Co to jest komputer kwantowy iz czego się składa? Nie wszystkie komputery mają taką nazwę. Dlaczego tak jest i dlaczego takie instalacje są potrzebne, wyjaśnia Christopher Monroe, profesor na Uniwersytecie Maryland i jeden z czołowych graczy w globalnym „wyścigu kwantowym”.
Rosyjskie Centrum Kwantowe regularnie organizuje w Moskwie ważne międzynarodowe konferencje poświęcone rozwojowi technologii kwantowych i ich praktycznemu zastosowaniu. W pracach biorą udział nie tylko czołowi badacze, ale także przedstawiciele dużych rosyjskich i zagranicznych przedstawicieli biznesu i rządu.
W tym roku w konferencji wzięli udział liderzy trzech zespołów naukowych zajmujących się tworzeniem złożonych kwantowych systemów obliczeniowych. Oprócz Michaiła Lukina, profesora Uniwersytetu Harvarda (USA), który na poprzedniej konferencji po raz pierwszy zapowiedział stworzenie rekordowego komputera z 51 kubitami, wzięli w nim udział profesorowie Christopher Monroe i Harmut Neven.
Monroe, który dziś pracuje na University of Maryland (USA), stworzył maszynę o podobnej mocy niemal jednocześnie ze swoim rosyjsko-amerykańskim odpowiednikiem, stosując podobne, ale nieco inne zasady.
Mówił o kierunku, w jakim rozwija się ten system, czym różni się od „konkurentów” oraz gdzie przebiega granica między rzeczywistymi komputerami kwantowymi, które w pełni odpowiadają temu określeniu, a systemami obliczeniowymi zbudowanymi w oparciu o zasady klasyczne.
Wyższość kwantowa
Komputery kwantowe to specjalne urządzenia obliczeniowe, których moc rośnie wykładniczo dzięki wykorzystaniu w ich pracy praw mechaniki kwantowej. Wszystkie takie urządzenia składają się z kubitów - komórek pamięci i jednocześnie prymitywnych modułów obliczeniowych zdolnych do przechowywania zakresu wartości od zera do jednego.
Film promocyjny:
Obecnie istnieją dwa główne podejścia do rozwoju takich urządzeń - klasyczne i adiabatyczne. Zwolennicy pierwszego z nich starają się stworzyć uniwersalny komputer kwantowy, w którym kubity podlegałyby regułom działania zwykłych urządzeń cyfrowych. Idealnie byłoby, gdyby praca z takim urządzeniem komputerowym nie różniła się zbytnio od sposobu, w jaki inżynierowie i programiści obsługują konwencjonalne komputery.
Komputer adiabatyczny jest łatwiejszy do wykonania, ale w zasadach działania bliżej mu jest do dodawania maszyn, suwaków logicznych i komputerów analogowych z początku XX wieku, a nie do urządzeń cyfrowych naszych czasów. Istnieją również podejścia hybrydowe, które łączą cechy obu maszyn. Wśród nich, według Monroe, można przypisać komputer Michaiła Lukina.
Według Monroe wynika to z faktu, że komórki pamięci w jego maszynie zbudowane są na bazie jonów metalu ziem rzadkich - iterbu, którego stan nie zmienia się przy manipulowaniu wiązkami laserowymi. Z kolei komputer kwantowy Lukina zbudowany jest na bazie tzw. Atomów Rydberga, które nie są chronione przed takimi wpływami.
Są to atomy rubidu-87 lub innych metali alkalicznych, których wolny elektron został „wypchnięty” na ogromną odległość od jądra za pomocą specjalnych impulsów laserowych lub fal radiowych. Z tego powodu rozmiar atomu wzrasta około milion razy, co zamienia go w kubit, ale, jak wyjaśnił Monroe, nie pozwala na jego przemieszczanie bez deformacji tej struktury i bez niszczenia stanów kwantowych.
Brak takich problemów w jonach, zdaniem amerykańskiego fizyka, pozwolił jego zespołowi stworzyć nie hybrydę, ale w pełni kontrolowany komputer kwantowy, którego kubitami naukowcy mogą manipulować bezpośrednio w toku obliczeń.
Na przykład trzy lata temu, na długo przed stworzeniem większych maszyn, Monroe i jego zespół ogłosili, że udało im się stworzyć pierwszy reprogramowalny komputer kwantowy, który składał się z pięciu komórek pamięci. Ta skromna maszyna, dzięki swojej dużej elastyczności, pozwoliła fizykom na wykonanie na niej kilku programów kwantowych jednocześnie.
W szczególności udało im się uruchomić algorytmy Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani na tym minikomputerze, a także stworzyć kwantową wersję transformacji Fouriera, kamienia węgielnego kryptografii i jej złamania.
Te sukcesy, a także trudności w utrzymywaniu dużej liczby jonów w pułapkach, zauważa Monroe, skłoniły go do myślenia, że kwantowe systemy obliczeniowe powinny być budowane raczej modułowo niż monolitycznie. Innymi słowy, „poważne” komputery kwantowe nie będą stanowiły jednej całości, ale rodzaj sieci, składającej się z wielu podobnych i dość prostych modułów.
Niedoskonała próżnia
Takie systemy, jak zauważył amerykański profesor, już istnieją, ale nie są jeszcze wykorzystywane w prototypach komputerów kwantowych z jednego prostego powodu - działają około stukrotnie wolniej niż same kubity. Niemniej jednak uważa, że problem ten można całkowicie rozwiązać, ponieważ ma on raczej charakter inżynierski niż naukowy.
Innym potencjalnym problemem, który będzie zakłócał działanie monolitycznych lub po prostu dużych komputerów kwantowych, jest to, że próżnia, jak to ujął Monroe, nie jest doskonała. Zawsze zawiera niewielką liczbę cząsteczek, z których każda może zderzać się z kubitami atomowymi i zakłócać ich pracę.
Jedynym sposobem na pokonanie tego jest dalsze ochłodzenie komputera kwantowego, jak najbliżej zera absolutnego. Zespół Monroe nie jest jeszcze w to zaangażowany, ponieważ liczba kubitów w ich maszynie jest niewielka, ale w przyszłości ten problem na pewno będzie musiał zostać rozwiązany.
Podejście modułowe, zgodnie z sugestią amerykańskiego profesora, będzie kolejnym sposobem rozwiązania tego problemu, ponieważ pozwoli rozbić komputer na wiele niezależnych części zawierających stosunkowo niewielką liczbę kubitów. Teoretycznie nie będzie działał tak szybko, jak maszyna monolityczna, ale pozwoli obejść problem „niedoskonałej próżni”, ponieważ moduły będą łatwiejsze do chłodzenia i sterowania.
Kiedy nadejdzie ten czas? Jak sugeruje Monroe, w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat powstaną maszyny zawierające kilkaset kubitów. Będą w stanie wykonać kilkadziesiąt tysięcy operacji i nie będą wymagały do działania układów ekstremalnego chłodzenia lub korekcji błędów.
Takie maszyny będą w stanie rozwiązać wiele złożonych problemów praktycznych, ale nie będą pełnoprawnymi komputerami w klasycznym tego słowa znaczeniu. Aby to zrobić, będziesz musiał zwiększyć liczbę kubitów i „nauczyć” ich samodzielnego poprawiania błędów w swojej pracy. Zdaniem fizyka zajmie to jeszcze pięć lat.
Ostatnia część wyścigu
Pierwsze złożone komputery kwantowe, zdaniem Monroe, zostaną zbudowane w oparciu o technologie jonowe lub atomowe, ponieważ wszystkie inne warianty kubitów, w tym obiecujące półprzewodnikowe komórki pamięci, nie osiągnęły jeszcze podobnego poziomu rozwoju.
„Jak dotąd są to wszystkie laboratoryjne eksperymenty uniwersyteckie. Te kubity nie mogą być używane do tworzenia pełnych bramek logicznych. Dlatego zgadzam się z Michaiłem, że nasi koledzy z Australii, Intel i inne zespoły będą musieli rozwiązać wiele praktycznych problemów, zanim będą mogli stworzyć pełnoprawny system komputerowy”- zauważa fizyk.
Jak określić zwycięzcę w tym „wyścigu kwantowym”? Dwa lata temu Monroe i jego koledzy próbowali odpowiedzieć na to pytanie, organizując pierwsze testy porównawcze komputerów kwantowych. Wybrali komputer kwantowy IBM oparty na kubitach nadprzewodnikowych jako konkurenta dla pierwszej wersji ich maszyny.
Aby je porównać, fizycy i programiści z University of Maryland przygotowali pierwszy zestaw „wzorców kwantowych” - prostych algorytmów, które mierzą zarówno dokładność, jak i szybkość tych komputerów. Test nie ujawnił bezpośredniego zwycięzcy - komputer Monroe i jego zespołu wygrał dokładnie, ale przegrał z maszyną IBM.
Jednocześnie Monroe uważa, że tak zwana wyższość kwantowa - stworzenie komputera kwantowego, którego zachowania nie da się obliczyć innymi metodami - nie będzie poważnym osiągnięciem naukowym ani praktycznym.
„Problem tkwi w samej koncepcji. Z jednej strony nasze eksperymenty z pięcioma tuzinami kubitów, takie jak eksperymenty Michaiła, pomogły obliczyć te rzeczy, których inaczej nie można obliczyć. Z drugiej strony nie można tego nazwać wyższością, ponieważ nie możemy udowodnić, że naprawdę nie można tego obliczyć w inny sposób. Wyższość kwantowa pojawi się wcześniej czy później, ale ja osobiście nie zamierzam za nią gonić - podkreślił naukowiec.
Kolejna trudność polega na tym, że nie możemy jeszcze powiedzieć z całą pewnością, jakie problemy komputery kwantowe mogą rozwiązać i gdzie ich zastosowanie będzie najbardziej uzasadnione i przydatne. W tym celu konieczne jest, aby zarówno środowisko naukowe, jak i całe społeczeństwo zaczęły postrzegać takie maszyny jako niedrogie i uniwersalne narzędzie.
Kwantowe tajemnice wszechświata
Z tego powodu amerykański profesor nie wierzy, że adiabatyczne systemy obliczeniowe, takie jak urządzenia D-Wave, można nazwać komputerami kwantowymi. Ich praca, zdaniem fizyka, opiera się na całkowicie klasycznych zasadach fizycznych, które nie mają nic wspólnego z prawdziwą mechaniką kwantową.
„Mimo to komputery analogowe, takie jak te, są niezwykle interesujące z praktycznego punktu widzenia. Możesz po prostu wziąć kilka magnesów, przymocować je do trójkątnej siatki i prześledzić ich zachowanie. Eksperymenty te nie będą miały nic wspólnego z fizyką kwantową, ale pozwolą na wykonanie skomplikowanych obliczeń optymalizacyjnych. Inwestorzy są nimi zainteresowani, co oznacza, że nie dzieje się to na próżno - kontynuuje profesor.
Jakie zadania może rozwiązać „prawdziwy” komputer kwantowy? Jak zauważył Monroe, w ostatnich latach wiele innych zespołów fizyków skontaktowało się z jego zespołem. Planują wykorzystać swoją maszynę do rozwiązania wielu ważnych problemów naukowych, których nie da się obliczyć na konwencjonalnym komputerze.
Jak dotąd te same eksperymenty, co przyznał fizyk, można przeprowadzić na zwykłych superkomputerach. Z drugiej strony w najbliższych latach znacznie wzrośnie liczba kubitów w maszynach kwantowych, przez co ich praca będzie niepoliczalna.
Poszerzy to ich zastosowanie i sprawi, że takie eksperymenty staną się jednym z najciekawszych i najbardziej unikalnych sposobów badania największych i najbardziej tajemniczych obiektów we Wszechświecie, a także rozwiązywania wielu codziennych zadań, takich jak znajdowanie tras czy zarządzanie gospodarką - podsumowuje badacz.