Nakon desetljeća napornog rada bez puno nade u uspjeh, iznenada se razvila naporna aktivnost oko kvantnog računanja. Prije gotovo dvije godine IBM je svijetu pokazao kvantno računalo s pet kvantnih bita (qubits) koje sada (što zvuči pomalo čudno) naziva IBM Q Experience. Tada je uređaj više bio igračka za istraživačke nego igračka za ozbiljnu obradu podataka. Međutim, 70 tisuća korisnika širom svijeta prijavilo se projektom i do danas se broj qubita udvostručio. Prije nekoliko mjeseci IBM i Intel najavili su stvaranje kvantnih računala s 50 i 49 kubika. Također je poznato da još jedno računalo čeka s krilima unutar zidova Googlea. "Zajednica je puna energije i nedavni proboj su nevjerojatni."- kaže fizičar Jens Eisert sa Slobodnog sveučilišta u Berlinu.
Trenutno se govori o predstojećoj "kvantnoj nadmoći": vremenu kada kvantno računalo može izvršiti zadatak koji je izvan snage čak i najmoćnijih klasičnih superračunala. Usporedimo li samo brojeve, takva se izjava može činiti smiješnom: 50 kubika u odnosu na milijarde klasičnih bitova u bilo kojem prijenosnom računalu. Ali cijela poanta kvantnog računanja je u tome što je kvantni bit sposoban za mnogo više od klasičnog. Dugo se vjerovalo da će 50 qubita biti dovoljno za obavljanje izračuna koji će konvencionalno računalo raditi u nedogled. Sredinom 2017. godine, istraživači iz Googlea najavili su da će demonstrirati kvantnu superiornost do prosinca. (Na nedavni zahtjev za novim podacima, glasnogovornik tvrtke odgovorio je: "Objavit ćemo rezultate,čim budu dovoljno potkrijepljeni, ali za sada se provodi temeljita analiza postojećeg razvoja. ")
Želio bih zaključiti da se mogu riješiti svi glavni problemi, a budućnost, u kojoj su kvantna računala sveprisutni fenomen, samo je stvar tehničke opreme. Ali bit će u krivu. Fizička pitanja u srcu kvantnog računanja još su daleko od neriješenog.
Čak i ako uskoro uđemo u eru kvantne nadmoći, sljedeća godina ili dvije mogla bi biti presudna - hoće li kvantna računala doista potpuno promijeniti način na koji radimo računanje? Ulozi su i dalje visoki i nema garancije da će cilj biti ispunjen.
Umukni i izračunaj
I prednosti i izazovi kvantnog računanja svojstveni su fizici koja to omogućava. O osnovama je rečeno više puta, iako nije uvijek razjašnjeno što zahtijeva kvantna mehanika. Klasična računala pohranjuju informacije i obrađuju ih u binarnom kodu (0 ili 1). U kvantnim računalima situacija je gotovo ista, samo je svaki bit u takozvanoj superpoziciji, odnosno može biti istovremeno i 0 i 1. To znači da se stanje qubita može odrediti samo s određenim stupnjem vjerojatnosti.
Da biste izvršili računanje s velikim brojem kbita, svi moraju biti u međusobno ovisnim superpozicijama - u stanju "kvantne koherencije", u kojoj se svi kubiti smatraju zapetljanima. U ovom slučaju, najmanja promjena jednog kubita može utjecati na sve ostale. Odnosno, računske operacije s kubitima imaju veće performanse od klasičnih bitova. U klasičnom uređaju, računske mogućnosti jednostavno ovise o broju bita, ali dodavanje svakog novog kbit povećava mogućnosti kvantnog računala za 2 puta. Zbog toga je razlika između uređaja s 5 kita i 50-kbitnog uređaja tako značajna.
Promotivni video:
Napominjemo, nisam rekao, kao što se često radi, da je prednost kvantnog računala nad klasičnim u postojanju superpozicija, koje uvelike povećavaju broj mogućih stanja kodiranih informacija. Kao što nisam rekao, zapletenost omogućuje da se istodobno izvršavaju mnogi proračuni. (Zapravo, visok stupanj zapletenosti qubita nije preduvjet.) U ovome postoji nešto istine, ali nijedna od izjava ne opisuje bit kvantnog računanja.
Zbog složenosti razumijevanja kvantne mehanike, objašnjenje zašto je kvantno računanje tako snažno je zastrašujući zadatak. Jednadžbe kvantne teorije definitivno pokazuju da će uspjeti - barem s nekim računalnim računanjem: faktoringom ili pretraživanjem baze podataka ubrzava proces izuzetno. Ali koliko točno?
Možda je najsigurniji način opisivanja kvantnog računanja reći da kvantna mehanika na neki način stvara "mogućnosti" za računanje koje klasičnim uređajima nisu dostupne. Kao što je fizičar Daniel Gottesman iz Perimetarskog instituta za teorijsku fiziku (Institut za perimetar) u Waterloou primijetio: "Ako je na raspolaganju dovoljno kvantne mehanike, proces se u određenom smislu ubrzava, a ako ne, nije."
Iako su neke točke još uvijek jasne. Kvantno računanje zahtijeva da svi kubiti budu koherentni, što je izuzetno teško implementirati. Interakcija sustava koherentnih qubita sa okolinom stvara kanale kroz koje koherencija brzo "curi". Taj se postupak naziva dekoherencija. Znanstvenici koji planiraju izgraditi kvantno računalo moraju spriječiti nepoštivanje. Sada ju uspijevaju zaustaviti samo na sekundu. Situacija postaje složenija kada se povećava broj qubita i, sukladno tome, sposobnost interakcije s okolinom. Zato je, premda je ideju o kvantnim računalima prvi predložio Richard Feynman još 1982. godine, a teorija je razvijena početkom devedesetih godina prošlog vijeka, stvoreni uređaji koji su sposobni za obavljanje stvarnih računanja.
Kvantne pogreške
Postoji drugi glavni razlog zašto je izgradnja kvantnog računala tako teška. Kao i bilo koji drugi postupak na svijetu, on stvara buku. Slučajne fluktuacije, koje se javljaju, recimo, zbog temperature kbita ili zbog osobitosti temeljnih kvantnih mehaničkih procesa, mogu promijeniti smjer ili stanje qubita, što dovodi do netočnih izračuna. Takva prijetnja postoji u radu s klasičnim računalima, ali to je prilično lako riješiti. Trebate samo stvoriti dvije ili više sigurnosnih kopija svakog bita kako se slučajno prebačeni bit ne broji.
Znanstvenici koji rade na stvaranju kvantnog računala razvili su nekoliko načina za rješenje problema, ali sve strategije vode do prevelikih računarskih troškova, jer se sva računalna snaga troši na ispravljanje pogrešaka, a ne na izvršavanje zadanih algoritama. "Trenutna stopa pogreške značajno ograničava trajanje računanja", objašnjava Andrew Childs, ko-direktor Zajedničkog centra za kvantne informacije i računske znanosti na Sveučilištu Maryland. "Moramo značajno poboljšati rezultate ako želimo stvoriti nešto zanimljivo."
Mnogo se istraživanja temeljnih kvantnih računarstava usredotočuje na tehnike ispravljanja pogrešaka. Dio složenosti problema proizlazi iz drugog od ključnih svojstava kvantnih sustava: superpozicije se mogu održavati samo ako ne izmjerite vrijednost kbit. Mjerenje će uništiti superpoziciju i dovesti do određene vrijednosti: 1 ili 0. Kako možete znati je li došlo do pogreške u radu qubita ako ne znate u kakvom je stanju bio?
Jedna pametna shema sugerira korištenje neizravnih računanja kombiniranjem qubita i drugog pomoćnog qubita. Potonji nije uključen u proračun, pa njegovo mjerenje ne utječe na stanje glavnog kubita. Ali to je prilično teško provesti. Ovo rješenje znači da je potrebno mnogo fizičkih kbita da bi se stvorio pravi "logički kubit" koji je imun na pogreške.
Koliko? Kvantni teoretičar Alan Aspuru-Guzik sa Sveučilišta Harvard vjeruje da će biti potrebno oko deset tisuća fizičkih kubita da bi se stvorio jedan logički kubit, što trenutno nije moguće. Prema njegovim riječima, ako sve pođe dobro, taj će se broj smanjiti na nekoliko tisuća, pa čak i stotine. Aisert nije toliko pesimističan i vjeruje da će oko osam stotina fizičkih kubika biti dovoljno, ali priznaje da će i u ovoj situaciji "dodatni troškovi računalne snage biti veliki". Morate pronaći način kako se nositi s pogreškama.
Postoji alternativa ispravljanju grešaka. Mogu se izbjeći ili spriječiti da se pojave u onome što se naziva ublažavanje pogrešaka. Istraživači u IBM-ovim dizajnerskim sklopovima matematički izračunavaju vjerojatnost pogreške, a zatim uzimaju rezultat kao nulti šum.
Neki istraživači vjeruju da će problem ispravljanja pogrešaka ostati neriješen i spriječiti kvantna računala da dosegnu predviđenu visinu. "Stvaranje kvantnih koda za ispravljanje pogrešaka mnogo je teže nego demonstriranje kvantne superiornosti", objašnjava matematičar sa hebrejskog sveučilišta u Izraelu Gil Kalai. Također dodaje da su "uređaji za ispravljanje pogrešaka u svojim proračunima vrlo primitivni i superiornost se ne može temeljiti na primitivnosti". Drugim riječima, kvantna računala neće nadmašiti klasična računala ako pogreške ne budu otklonjene.
Drugi znanstvenici vjeruju da će problem na kraju biti riješen. Jedan od njih je Jay Gambetta, kvantni informatičar iz IBM Centra za kvantno računarstvo. Thomas J. Watson. "Naši nedavni eksperimenti pokazali su osnovne elemente ispravljanja pogrešaka u malim uređajima, što zauzvrat utrljava put većim uređajima koji mogu pouzdano pohranjivati kvantne informacije kroz duže vrijeme u prisutnosti buke", kaže on. No, Gambetta također priznaje da, čak i uz trenutno stanje stvari, "predstoji stvaranje dugog univerzalnog kvantnog računala otpornog na pogreške pomoću logičkih kbita." Zahvaljujući takvim istraživanjima, Childs je optimističan. "Sigurna sam da ćemo vidjeti demonstraciju još uspješnijih eksperimenata (popravljanje bugova), ali,vjerojatno će proći puno vremena prije nego što počnemo koristiti kvantna računala za stvarno računanje."
Živjeti s greškama
U skoroj budućnosti kvantna računala će pokvariti. Postavlja se pitanje: kako živjeti s tim? IBM znanstvenici kažu da će se u doglednoj budućnosti područje istraživanja „približnog kvantnog računanja“usredotočiti na pronalaženje načina za prilagodbu buci.
Ovo zahtijeva stvaranje takvih algoritama koji će proizvesti točan rezultat, zanemarujući pogreške. Proces se može usporediti s brojenjem izbornih rezultata, koji ne uzima u obzir pokvarene listiće. "Čak i ako napravi neke pogreške, dovoljno velika kvantitativna računska izrada trebala bi biti učinkovitija od [klasične]", kaže Gambetta.
Čini se da je jedna od novijih primjena tehnologije tolerirane na pogreške na znanstvenicima od veće vrijednosti za znanstvenike nego za svijet u cjelini: modeliranje materijala na atomskoj razini. (Zapravo, to je bila motivacija koja je navela Feynmana da dođe na ideju kvantnih računala.) Jednadžbe kvantne mehanike opisuju kako se izračunava stabilnost ili kemijska reaktivnost (na primjer, u molekulama lijekova). No ove se jednadžbe ne mogu riješiti bez korištenja mnogih pojednostavljenja.
Međutim, prema Childs-u, kvantno ponašanje elektrona i atoma "relativno je blizu prirodnom ponašanju kvantnog računala". To znači da bi se mogao izgraditi točan računalni model molekule. "Mnogi članovi znanstvene zajednice, uključujući i mene, vjeruju da će prva uspješna primjena kvantnog računala biti povezana s kvantnom kemijom i znanošću o materijalima", kaže Aspuru-Guzik: bio je jedan od prvih koji je počeo gurati kvantno računanje u tom smjeru.
Kvantno modeliranje pokazuje se korisnim čak i na najmanjim kvantnim računalima koja su nam danas dostupna. Tim istraživača, koji uključuje Aspuru-Guzik, razvio je algoritam koji su nazvali "Varijacijska metoda za rješavanje problema kvantne mehanike" (u daljnjem tekstu - VMR). Ovaj algoritam omogućuje vam da pronađete stanje energije koja najmanje troši energiju, čak i u bučnim kubitima. Trenutno se može nositi s vrlo malim molekulama s malo elektrona. Klasična računala dobro obavljaju ovaj zadatak. Ali snaga kvantne energije neprestano raste, kao što su pokazali Gambetta i njegovi kolege prošlog rujna kada su koristili uređaj od šest kbit za proračun elektroničke strukture molekula poput litijevog hidrida i berilijevog hidrida. Djelo je "značajan proboj za kvantne znanosti"kao što je rekao kemijski fizičar Markus Reicher iz Švicarske više tehničke škole u Zürichu. "Korištenje BMP-a za modeliranje malih molekula izvrstan je primjer kako se kratkoročni heuristički algoritmi mogu primijeniti", kaže Gambetta.
Ali, prema Aspuru-Guziku, potrebni su logički kubiti koji mogu ispraviti pogreške čak i prije nego što kvantna računala zaobiđu klasična. "Jedva čekam dok kvantno računanje ispravljanja pogrešaka ne postane stvarnost", komentirao je.
"Da imamo više od dvije stotine kubika, mogli bismo učiniti stvarno inovativne stvari", dodao je Reicher. "A s 5000 kubika kvantno računalo moglo bi imati veliki utjecaj na znanost."
Koliki je vaš volumen?
Te je ciljeve nevjerojatno teško postići. Unatoč svim poteškoćama, kvantna računala od pet-kubna do 50-bitna u samo godinu dana - ta činjenica daje nadu. No, nemojte se previše zamarati tim brojevima jer govore samo mali dio priče. Sada nije važnije koliko kubita imate, već u tome koliko dobro funkcioniraju i koliko su učinkoviti algoritmi koje ste razvili.
Svako kvantno računanje završava se dekoherencijom koja miješa kvitove. Obično je vrijeme dekoherencije za skupinu qubita nekoliko mikrosekundi. Broj logičkih operacija koje se mogu izvesti u tako kratkom vremenu ovisi o brzini uključivanja kvantnih vrata. Ako je brzina preniska, nije važno koliko kubika imate na raspolaganju. Broj operacija potrebnih za određeno računanje naziva se dubina računanja: algoritmi niske dubine učinkovitiji su od dubokih algoritama. Međutim, sigurno se ne zna jesu li oni korisni u proračunima.
Štoviše, nisu svi kubiti jednako bučni. Teoretski je moguće stvoriti kubite s niskom razinom buke od materijala koji se nalaze u takozvanom "topološkom elektroničkom stanju": ako se čestice u tom stanju koriste za kodiranje binarnih informacija, bit će zaštićene od slučajne buke. U pokušaju pronalaska čestica u topološkom stanju, Microsoftovi istraživači primarno proučavaju egzotične kvantne materijale. Međutim, nema garancije da će njihovo istraživanje biti uspješno.
Kako bi označili snagu kvantnog računanja na određenom uređaju, istraživači u IBM-u izmislili su izraz "kvantna količina". Ovo je broj koji objedinjuje sve važne čimbenike: dubinu algoritma, broj i povezanost qubita, kao i druge pokazatelje kvalitete kvantnih vrata (na primjer, buka). Općenito, ovaj "kvantni volumen" karakterizira snagu kvantnog računanja. Prema Gambetti, sada je potrebno razviti opremu za kvantno računanje koja će povećati raspoloživu količinsku količinu.
To je jedan od razloga zašto je hvaljena kvantna nadmoć prilično nejasna ideja. Ideja da će 50-kbitno kvantno računalo nadmašiti moderna superračunala zvuči atraktivno, ali ostaje mnogo neriješenih pitanja. Kad točno rješavate probleme, kvantno računalo nadmašuje superračunala? Kako se može utvrditi je li kvantno računalo dobilo točan odgovor ako ga nije moguće provjeriti klasičnim uređajem? Što ako je klasično računalo efikasnije od kvantnog računala ako se pronađe bolji algoritam?
Stoga je kvantna nadmoć koncept koji zahtijeva oprez. Neki istraživači radije razgovaraju o "kvantnoj prednosti", o skoku u razvoju kvantnih tehnologija, nego o konačnoj pobjedi kvantnih računala nad običnim. Štoviše, većina pokušava ne upotrijebiti riječ "superiornost" jer sadrži negativne političke i rasističke konotacije.
Bez obzira na naziv, ako znanstvenici mogu pokazati da kvantna računala mogu obavljati zadatke koje klasični uređaji ne mogu, onda će to biti izuzetno važan psihološki trenutak za ovo polje. „Demonstracija nedvojbene kvantne prednosti ući će u povijest. To će dokazati da kvantna računala stvarno mogu proširiti naše tehnološke mogućnosti “, kaže Aizert.
Možda će ovo biti simboličan događaj, a ne radikalna promjena u području računarstva. Ipak, na to vrijedi obratiti pažnju. Ako kvantna računala nadmaše konvencionalna računala, to neće biti jer ih IBM i Google iznenada lansiraju na tržište. Da biste postigli kvantnu nadmoć, morate uspostaviti zamršeni sustav interakcije između programera i korisnika. I potonji mora biti čvrsto uvjeren da je novost vrijedna pokušaja. Slijedom ove suradnje, IBM i Google nastoje korisnicima pružiti svoj razvoj što je prije moguće. Prije toga, IBM je svim prijaviteljima na web mjestu ponudio pristup svom 16-kbitnom IBM Q računalu, a sada je tvrtka razvila 20-kbitnu verziju za poslovne korisnike, uključujući JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung i Sveučilište Oxford. Takva suradnja ne samo da pomaže klijentima da pronađu nešto korisno i zanimljivo, već također stvara kvantno pismenu zajednicu programera koji će razvijati nove funkcije i rješavati probleme koji se ne mogu riješiti unutar jedne tvrtke.
"Da bi se polje kvantnog računanja aktivno razvijalo, ljudima trebate dati priliku da koriste i proučavaju kvantna računala," kaže Gambetta. "Cijeli znanstveni i industrijski svijet sada se mora usredotočiti na jedan zadatak - pripremu za eru kvantnih računala."
Prijevod projekta Novo
Philip Ball