Kvantna fizika upravlja svime što nas okružuje. Je li moguće cijeli Univerzum pretvoriti u kvantno računalo, hoće li ga vanzemaljci primijetiti i zašto su takvi strojevi uopće potrebni - Jacob Biamonte, Skoltech profesor, jedan od vodećih stručnjaka na ovom polju, odgovara na ta pitanja i govori kako je završio u Rusiji.
Svijetla budućnost
"U Rusiju sam prvi put došao prije više od deset godina, a uopće nisam radio fiziku. Obožavam borilačke vještine, uključujući sambo, i došla sam ovdje studirati i razmjenjivati iskustva. Kasnije sam saznao da su svi uvjeti ovdje za obavljanje naprednih znanosti, privlačenje znanstvenika iz cijelog svijeta na suradnju ", kaže znanstvenik.
Danas je on na čelu kvantnih laboratorija Deep, stvorenih prije dvije godine u okviru Skoltech-a kako bi objedinio napore ruskih i stranih fizičara, matematičara, programera i inženjera koji proučavaju probleme povezane s razvojem kvantnih računalnih sustava.
„Ne bavimo se praksom, već svim teorijskim i„ softverskim “aspektima kvantnog računanja, a mi komuniciramo s eksperimentatorima, uključujući znanstvenike iz Skoltech-a i stručnjake sa Moskovskog državnog sveučilišta, RCC-a i ITMO-a. Otvoreni smo za suradnju i spremni smo pomoći bilo kojim eksperimentima koji proučavaju takva pitanja , nastavlja profesor.
Što je kvantno računalo? Po svojoj se naravi radikalno razlikuje od klasičnih računalnih uređaja koji omogućuju jednostavne ili složene matematičke operacije na brojevima ili skupovima podataka izraženih kao nula i jedan.
U kvantnim rođacima klasičnih računala, čija je načela prije više od 30 godina formulirao sovjetski fizičar Jurij Manin, informacije su kodirane na bitno drugačiji način. Elementarne memorijske ćelije, takozvani kubiti, mogu sadržavati ne nulu ili jednu, već cijeli spektar vrijednosti u intervalu između njih.
Promotivni video:
Kao rezultat toga, snaga takvih računala raste eksponencijalno: ponašanje kvantnog procesora s nekoliko desetaka kubita ne može se izračunati čak ni uz pomoć najmoćnijih klasičnih superračunala.
Dugo vremena su takvi strojevi ostali predmet znanstvene fantastike i teorijskih istraživanja fizičara, ali u posljednjih 15 godina znanstvenici su napravili iskorak u stvaranju kubita i njihovom kombiniranju u složenije sustave. Najnaprednije verzije kvantnih računala razvijene u Googleu, IBM-u i na Sveučilištu Harvard u grupi Michaela Lukina sadrže 20 do 50 kubita.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fizike Instituta za znanost i tehnologiju Skolkovo.
Unatoč ovom napretku, programeri ovih strojeva pretpostavljaju da se cjeloviti računalni sustavi koji mogu riješiti bilo koji problem neće pojaviti uskoro, za 10-20 godina. Zanimljivo je da se ta procjena nije mijenjala od kraja devedesetih, ali stalno se pojavljuju neki novi problemi, svaki put gurajući u stranu nadolazeću „svijetlu kvantnu budućnost“.
Kao što je Biamonte napomenuo u svojim popularno-naučnim predavanjima, on zauzima posebno stajalište: prema njegovom mišljenju, „korisni“sustavi kvantnog računanja pojavit će se mnogo ranije, ali oni uopće neće biti onakvi kakvi ih šira javnost i mediji zamišljaju.
Danas postoji jedan veliki problem fizike, koji je ujedno i njegova glavna prednost. Eksperimenti rade sve. Iz nekog razloga smatraju da su eksperimenti važniji za znanost nego teoriju. Zahvaljujući uloženom novcu u ovo područje, teorijska fizika je gotovo uništena”, kaže Biamonte.
Sam profesor sebe naziva predstavnikom klasične teorijske fizike, čije su ideje dominirale u znanosti prije jednog stoljeća, u prvim fazama rođenja kvantne mehanike i moderne Einsteinove fizike. Posljednjih desetljeća ljudi poput njega morali su se preseliti na odjele za matematiku, gdje im je puno ugodnije.
„Eksperimenti, uključujući tvorce kvantnih računala, brinu samo o vlastitom dizajnu. Uz nekoliko iznimaka, njih ne zanima što se uopšte zna o sposobnostima takvih uređaja. To utječe na njihov mentalitet i tjera ih da daju ne racionalne, već emocionalne procjene , objašnjava istraživač.
Na primjer, još uvijek nema niti jednog jasnog dokaza da kvantna računala mogu nadmašiti svoje klasične kolege u brzini računanja. Istodobno, Biamonte precizira, ako generaliziramo sve pojednostavljene modele koji prikazuju neke aspekte ove superiornosti, dobit ćemo prilično uvjerljive dokaze u korist superiornosti kvantnih kalkulatora.
S jedne strane, Aleksej Ustinov, Aleksandr Zagoskin i drugi vođe na ovom polju su u pravu: kvantno računalo zaista ne dolazi uskoro. S druge strane, u ovom slučaju govorimo o univerzalnim strojevima koji mogu ispraviti vlastite pogreške”, napominje fizičar.
Nedostatak takve sposobnosti u računalu, naglašava Biamonte, ne čini je apsolutno beskorisnom ili inferiornom.
Stroj za atomsko dodavanje
"U prirodi postoji bezbroj primjera različitih kvantnih sustava koji nemaju tu sposobnost. Njihovo je ponašanje vrlo teško izračunati pomoću običnih računala. Stoga će stvaranje kvantnog sustava koji simulira takve procese omogućiti da provedemo odgovarajuće proračune i dobijemo nešto korisno ", kaže znanstvenik.
Ta je ideja daleko od nove - izrekao ju je poznati američki fizičar Richard Feynman samo dvije godine nakon objave Maninovih prvih članaka. Kao što je Biamonte napomenuo, eksperimentalisti su posljednjih godina aktivno razvijali takve sustave, a teoretičari razmišljaju o tome gdje ih se može primijeniti.
Takvi analogni računarski uređaji, takozvana adiabatska računala ili "zagrijavanje" u žargonu fizičara, ne moraju koristiti kvantne efekte - za mnoge probleme dovoljne su klasične interakcije između atoma.
Postoje tri vrste računala ove vrste - klasični strojevi za žarenje, njihovi uređaji za kvantno ubrzanje i potpuno razvijeni kvantni procesori na temelju kvantnih logičkih vrata. Potonji su stvoreni u IBM laboratorijima, prvi - u Fujitsu, drugi - u D-Waveu”, kaže znanstvenik.
Biamontea i njegove kolege iz Skoltecha najviše zanimaju strojevi treće klase. Takve je uređaje, prema njegovim riječima, prilično teško stvoriti, ali se mogu koristiti za rješavanje najsloženijih problema optimizacije: od strojnog učenja do razvoja novih lijekova.
"Ti su strojevi vrlo zanimljivi, ali prvi pravi uređaji ove vrste pojavit će se tek za nekoliko godina. S druge strane, klasične i kvantne mlaznice trenutno je moguće stvoriti. A sada su im u praksi najkorisnija kvantna računala ", dodaje Biamonte.
Mnogi procesi u fizici čestica, nastavlja istraživač, priroda su programirani tako da se oni optimiziraju, nastojeći postići energetski minimum. Prema tome, ako naučimo kontrolirati te procese, možemo napraviti skup atoma ili će neki drugi objekti izvršiti ove proračune za nas.
Zašto trošiti ogromnu količinu vremena CPU-a na takvu optimizaciju, ako se to može učiniti klasičnim uređajem za žarenje ili kvantnim uređajem sličnim D-Waveu? Figurativno rečeno, zašto za proučavanje vjetra koristimo virtualni tunel za vjetar, ako već imamo pravi? Mnoge ruske tvrtke razmišljaju o tome, i mi s njima aktivno surađujemo “, naglašava znanstvenik.
Uspješan završetak ovih eksperimenata otvorit će put razvoju kvantnih tvari za žarenje, u kojima se načela kvantne fizike koriste za ubrzanje interakcije između atoma i drugih čestica. Naravno, neki znanstveni zadaci neće im biti dostupni, ali oni će moći riješiti mnoge svakodnevne probleme, poput optimizacije prometa ili upravljanja dionicama.
Većina promatrača, napominje profesor Skoltech, vjeruje da će Google pobijediti u kvantnoj utrci. Biamonte se ne slaže s tim: predstavnici kalifornijske tvrtke vrlo vole razgovarati o svojim uspjesima, ali gotovo ne objavljuju znanstvene članke i ne otkrivaju tajne uređaja svojih kvantnih strojeva.
Prema njegovom mišljenju, IBM inženjeri su najbliži cilju - računala ove tvrtke stvarno rade i mogu ih bilo kada provjeriti pomoću posebnih oblačnih sustava. No, mjerilo je još uvijek prilično ograničeno, pa se ovi strojevi još ne mogu koristiti za rješavanje složenih problema.
Misleće galaksije
Ako se u skoroj budućnosti stvore takvi "ozbiljni" sustavi, postavlja se prirodno pitanje: od čega se mogu napraviti, koje veličine mogu dostići i kako će utjecati na naš život?
Prema samom Biamonteu, ne postoje temeljna fizička ograničenja za kvantna računala (ili uređaje za žarenje) s milionima kubita. S druge strane, potpuno je neshvatljivo koliko će biti qubita u stvarnosti, jer smo sada u vrlo ranoj fazi razvoja kvantnih tehnologija.
„Za sada pokušavamo prilagoditi tehnologije koje su već dostupne u industriji elektronike za rad sa kvantnim računalima. Međutim, nitko nije siguran da je to pravi put. Postoje sustavi koji su mnogo prikladniji za izgradnju kvantnih strojeva. Međutim, s njima je mnogo teže upravljati “, objašnjava znanstvenik.
Primjerice, posebni nedostaci unutar dijamanata gotovo su dobro izolirani od vanjskog svijeta kao pojedinačni atomi u vakuumu prostora. Koliko se takvih točaka može uklopiti u jedan dijamant i koliko su blizu jedna drugoj, a da se ne miješaju u rad susjeda, još uvijek nije jasno. Odgovor na ta pitanja određuje hoće li se dijamanti koristiti u kvantnim računalima.
Stvarno veliki kvantni strojevi, kako je primijetio profesor Skoltech, riješit će ne samo praktične probleme vezane uz svakodnevni ljudski život, već i najzanimljivije znanstvene zagonetke.
Možda će otkriti kvantnu prirodu gravitacije i testirati Biamonteove teorije simetrije vremena, promatrajući nastaju li posebni poremećaji u njihovom radu pri pokušaju probijanja ove simetrije ili obrnutog vremena prilikom izvođenja računanja na takvim strojevima.
Kad se čovječanstvo suočilo s tim zadacima, što će znanost činiti dalje? Ovo je pitanje, kaže Biamonte, paradoksalno povezano s potragom za izvanzemaljskim životom i kako predstavnici vanzemaljskih civilizacija mogu signalizirati njihovo postojanje.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte i njegovi kolege iz kvantnih laboratorija Deep.
„Zamislite da ćemo pokoriti svu energiju i snagu svemira. Što ćemo prvo učiniti? Naravno da se možemo uništiti, ali postoji zanimljiviji scenarij. Na primjer, imat ćemo priliku ubrzati kretanje Zemlje do ultra velikih brzina i ostaviti računalo u orbiti “, kaže fizičar.
Prema teoriji relativnosti, vrijeme na planeti će se usporavati. Ako ćemo provesti desetke godina u ovom stanju, kvantna računalna mašina ili obično računalo u "vanjskom svijetu" funkcionirat će nekoliko tisućljeća. Štoviše, ovo nije nužno računalo koje je stvorio čovjek, njegovu ulogu mogu igrati razni svemirski objekti, na primjer, divovski oblaci plina.
Koliko često to možete učiniti? Ne postoji izričito ograničenje za takvo „ubrzanje računanja“, ali svi znamo da pokojni Svemir neće biti baš zanimljivo mjesto za nas. Zvijezde će postupno početi nestajati, a galaksije će postajati nevidljive jedna drugoj zbog širenja svemira “, napominje profesor.
Slična razmišljanja postavljaju prirodno pitanje: ako čovječanstvo to može učiniti, što sprečava vanzemaljce da učine isto? U skladu s tim, neki tragovi takvog "svemirskog" kvantnog računanja ili njihovi klasični pandan moraju biti prisutni u prostoru. Što bi to ukazivalo, divovska kvantna računala stranaca?
Ne mogu dati točan odgovor na pitanje što bi moglo biti ili predložiti kako ih potražiti. Istovremeno, postojanje takvih „univerzalnih kalkulatora“čini mi se vjerovatnije od spontanog pojave „inteligentnih planeta“i drugih kozmičkih objekata sposobnih da budu svjesni sebe, o čemu „kvantni“filozofi često raspravljaju “, zaključuje Biamonte.