Fińskie Ministerstwo Gospodarki sfinansowało niedawno innowacyjny projekt dla Fińskiego Centrum Badań Technicznych VTT, aby zbudować pierwszy w kraju komputer kwantowy.
VTT zaangażowało IQM, rodzimy startup, do pomocy w projekcie, który rozpoczął się pod koniec 2020 roku i będzie trwał do 2024 roku.
Należąca do fińskiego państwa VTT jest jedną z wiodących europejskich instytucji badawczych. Odgrywa kluczową rolę w przygotowaniu tego, czego dowiadują się naukowcy z różnych dziedzin naukowych, i przygotowaniu dla przemysłu. Rząd mocno wierzy, że najlepszym sposobem na przygotowanie obliczeń kwantowych dla przemysłu jest zbudowanie działającego komputera kwantowego.
„Jeśli chodzi o technologię kwantową, Finlandia ma jedną z tych wyjątkowych możliwości, w których mały kraj ma cały łańcuch wartości”, mówi Himadri Majumdar, kierownik programu Inicjatywy Quantum w VTT. „Inne kraje również mają silne ekosystemy w technologiach kwantowych, ale prawie we wszystkich przypadkach pracują nad wieloma różnymi tematami i wieloma różnymi platformami. Fińscy naukowcy skupiają się prawie wyłącznie na podejściu nadprzewodzących kubitów, które stosują od lat i które doskonale znają”.
To nie pierwszy raz, kiedy Finlandia przeniosła technologię kwantową z badań do industrializacji. Zrobili to już w przypadku czujników kwantowych. Fińskie firmy spin-off produkują czujniki oparte na technologii kwantowej od lat 80. i 90. XX wieku w postaci nadprzewodzących urządzeń do interferencji kwantowej (Squids), które zostały skomercjalizowane jako niezbędne elementy systemów obrazowania mózgu. Fińskie startupy skomercjalizowały również spektroskopię terahercową i obrazowanie terahercowe – technologie kwantowe wykorzystywane w zastosowaniach kosmicznych i skanerach na lotniskach.
Kraj jest teraz dobrze przygotowany do odegrania znaczącej roli w nowej generacji urządzeń i czujników kwantowych – na przykład zegarów atomowych zmniejszonych do niewielkich rozmiarów i stosowanych w urządzeniach konsumenckich. Biorąc pod uwagę sukces, jaki Finlandia odniosła z innymi technologiami kwantowymi, rząd ma nadzieję wyprzedzić konkurencję w dziedzinie komputerów kwantowych.
„Teraz nadszedł właściwy czas, abyśmy położyli podwaliny pod wprowadzenie obliczeń kwantowych do przemysłu” — mówi Majumdar. „Pod koniec zeszłego roku zbudowaliśmy komputer z pięcioma kubitami. Ostateczną miarą sukcesu jest uruchomienie programu i porównanie wyników. Opracowujemy stosy oprogramowania, które będziemy potrzebować, aby to zrobić na początku 2022 roku”.
Nie spodziewamy się, że pięć kubitów rozwiąże jakiekolwiek praktyczne problemy. Ale urządzenie może służyć jako doskonały dowód koncepcji. Zespół projektowy rozszerzy następnie moc obliczeniową o 20 kubitów w 2022 r., a następnie o 50 kubitów do końca 2024 r., kiedy mają nadzieję rozwiązać rzeczywiste problemy.
„Uważamy, że lata 2020 to kluczowa dekada dla budowania podstaw”, mówi Majumdar. „To wtedy trwa wyścig o tworzenie większej liczby kubitów. Będą dwie równoległe ścieżki. Pierwsza to ta, którą już rozpoczęliśmy: budowa komputera z dużą liczbą NISQ [noisy intermediate-scale quantum] kubity. Drugą ścieżką, która również zostanie podjęta w tej dekadzie, jest znalezienie sposobów na budowanie czystych kubitów – czyli takich, które nie są hałaśliwe i nie wymagają korekcji błędów”.
Rosnące ekosystemy w Finlandii
Aby pomóc w projekcie budowy komputera kwantowego, VTT wybrało IQM, fiński startup, który powstał w 2019 roku i obecnie zatrudnia 140 pracowników. „Działamy jako integrator systemów”, mówi Jan Goetz, CEO i współzałożyciel IQM. „Naszym zadaniem jest zebranie różnych elementów i zbudowanie systemów obliczeń kwantowych”.
Jednym z elementów, których używają, jest system kriogeniczny fińskiej firmy Bluefors, który wyrósł z długiej fińskiej historii badań fizyki niskich temperatur. Założona w 2008 roku firma Bluefors w końcu znalazła niszę w obliczeniach kwantowych i jest obecnie wiodącym na świecie dostawcą obudów kriogenicznych używanych do utrzymywania nadprzewodzących kubitów w temperaturach bardzo zbliżonych do zera absolutnego.
„Odkąd w tym roku zbudowaliśmy pierwszy komputer kwantowy w Finlandii, widzieliśmy kilka innych start-upów”, mówi Goetz. “Algorytm jest jednym z nich i Ilościowo to kolejna, która niedawno powstała. Co więcej, kilka firm spoza Finlandii dostrzegło tu okazję i teraz jest częścią lokalnego ekosystemu. Dzięki tej kombinacji rodzimych startupów i lokalnych filii firm zagranicznych mamy teraz ładny ekosystem organizacji tworzących się wokół komputerów kwantowych”.
Podczas gdy praktycznie wszystkie uprzemysłowione kraje na świecie uznają informatykę kwantową za technologię strategiczną, Finlandia jest szczególnie dobrze przygotowana do przyjęcia nowego paradygmatu. Rząd ma nadzieję zwiększyć przewagę poprzez inwestycje – a niektóre lokalne firmy i organizacje badawcze również korzystają z inicjatyw UE, a także z kapitału wysokiego ryzyka, który teraz napływa do Finlandii, aby zarobić na krajowych umiejętnościach.
Rozwijają się również ekosystemy badawcze i edukacyjne, z planami zatrudnienia większej liczby naukowców i profesorów. VTT, Aalto University i Helsinki University są członkami założycielami społeczności badawczej o nazwie InstytutQ, który koncentruje się na rozwijaniu światowej klasy wiedzy kwantowej i pomaganiu biznesowi w korzystaniu z obliczeń kwantowych.
Finowie doskonale zdają sobie sprawę, że Finlandia nigdy nie będzie Doliną Krzemową. Gospodarka po prostu nie jest wystarczająco duża. Fińskie startupy od początku wiedzą zatem, że muszą przygotować swoje produkty i usługi na eksport – i to właśnie sprawia, że rodzime fińskie firmy są tak silne na rynku światowym.
„Jeśli chodzi o IQM, chcemy być głównym dostawcą dla centrów superkomputerowych oraz dla firm, które mogą sobie pozwolić na własne komputery kwantowe”, mówi Goetz. „Jako integrator systemów dostarczamy kompletny system. Ale system będzie oczywiście zawierał więcej niż tylko części IQM.
„Sami zbudowaliśmy serce, czyli procesor kwantowy, a następnie trochę elektroniki sterującej i część oprogramowania. Oprogramowanie najlepiej opisać jako stos oprogramowania układowego, ale całą resztę po prostu składamy” – mówi. „Kupujemy kriogeniki od Bluefors, kupujemy kable i kupujemy wzmacniacze. Następnie łączymy to wszystko razem.”
Firma IQM wyprodukowała kubity do prototypu z pięcioma kubitami i będzie kontynuowana do komputera z 50 kubitami, który ma być działającym systemem, który może rozwiązywać rzeczywiste problemy. IQM posiada własną linię produkcyjną, z której korzysta do budowy procesora, zaczynając od gołych płytek krzemowych. Korzystają również z krajowej infrastruktury Otanano, w której znajduje się największy w krajach skandynawskich cleanroom R&D i jest wspólnie zarządzana przez VTT i Aalto University.
Pewnego dnia powstanie nowy model użytkowania
Dobrym sposobem zilustrowania, w jaki sposób można wykorzystać komputery kwantowe, jest rozważenie, w jaki sposób Mapy Google znajdują najlepszą ścieżkę. Jest to problem wymagający dużej ilości obliczeń. Jeśli poprosisz o to na swoim smartfonie, to nie Twój smartfon oblicza trasę. Twój smartfon komunikuje problem tylko do serwera gdzieś w centrum danych. Ścieżka jest obliczana na jakimś potężnym komputerze, a odpowiedź jest przesyłana z powrotem do telefonu.
Usługi obliczeń kwantowych będą prawdopodobnie oferowane konsumentom w ten sposób w przyszłości, a większość użytkowników będzie zupełnie nieświadoma tego, co się z nimi wiąże. Obliczenia kwantowe pomogą również firmom prowadzącym badania i rozwój przy użyciu podobnego modelu. Firmy, które chcą znaleźć nowe materiały, mogą poprosić o usługi modelowania i symulacji, a część tych usług będzie wykonywała komputer kwantowy w chmurze; inne wykona klasyczny komputer.
IBM i inne firmy już oferują usługi obliczeń kwantowych w chmurze. Jednak usługi te są wykorzystywane przez naukowców i często ograniczają się do symulacji obliczeń kwantowych. Naukowcy mogą testować algorytmy na symulatorach – a ci, którzy sami mają kilka kubitów, mogą porównać wyniki symulatora z tym, co uzyskali na swoim prototypowym komputerze kwantowym.
Nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób praktyczny system będzie oferował usługi twórcom aplikacji i użytkownikom końcowym. Jednym z podejść jest posiadanie określonych bibliotek — na przykład biblioteki chemicznej, której można użyć do symulacji nowych cząsteczek. Twórcy aplikacji potrzebują jedynie dostępu do tych bibliotek, aby opracować rozwiązanie, które pomoże firmom w R&D. W czasie wykonywania biblioteka przenosi pracę do centrum superkomputerowego, które wykonuje tę pracę. Kiedy centrum superkomputerowe dostaje zadanie, oddziela części, które trafiają do komputera kwantowego, od tych, które można lepiej wykonać na komputerze klasycznym. Aby to zrobić, będzie potrzebował harmonogramu.
„Coś bardzo podobnego już występuje w przypadku algorytmów AI” – mówi Goetz. „Ludzie używają GPU [graphical processing units] do przyspieszenia klastrów procesorów. Pewne problemy działają bardzo dobrze na procesorach graficznych, ale nie działają dobrze na procesorach. Problemy te są rozdzielane i przypisywane do odpowiednich jednostek przetwarzających.
„Aby mieć biblioteki, oczywiście trzeba mieć algorytmy i kompilatory pomiędzy, a to jest teraz trudny temat”, mówi. „Jeszcze nie doszliśmy do punktu, w którym mamy wielkoskalowy uniwersalny komputer kwantowy, w którym masz tylko jeden typ kompilatora, który kompiluje wszystko dla standardowej architektury”.
Architektura urządzenia
Komputery kwantowe są dalekie od generycznych. Napisanie programu wymaga znajomości architektury danego urządzenia – w tym jakości kubitów i odległości między nimi. Najważniejszymi czynnikami do rozważenia są spójność i wierność.
„Powiedzmy, że na procesorze masz kilka złych kubitów” — mówi Goetz. „Chcesz uniknąć ich w obliczeniach i pozwolić im wykonywać tylko bardzo drobne zadania. Być może w przyszłości będziemy mieli system sprzężenia zwrotnego między procesorem a rzeczywistym kompilatorem, aby kompilator mógł generować programy pasujące do komputera. Ale na razie wciąż jesteśmy w tej fazie, w której ludzie naprawdę muszą ubrudzić sobie ręce i zmapować oba światy razem.
„Aby pomóc programistom, tworzymy rodzaj oprogramowania układowego, które zapewni standardowe interfejsy oprogramowania”, mówi. „W tej chwili integrujemy się z Google Cirq, IBM Qiskit i Atos QLM [Quantum Learning Machine]. Są to trzy główne warstwy oprogramowania na górze. Każdy, kto ma oprogramowanie działające na tych warstwach, będzie mógł działać na naszych maszynach”.
Pierwsze praktyczne zastosowania obliczeń kwantowych
W ramach projektu finansowanego przez fińskie Ministerstwo Gospodarki osobny zespół w VTT, zespół algorytmów kwantowych, opracowuje algorytmy do wykorzystania w komputerze kwantowym. Modelowanie materiałów to jeden z przykładów obszaru zastosowań, nad którym pracują. VTT zamierza wykorzystać kilka takich przykładów, aby przetestować algorytmy w systemach pięciokubitowych i porównać wyniki z symulacją.
Podobnie jak wiele innych organizacji próbujących zbudować praktyczny komputer kwantowy, VTT przygląda się dwóm szerokim typom zastosowań. Pierwszym z nich jest rozwiązywanie złożonych problemów optymalizacyjnych, które istnieją w wielu branżach – domen problemowych, takich jak dystrybucja energii, sterowanie procesami i zarządzanie flotą. Drugi to przewidywanie struktur i właściwości formacji molekularnych znacznie dokładniej i skuteczniej niż dotychczas, przyspieszając odkrywanie leków i opracowywanie nowych materiałów.
„Nikt nie wie, czy pierwsze praktyczne zastosowania obliczeń kwantowych znajdą się w finansach, medycynie, materiałoznawstwie czy w jakiejś innej dziedzinie” – mówi Majumdar. „Jednak jest pewne, że będzie ewoluować bardzo szybko.
„Trend, który już zaczynamy dostrzegać, polega na tym, że nabywcy i użytkownicy końcowi technologii (BMW, Goldman Sachs i inni) mają tendencję do tworzenia trójkąta firm, składającego się z firmy produkującej sprzęt, firmy zajmującej się oprogramowaniem i samych siebie jako użytkowników. Ten trójkąt rozwija wysoce spersonalizowane rozwiązanie wokół konkretnego przypadku użycia. Ten trend będzie się utrzymywał jeszcze przez kilka lat, ponieważ komputery kwantowe są bardzo specyficzne, a algorytmy niezależne od maszyn są jeszcze daleko. Na początku wszystko będzie szyte na miarę”.
Chociaż wciąż istnieje wiele niewiadomych, jedno jest jasne: budując lokalny ekosystem, który eksportuje produkty i wiedzę specjalistyczną, Finlandia ma duże szanse stać się częścią europejskiej odpowiedzi na technologię obliczeń kwantowych wywodzącą się z USA i Chin. .