleh Jonathan A. Jones dan Michele Mosca di Universiti Oxford dan tidak lama kemudian oleh Isaac L. Chuang di Pusat Penyelidikan IBM Almaden dan Mark Kubinec dan Universiti California, Berkeley, bersama-sama dengan rakan sekerja di Universiti Stanford dan MIT. [3] |
| 2001 | Tahun 2001 menyaksikan pelaksanaan pertama algoritma Shor di Pusat Penyelidikan IBM Almaden dan Universiti Stanford. Nombor 15 difaktorkan menggunakan 1018 molekul yang sama, masing-masing mengandungi tujuh spin nuklear aktif. [4] |
| 2005 | Pada pertengahan 2000-an, bidang penyelidikan telah membangunkan beberapa jenis qubit superkonduksi, masing-masing dengan kelebihan dan kelemahannya sendiri. Pada tahun 2007, pasukan di Yale menemui cara untuk menggabungkan beberapa pendekatan ini untuk mengatasi kekurangan masing-masing, menamakan reka bentuk baru "qubit transmon." Qubit transmon akan menjadi inti usaha banyak syarikat untuk membangunkan komputer kuantum, termasuk IBM Quantum, Google AI, dan Rigetti Computing. Seorang ahli pasukan Yale, Jay Gambetta, kemudian menjadi Naib Presiden Pengkomputeran Kuantum untuk IBM Research. |
Susun atur komputer kuantum superkonduksi empat qubit IBM yang diumumkan pada tahun 2015. (Kredit: IBM Research)
| 2016 | Pada Mei 2016, IBM adalah syarikat pertama yang melancarkan perkhidmatan pengkomputeran kuantum awan yang menyertakan komputer kuantum sebenar, yang dipanggil IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer pada tablet di IBM Research (Kredit: Connie Zhou untuk IBM)
| 2017 | Pada Mac 2017, IBM melancarkan Qiskit, rangka kerja pengaturcaraan kuantum sumber terbuka. [6] Pada Disember 2017, IBM Quantum Network dilancarkan untuk mewujudkan ekosistem komersial pengkomputeran kuantum. |
| 2019 | IBM membuka Pusat Pengiraan Kuantum di New York, membawa fleet komputer kuantum terbesar di dunia dalam talian. |
Pusat data IBM Quantum di Poughkeepsie, NY. (Kredit: James O'Connor, IBM)
| 2020 | Pada September 2020, IBM melancarkan peta jalan pembangunan untuk pergi dari komputer kuantum berskala kecil dan bising pada hari itu ke komputer kuantum lebih dari satu juta qubit pada masa depan. Peta jalan menetapkan kursus untuk mencapai pencapaian komputer kuantum 1,121 qubit pada tahun 2023, 1,386+ qubit pada 2024, dan lebih dari 4,000 qubit pada 2025. |
| 2021 | Pada musim bunga 2021, IBM mengumumkan pelepasan Qiskit Runtime, persekitaran pelaksanaan berkontena untuk program kuantum-klasikal yang menghapuskan beberapa kesesakan terbesar pada prestasi beban kerja. [7] Pada November 2021, IBM mencapai pencapaian utama dalam pengkomputeran kuantum apabila ia memecah halangan pemproses 100 qubit dengan Eagle, pemproses kuantum 127 qubit. [9] |
| 2022 | Pada April 2022, IBM melancarkan primitif Qiskit Runtime, memudahkan pengalaman pembangun dan membolehkan pengguna mendapatkan hasil yang lebih bermakna daripada komputer kuantum. [10] Pada Mei 2022, IBM melancarkan peta jalan yang dikemas kini yang menjangkakan era akan datang superkomputer berpusatkan kuantum di mana modulariti dan teknik komunikasi yang pelbagai akan meningkatkan kapasiti pengiraan. [11] Pada November 2022, IBM memperkenalkan pemproses IBM Quantum Osprey 433 qubit mereka — yang terbesar setakat ini menggunakan qubit superkonduksi. [12] Pada bulan yang sama, IBM juga melancarkan Dynamic Circuits — litar pengiraan yang menggunakan sumber kuantum dan klasikal untuk membolehkan pengukuran pertengahan litar dan operasi feed-forward [13] — dan mengumumkan pilihan tahap ketahanan baru untuk primitif Qiskit Runtime yang membolehkan pengguna bereksperimen dengan alat penindasan dan mitigasi ralat. [14] IBM mengambil langkah ke arah merealisasikan superkomputer berpusatkan kuantum dengan melancarkan perisian tengah lanjutan termasuk Circuit Knitting Toolbox, pada tahun 2025. |
Diperkenalkan pada 2022 di IBM Quantum Summit, pemproses IBM Quantum Osprey memiliki 433 qubit. (Kredit: Connie Zhou untuk IBM)
| 2023 | Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance adalah makalah yang ditampilkan di halaman depan Nature pada Jun 2023, sebuah kerjasama antara IBM dan UC Berkeley. Simulasi fizikal yang kompleks dijalankan oleh saintis dengan IBM Quantum pada pemproses IBM Quantum Eagle 127 qubit. Simulasi itu dijalankan serentak menggunakan kaedah penghampiran klasikal termaju pada superkomputer yang terletak di Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley dan Universiti Purdue. Eagle memberikan jawapan yang lebih tepat berbanding kaedah penghampiran klasikal, bahkan dalam rejim melampaui keupayaan kaedah brute force. |
Berita utama Nature tentang kegunaan kuantum yang diterbitkan pada 14 Jun 2023
| 2023 | Pada tahun 2023 IBM mengumumkan cip Heron kami, dengan nama kod montecarlo. Pada mulanya mempunyai 133 qubit dan dikemas kini kepada 156 qubit pada 2024, Heron menggabungkan seni bina penggandeng boleh laras yang baru. Heron menunjukkan peningkatan ketara berbanding pemproses Eagle terbaik, dengan separuh kadar ralat gate, hampir sifar crosstalk, dan masa gate yang lebih baik. Heron memanfaatkan inovasi ketara dalam penyampaian isyarat yang sebelumnya digunakan dalam Osprey. Isyarat yang diperlukan untuk membolehkan kawalan dua qubit dan satu qubit yang pantas dan berketepatan tinggi dihantar dengan kabel flex kepadatan tinggi. |
Diperkenalkan pada 2023 di IBM Quantum Summit, pemproses IBM Quantum Heron menunjukkan peningkatan ketara berbanding pemproses Eagle.
Tidak mudah untuk meramalkan bila tepatnya pengkomputeran kuantum akan dapat mengatasi kaedah yang digunakan hari ini. Namun, untuk memimpin dalam era pengkomputeran kuantum yang semakin hampir dan menangani masalah yang kompleks, perniagaan dan organisasi penyelidikan perlu mula bersedia sekarang. Disebabkan keluk pembelajaran yang curam, permulaan awal dalam pembelajaran dan eksperimentasi boleh membuktikan kelebihan daya saing. Kesediaan pengkomputeran kuantum adalah keadaan yang terus berkembang yang bergantung kepada pendekatan dan pelaburan organisasi dalam inovasi, serta bakat dan kemahiran baru, dan kematangan digital keseluruhan. Kesediaan termasuk penggunaan teknologi pengupaya seperti automasi, AI, dan hybrid multi-cloud; kesediaan untuk menganalisis, bereksperimen, dan berulang dengan keupayaan pengkomputeran yang berkembang; kecanggihan aliran kerja; dan set kemahiran organisasi.
Uji pemahaman kamu​
Baca soalan di bawah, fikirkan jawapan kamu, kemudian klik segitiga untuk mendedahkan penyelesaian.
Benar atau salah: Pengkomputeran kuantum pertama kali dikonseptualisasikan pada tahun 1990-an.
Salah. Walaupun komputer kuantum eksperimen pertama dicipta pada tahun 1998, potensi pengkomputeran kuantum telah dikenal pasti oleh Richard Feynman seawal 1981.
Pengambilan utama​
Kamu boleh mengingati pengambilan utama ini:
- Pengkomputeran kuantum mewakili paradigma pengkomputeran baru yang boleh bekerja bersama komputer konvensional.
- Ia akan membolehkan kita memahami dunia kita secara berbeza dan menyelesaikan beberapa masalah yang sebelumnya tidak dapat diselesaikan.
- Walaupun pengkomputeran kuantum belum dapat mengatasi kaedah yang digunakan hari ini, organisasi boleh mengambil langkah hari ini untuk bersedia menghadapi perubahan asas dalam pengkomputeran ini.
Sumber​
[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.