Az IBM és a Chicagói Egyetem kutatói július 30-án bejelentették, hogy egyszerre teljesítették a kvantumelőny két alapvető követelményét: olyan számításokat végeztek, amelyek a számítógépes szimuláció hagyományos módszereivel kivitelezhetetlenek, miközben a kapott eredmények pontosságát is bizonyították az adatok kvantumáramkörökbe töltéséhez (data encoding) kidolgozott, új konstrukcióban.
A kutatók évek óta az RCS (random circuit sampling) néven ismert módszerrel tesztelik, hogy egy kvantumszámítógép felülmúlja-e a hagyományos rendszerek teljesítményét - lényegében olyan összetett mintákat generálnak a kvantumszámítógéppel, amelyeket a hagyományos rendszerek már nem tudnak hatékonyan reprodukálni. Az eredmények ellenőrzése és hitelesítése azonban mindeddig problémát jelentett, amelyet most az IBM és a Chicagói Egyetem kutatói oldottak meg.
Kísérletükben az IBM kvantumszámítógépe 15 perc alatt végzett a szimulációval, amelyet hagyományos gépek beláthatatlanul hosszú ideig futtattak volna. A csapat egyúttal bizonyította, hogy alternatív megközelítésük ugyanolyan szigorú tesztkövetelményeket támaszt, mint az RCS, új struktúrájánál fogva azonban a hibákat is valós időben, számítás közben észleli.
Hasonló, a kvantum-számítástechnika fejlődésében mérföldkőnek számító bejelentést tett ugyanezen a napon az IBM két további partnerével is.
A milánói székhelyű, Európa több országában jelen levő Algorithmiq kutatóival közösen heterogén kvantumanyagok szimulációján demonstrálta a kvantumelőnyt az új monoprop keretrendszer segítségével, amellyel akkor is ellenőrizhető az eredmények megbízhatósága, ha erre a hitelesítés hagyományos eszközei nem használhatók.
Anderon: kvantumprocesszorok 300 milliméteres szilíciumostyán
Valójában az anyagok, például katalizátorok és elektrolitok kristályszerkezete korántsem tökéletes, szabálytalan struktúrák és felületek, helyi variációk jellemzik őket, amelyek nagyban befolyásolják a részecskék, az energia és az információ mozgását ebben a rendszerben. A hatások tanulmányozásához a kutatók heterogén kvantumanyag modelljét készítették el, amelyet IBM Quantum Heron processzoron futtattak. Szimulációjukkal egy programozható kvantumanyagot modelleztek, amelynek szerkezetében a mikroszkopikus kapcsolatok finomhangolásával és átkonfigurálásával ugyanúgy irányítható az információ áramlása, mint a valós anyagokban.
Monoprop keretrendszerét az Algorithmiq a szélesebb kutatóközösség számára is hozzáférhetővé tette a GitHub platformon, hogy a molekulák alapállapotait vizsgáló csapatok azzal ellenőrizhessék szimulációik megbízhatóságát.
Ugyancsak július 30-án a kvantumhibák csökkentésére szolgáló szoftvert fejlesztő Qedma Quantum Computing és az IBM kutatói közös tanulmányban bizonyították, hogy a megbízható kvantumszámítás nemcsak lehetséges, hanem olyan szimulációkkal segítheti az anyagkutatást, amelyek futtatására napjaink legnagyobb teljesítményű, hagyományos szuperszámítógépei sem lennének képesek. A csapat - amelyhez a japán RIKEN nemzeti kutatóintézet és a kvantumáramkörök szimulációs technológiáját fejlesztő BlueQubit munkatársai is csatlakoztak - az IBM Quantum Heron processzorával konfigurált, felhőben elérhető kvantumszámítógéppel, valamint a Qedma ugyancsak felhőalapú Quantum Error Suppression and Error Mitigation (QESEM) szoftverével dolgozott.
A kvantumelőny elérését demonstráló kutatók mindhárom projekt részleteit és eredményeit közzétették a Quantum Advantage Tracker oldalán, amely a GitHub platformon található.
Előnydemonstráció kvantumcentrikus szuperszámítógépekkel
Kvantumelőnyről beszélünk, amikor a gyakorlati életből vett problémák megoldását célzó számításokat egy kvantumszámítógép pontosabban, olcsóbban vagy hatékonyabban futtatja, mint a hagyományos számítógépek - és partnereivel az IBM a tudomány területén ezt több kutatási projektben demonstrálta az utóbbi hónapokban.
Az egyesült államokbeli Cleveland Clinic, a RIKEN és az IBM májusban jelentette be például, hogy kvantumszámítógépek és hagyományos szuperszámítógépek - valamint a gépek együttműködését optimalizáló keretrendszer, kvantumcentrikus szuperszámítógépes algoritmusok - segítségével akár 12 635 atomból felépülő fehérjemolekulák viselkedését modellezte sikerrel. A kutatók mindössze fél év leforgása alatt ugrásszerűen fokozták a módszer hatékonyságát, mintegy 40-szeresére növelték a modellezhető, biokémiai szempontból releváns fehérjemolekulák méretét, miközben a szimulációk pontosságát 210-szeresen javították.
A gyógyszerkutatás egyik legnehezebb és legköltségesebb szakasza annak vizsgálata, hogy egy hatóanyag-jelölt miként kapcsolódik egy fehérjéhez. A hagyományos számítógépek annál inkább küzdenek ezzel a problémával, minél nagyobb a vizsgált molekulák mérete, így egy gyógyszer kifejlesztése akár egy évtizednél is hosszabb időbe telhet. Kvantumszámítógépek segítségével viszont ez a kérdés már a kutatás korai szakaszában pontosan megválaszolható, így a gyógyszerfejlesztés folyamata sokkal gyorsabbá - és remélhetőleg olcsóbbá - válhat a jövőben.
Két hónappal korábban a szállító arról számolt be, hogy kvantumszámítógépén valós mágneses anyagok viselkedését modellezte. A szimulációk pontosságát mutatja, hogy a neutronszórásos kísérletekével megegyező eredményeket hoztak. A kvantumszámítógépek ennek alapján új anyagok, jobb félvezetők és hatékonyabb akkumulátorok tervezését segíthetik belátható időn belül.
Ugyancsak márciusban az IBM kutatói angliai, svájci és németországi egyetemek nemzetközi csapatával együttműködve olyan molekulát hoztak létre és karakterizáltak, amelynek szerkezetében az elektronok mozgása dugóhúzószerű mintát követ, alapjaiban megváltoztatva a kémiai viselkedést. A kutatók szerint ilyen topológiával eddig senki sem szintetizált, figyelt meg molekulát, még létezését sem jelezte előre tudományos munkában. A mostani felfedezés ezért két területen is nagy előrelépésnek számít. Egyrészt demonstrálja, hogy a molekulák tulajdonságait meghatározó elektrontopológia szándékosan is megtervezhető, másrészt igazolja, hogy a kvantum-számítógépekkel olyan, molekuláris szintű szimulációk is futtathatók, amelyek elkészítésére a tudománynak eddig nem nyílt lehetősége.
Idén júliusban az amerikai Oak Ridge Nemzeti Laboratórium, a Cleveland Clinic és az IBM kutatói például kilenc molekuláris konfigurációt is modelleztek kvantumcentrikus szuperszámítógépes módszerekkel, amelyek a továbbiakban segíthetik a trícium-előállítás és -kinyerés folyamatának optimalizálását. Ígéretes kilátások, tekintettel arra, hogy a természetben rendkívül ritkán fellelhető trícium a jelenleg ajánlott technológiák többségében reaktor-üzemanyagként nélkülözhetetlen a fúziós energia termeléséhez.
Seregély és kék szajkó
Több mint 10 milliárd dollárt költ a kvantum-számítástechnika fejlesztésére a következő öt évben, jelentette be idén júniusban az IBM. A beruházás a kutatásfejlesztéstől kezdve a gyártás és a partner-ökoszisztéma további bővítésén át a cégfelvásárlásokig minden területre kiterjed, és azt követően is gyorsítja majd a fejlesztési célok elérését, hogy a szállító a tervek szerint 2029-ben piacra lép a világ első nagyméretű, hibatűrő kvantumszámítógépével.
A kvantum-számítástechnika gyakorlatban működő, hasznos alkalmazásait partnereivel kereső és azokon dolgozó IBM egyébként már jelenleg is a világ legnagyobb kvantumszámítógép-flottáját működteti, mostanáig 90-nél több kvantumszámítógépet vezetett be felhőalapú és dedikált, helyi környezetekben, többet, mint az iparág többi szereplője együttvéve. A csúcstechnológiás rendszerek saját - Egyesült Államokban és Németországban kialakított - kvantumközpontjaiban, valamint partnereinél, amerikai, európai és ázsiai egyetemeken és nemzeti kutatóközpontokban működnek.
Előnézet: a 2029-ben érkező IBM Quantum Starling
A fejlesztési ütemterv szerint 2029-ben bemutatkozó, IBM Quantum Starling azonban a mai rendszerek teljesítményét is messze túlszárnyalva kétszáz qubiten 100 millió kvantumlogikai kaput fog futtatni, a nyomában érkező, 2 ezer qubites IBM Quantum Blue Jay pedig már 1 milliárd kvantumműveletet fog végrehajtani. A szállító szerint ezekkel a nagy teljesítményű és hibatűrő rendszerekkel a tudomány és az ipar szereplői olyan problémák megoldásához láthatnak, amelyek a mai technológiai lehetőségek mellett még túl nagy kihívásnak bizonyulnának.
Kvantumprogramjában, amelyet 2017-ben indított, az IBM mostanáig 1,1 milliárd dollár összértékben kötött szerződést a technológia felfedezésére és képességeinek kiaknázására törekvő ügyfeleivel, több mint 340 szervezettel a pénzügyi szolgáltatások, az egészségügy, az anyagkutatás, valamint az akadémiai és a kormányzati szféra más területeiről. A szállító fejlesztette ki a Qiskit szoftverkészletet is, amelyet ma már a kvantumfejlesztők közel 70 százaléka használ világszerte a munkaterhelések optimalizálásához és végrehajtásához.
Az IBM a közelmúltban jelentette be, hogy a világ elsőként kizárólag kvantumprocesszorokat gyártó vállalat alapítására készül az Egyesült Államokban. Az ország kereskedelmi minisztériumának támogatását élvező terv szerint az Anderon önálló cégként működik majd, és létrehozását az IBM egymilliárd dolláros beruházással, valamint kvantum-számítástechnikai és félvezető-gyártási szakértelmével, szellemi tulajdonával, eszközeivel és képzett munkaerővel fogja támogatni.
Képek: IBM, Cleveland Clinic és RIKEN
