Što je kvantno računalo i od čega se sastoji? Ne imaju sva računala pravo na takvo ime. Zašto je to tako i zašto su takve instalacije potrebne, objašnjava Christopher Monroe, profesor sa sveučilišta Maryland i jedan od vodećih igrača u globalnoj "kvantnoj utrci".
Ruski kvantni centar redovito održava velike međunarodne konferencije u Moskvi o razvoju kvantnih tehnologija i njihovoj primjeni u praksi. U njegovom radu ne sudjeluju samo vodeći istraživači, već i predstavnici velikih ruskih i stranih poslovnih i vladinih dužnosnika.
Ove godine konferenciji su nazočili čelnici triju znanstvenih timova koji vode u stvaranju složenih kvantnih računalnih sustava. Osim Michaela Lukina, profesora na Sveučilištu Harvard (SAD), koji je na prethodnoj konferenciji prvi najavio stvaranje rekordnog 51-kbitnog računala, u njemu su sudjelovali i profesori Christopher Monroe i Harmut Neven.
Monroe, koji danas radi na Sveučilištu Maryland (SAD), stvorio je stroj slične snage gotovo istovremeno sa svojim rusko-američkim kolegom, koristeći slične, ali malo drugačije principe.
Govorio je o smjeru u kojem se ovaj sustav razvija, kako se razlikuje od "konkurenata" i gdje se nalazi granica između stvarnih kvantnih računala koja u potpunosti odgovaraju ovom pojmu, te računalnih sustava koji su izgrađeni na temelju klasičnih principa.
Kvantna superiornost
Kvantna računala su posebni računalni uređaji čija moć raste eksponencijalno zbog korištenja zakona kvantne mehanike u njihovom radu. Svi se takvi uređaji sastoje od kubita - memorijskih ćelija i istodobno primitivnih računalnih modula koji mogu pohraniti raspon vrijednosti između nule i jedne.
Promotivni video:
Danas postoje dva glavna pristupa razvoju takvih uređaja - klasični i adijabatski. Pristalice prvog od njih pokušavaju stvoriti univerzalno kvantno računalo u kojem bi se qubits pridržavao pravila po kojima rade obični digitalni uređaji. U idealnom slučaju, rad s takvim računarskim uređajem ne bi se puno razlikovao od načina na koji inženjeri i programeri upravljaju konvencionalnim računalima.
Adiabatsko računalo je lakše stvoriti, ali je po svojim principima rada bliže dodavanju strojeva, klizačkih pravila i analognih računala s početka 20. stoljeća, a ne digitalnim uređajima našeg vremena. Postoje i hibridni pristupi koji kombiniraju značajke obaju strojeva. Među njima se, prema Monroeu, može pripisati računalu Mihaela Lukina.
Prema Monroeu, to je zbog činjenice da su memorijske ćelije u njegovom stroju izgrađene na temelju iona iterbija iz rijetkog metala, čije se stanje ne mijenja kad se manipulira laserskim snopovima. Lukinovo kvantno računalo, zauzvrat, izgrađeno je na osnovu takozvanih Rydbergovih atoma, koji nisu zaštićeni od takvih utjecaja.
Radi se o atomima rubidija-87 ili drugim alkalnim metalima, čiji je slobodni elektron „gurnuo“ogromnu udaljenost od jezgre pomoću posebnih laserskih ili radio valova. Zbog toga se veličina atoma povećava za oko milijun puta, što ga pretvara u kubit, ali, kako je objasnio Monroe, ne dopušta da se pomakne bez deformiranja ove strukture i bez uništavanja kvantnih stanja.
Odsustvo takvih problema u ionima, prema američkom fizičaru, omogućilo je njegovom timu da stvori ne hibridno, već potpuno kontrolirano kvantno računalo, čijim bi kubitima znanstvenici mogli izravno manipulirati tijekom računanja.
Na primjer, prije tri godine, mnogo prije stvaranja većih strojeva, Monroe i njegov tim objavili su da su uspjeli stvoriti prvo reprogramirano kvantno računalo koje se sastojalo od pet memorijskih ćelija. Ovaj skromni stroj, zahvaljujući velikoj fleksibilnosti, omogućio je fizičarima da izvršavaju nekoliko kvantnih programa na njemu odjednom.
Konkretno, uspjeli su pokrenuti algoritme Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani na ovom mini-računalu, kao i stvoriti kvantnu verziju Fourierove transformacije, kamen temeljac kriptografije i njezino razbijanje.
Ti su uspjesi, kao i poteškoće zadržavanja velikog broja iona u zamkama, napominje Monroe, potaknuli ga da misli kako bi sustavi kvantnog računanja trebali biti izgrađeni modularno, a ne monolitno. Drugim riječima, "ozbiljna" kvantna računala neće predstavljati jednu cjelinu, već svojevrsnu mrežu, koja se sastoji od mnogih sličnih i prilično jednostavnih modula.
Nesavršen vakuum
Takvi sustavi, kako je napomenuo američki profesor, već postoje, ali se još ne koriste u prototipima kvantnih računala iz jednog jednostavnog razloga - oni rade stotinu puta sporije od samih qubita. Ipak, vjeruje da je ovaj problem potpuno rješiv, jer ima inženjersku, a ne znanstvenu prirodu.
Drugi potencijalni problem koji će ometati rad monolitnih ili samo velikih kvantnih računala jest taj što vakuum, kako je to rekao Monroe, nije savršen. Uvijek sadrži mali broj molekula od kojih se svaka može sudarati s atomskim kubitima i ometati njihov rad.
Jedini način da se to prevlada je daljnje hlađenje kvantnog računala, što je moguće bliže apsolutnoj nuli. Monroeov tim još se ne bavi time, jer je broj kubika u njihovom stroju mali, ali ubuduće će se ovaj problem definitivno morati riješiti.
Modularni pristup, kao što je predložio američki profesor, bit će još jedan način rješavanja ovog problema, jer će omogućiti raščlanjivanje računala na više neovisnih dijelova koji sadrže relativno mali broj kubita. Teoretski se neće pokretati tako brzo kao monolitni stroj, ali će zaobići problem "nesavršenog vakuuma", jer će se moduli lakše hladiti i kontrolirati.
Kada će doći ovo vrijeme? Kao što Monroe sugerira, u narednih tri do pet godina stvorit će se strojevi koji uključuju nekoliko stotina kubika. Oni će moći obavljati nekoliko desetaka tisuća operacija i neće trebati ekstremno hlađenje ili ispravljanje pogrešaka za rad.
Takvi će strojevi moći riješiti mnoge složene praktične probleme, ali neće biti punopravna računala u klasičnom smislu te riječi. Da biste to učinili, morat ćete povećati broj qubita i "naučiti ih" da samostalno ispravljaju pogreške u svom radu. Prema fizičaru će to potrajati još pet godina.
Završni dio utrke
Prva složena kvantna računala, prema Monroeu, bit će izgrađena na temelju ionske ili atomske tehnologije, jer sve ostale verzije kubita, uključujući obećavajuće poluvodičke memorijske ćelije, još uvijek nisu dostigle sličnu razinu razvoja.
"Za sada su sve ovo sveučilišni laboratorijski eksperimenti. Ovi se qubiti ne mogu koristiti za stvaranje potpunih logičkih vrata. Stoga se slažem s Michaelom da će naši kolege iz Australije, Intela i drugih timova morati riješiti mnoge praktične probleme prije nego što mogu stvoriti cjelovit računalni sustav ", napominje fizičar.
Kako odrediti pobjednika u ovoj "kvantnoj utrci"? Prije dvije godine Monroe i njegove kolege pokušali su odgovoriti na to pitanje organiziranjem prvog komparativnog ispitivanja kvantnih računala. Za prvu verziju svojeg računala odabrali su IBM kvantno računalo zasnovano na superprevodnim kubitima.
Da bi ih usporedili, fizičari i programeri sa Sveučilišta u Marylandu pripremili su prvi set "kvantnih mjerila" - jednostavnih algoritama koji mjere i točnost i brzinu ovih računala. Test nije otkrio izravnog pobjednika - računalo Monroea i njegovog tima pobijedilo je točno, ali izgubilo se u brzini za IBM-ovim strojem.
U isto vrijeme, Monroe vjeruje da takozvana kvantna superiornost - stvaranje kvantnog računala, čije se ponašanje ne može izračunati drugim metodama - neće biti ozbiljno znanstveno ili praktično postignuće.
„Problem leži u samom konceptu. S jedne strane, naši su pokusi s pet desetaka kubika, poput Michaelovih pokusa, pomogli da se izračunaju one stvari koje se inače ne mogu izračunati. S druge strane, to se ne može nazvati superiornošću, jer ne možemo dokazati da se zaista ne može izračunati na druge načine. Kvantna superiornost pojavit će se prije ili kasnije, ali osobno neću juriti za tim, “naglasio je znanstvenik.
Još jedna poteškoća leži u činjenici da još uvijek ne možemo sa sigurnošću reći koje probleme kvantna računala mogu riješiti i gdje će njihova primjena biti najviše opravdana i korisna. Za to je potrebno da i znanstveno okruženje i cijelo društvo počnu da takve strojeve doživljavaju kao pristupačan i univerzalan alat.
Kvantne misterije svemira
Iz tog razloga, američki profesor ne vjeruje da se adijabatski računalni sustavi poput uređaja D-Wave mogu nazvati kvantnim računalima. Njihov se rad, prema riječima fizičara, temelji na potpuno klasičnim fizikalnim načelima koji nemaju nikakve veze sa stvarnom kvantnom mehanikom.
Unatoč tome, analogna računala poput ovih izuzetno su zanimljiva s praktičnog stajališta. Jednostavno možete uzeti nekoliko magneta, pričvrstiti ih na trokutastu mrežu i pratiti njihovo ponašanje. Ovi eksperimenti neće imati nikakve veze s kvantnom fizikom, ali omogućit će složene proračune za optimizaciju. Investitori su zainteresirani za njih, što znači da se to ne radi uzalud “, nastavlja profesor.
Koje zadatke može riješiti "pravo" kvantno računalo? Kao što je Monroe napomenuo, posljednjih godina mnogi drugi timovi fizičara kontaktirali su njegov tim. Planiraju koristiti svoj stroj za rješavanje mnogih važnih znanstvenih problema koji se ne mogu izračunati na konvencionalnom računalu.
Do sada se isti eksperimenti, kako je priznao fizičar, mogu izvesti na običnim superračunalima. S druge strane, u narednim će se godinama broj qubita u kvantnim strojevima značajno povećavati, što će njihov rad učiniti nesavladivim.
To će proširiti njihovu primjenjivost i učinit će takve eksperimente jednim od najzanimljivijih i jedinstvenijih načina proučavanja najvećih i najtajanstvenijih objekata u svemiru, kao i rješavanja mnogih svakodnevnih zadataka, poput pronalaska ruta ili upravljanja ekonomijom, zaključuje istraživač.