Fizyka kwantowa rządzi wszystkim, co nas otacza. Czy da się zamienić cały Wszechświat w komputer kwantowy, czy kosmici to zauważą i dlaczego w ogóle takie maszyny są potrzebne - na te pytania odpowiada Jacob Biamonte, profesor Skoltech, jeden z czołowych ekspertów w tej dziedzinie i opowiada, jak trafił do Rosji.
Świetlana przyszłość
„Po raz pierwszy przyjechałem do Rosji ponad dziesięć lat temu i nie robiłem wcale fizyki. Uwielbiam sztuki walki, w tym sambo, i przyjechałem tutaj, aby studiować i wymieniać doświadczenia. Później dowiedziałem się, że są tu wszystkie warunki do uprawiania zaawansowanej nauki, przyciągania do współpracy naukowców z całego świata”- mówi naukowiec.
Dziś kieruje laboratoriami kwantowymi Deep, utworzonymi dwa lata temu w ramach Skoltech, aby zjednoczyć wysiłki rosyjskich i zagranicznych fizyków, matematyków, programistów i inżynierów badających problemy związane z rozwojem kwantowych systemów obliczeniowych.
„Nie zajmujemy się praktyką, ale wszystkimi teoretycznymi i„ programowymi”aspektami obliczeń kwantowych i współpracujemy z eksperymentatorami, w tym naukowcami z firmy Skoltech i specjalistami z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego, RCC i ITMO. Jesteśmy otwarci na współpracę i jesteśmy gotowi pomóc każdemu eksperymentatorowi badającemu takie zagadnienia - kontynuuje profesor.
Co to jest komputer kwantowy? Ze swej natury różni się radykalnie od klasycznych urządzeń obliczeniowych, które umożliwiają proste lub złożone operacje matematyczne na liczbach lub zbiorach danych wyrażonych jako zera i jedynki.
W kwantowych kuzynach klasycznych komputerów, których zasady zostały sformułowane ponad 30 lat temu przez sowieckiego fizyka Jurija Manina, informacje są kodowane w zasadniczo inny sposób. Elementarne komórki pamięci, tak zwane kubity, mogą zawierać nie zero ani jeden, ale całe spektrum wartości w interwale między nimi.
Film promocyjny:
W rezultacie moc takich komputerów rośnie wykładniczo: zachowania procesora kwantowego z kilkoma dziesiątkami kubitów nie można obliczyć nawet przy pomocy najpotężniejszych klasycznych superkomputerów.
Takie maszyny przez długi czas pozostawały przedmiotem science fiction i badań teoretycznych fizyków, ale w ciągu ostatnich 15 lat naukowcy dokonali przełomu w tworzeniu kubitów i łączeniu ich w bardziej złożone systemy. Najbardziej zaawansowane wersje komputerów kwantowych opracowane w Google, IBM i na Uniwersytecie Harvarda przez grupę Michaiła Lukina zawierają od 20 do 50 kubitów.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fizyki w Instytucie Nauki i Technologii w Skolkovo.
Mimo tych postępów twórcy tych maszyn zakładają, że pełnoprawne systemy obliczeniowe zdolne do rozwiązania jakiegokolwiek problemu nie pojawią się wkrótce, za 10-20 lat. Co ciekawe, szacunki te nie zmieniły się od późnych lat 90., ale ciągle pojawiają się nowe problemy, za każdym razem odsuwając na bok nigdy nie nadchodzącą „jasną kwantową przyszłość”.
Jak zauważył Biamonte w swoich wykładach popularnonaukowych, zajmuje on szczególne stanowisko: jego zdaniem „użyteczne” kwantowe systemy obliczeniowe pojawią się znacznie wcześniej, ale nie będą one wcale takie, jakie sobie wyobraża opinia publiczna i media.
„Dziś w fizyce jest jeden duży problem, który jest jednocześnie jej główną zaletą. Eksperymenty zarządzają wszystkim. Z jakiegoś powodu uważają, że eksperymenty są ważniejsze dla nauki niż teorii. Dzięki pieniądzom zainwestowanym w tym obszarze fizyka teoretyczna została praktycznie zniszczona”- mówi Biamonte.
Sam profesor określa siebie jako przedstawiciela klasycznej fizyki teoretycznej, której idee zdominowały naukę sto lat temu, w pierwszych stadiach narodzin mechaniki kwantowej i współczesnej fizyki Einsteina. W ostatnich dziesięcioleciach tacy ludzie jak on musieli przenieść się na wydziały matematyki, gdzie czują się znacznie bardziej komfortowo.
„Eksperymentatorzy, w tym twórcy komputerów kwantowych, dbają tylko o własne projekty. Z kilkoma wyjątkami nie są zainteresowani tym, co ogólnie wiadomo o możliwościach takich urządzeń. Wpływa to na ich mentalność i sprawia, że oceniają nie racjonalnie, ale emocjonalnie - wyjaśnia badaczka.
Na przykład nadal nie ma jednego wyraźnego dowodu na to, że komputery kwantowe mogą przewyższać ich klasyczne odpowiedniki pod względem szybkości obliczeniowej. Jednocześnie Biamonte precyzuje, że jeśli uogólnimy wszystkie uproszczone modele wykazujące pewne aspekty tej wyższości, otrzymamy dość przekonujące dowody na korzyść kalkulatorów kwantowych.
„Z jednej strony Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin i inni liderzy w tej dziedzinie mają rację: komputer kwantowy naprawdę nie pojawi się wkrótce. Z drugiej strony mówimy w tym przypadku o maszynach uniwersalnych, które potrafią korygować własne błędy”- zauważa fizyk.
Brak takiej zdolności w komputerze, podkreśla Biamonte, nie czyni go absolutnie bezużytecznym lub gorszym.
Atomowa maszyna dodająca
„Istnieje niezliczona ilość przykładów różnych systemów kwantowych, które nie mają takiej zdolności. Ich zachowanie jest bardzo trudne do obliczenia przy użyciu zwykłych komputerów. Dlatego stworzenie układu kwantowego symulującego takie procesy pozwoli nam na wykonanie odpowiednich obliczeń i uzyskanie czegoś pożytecznego”- mówi naukowiec.
Pomysł ten nie jest nowy - wyraził go słynny amerykański fizyk Richard Feynman zaledwie dwa lata po publikacji pierwszych artykułów Manina. Jak zauważył Biamonte, eksperymentatorzy aktywnie rozwijali takie systemy w ciągu ostatnich kilku lat, a teoretycy zastanawiają się, gdzie można je zastosować.
Takie analogowe urządzenia obliczeniowe, tzw. Komputery adiabatyczne, czyli „wyżarzanie” w żargonie fizyków, nie muszą wykorzystywać efektów kwantowych - do wielu problemów wystarczą klasyczne interakcje między atomami.
„Istnieją trzy typy komputerów tego rodzaju - klasyczne maszyny wyżarzające, ich odpowiedniki z przyspieszeniem kwantowym oraz pełnoprawne procesory kwantowe oparte na bramkach kwantowo-logicznych. Te ostatnie powstały w laboratoriach IBM, pierwsze - w Fujitsu, drugie - w D-Wave”- mówi naukowiec.
Biamonte i jego koledzy ze Skoltechu są najbardziej zainteresowani maszynami trzeciej klasy. Takie urządzenia, powiedział, są dość trudne do stworzenia, ale można je wykorzystać do rozwiązania najbardziej złożonych problemów optymalizacyjnych: od uczenia maszynowego po opracowywanie nowych leków.
„Te maszyny są bardzo ciekawe, ale pierwsze prawdziwe urządzenia tego typu pojawią się dopiero za kilka lat. Z drugiej strony obecnie można tworzyć wyżarzacze klasyczne i kwantowe. A teraz, w praktyce, pozostają najbardziej użytecznymi z komputerów kwantowych”- dodaje Biamonte.
Naukowiec kontynuuje, że wiele procesów w fizyce cząstek elementarnych jest zaprogramowanych przez naturę w taki sposób, że optymalizują się, dążąc do minimum energetycznego. W związku z tym, jeśli nauczymy się kontrolować te procesy, możemy wykonać te obliczenia za nas z zestawu atomów lub innych obiektów.
„Po co marnować ogromną ilość czasu procesora na taką optymalizację, skoro można to zrobić za pomocą klasycznego urządzenia do wyżarzania lub urządzenia kwantowego podobnego do D-Wave? Mówiąc obrazowo, po co przy badaniu wiatru używać wirtualnego tunelu aerodynamicznego, skoro już mamy prawdziwy? Myśli o tym wiele rosyjskich firm i aktywnie z nimi współpracujemy - podkreśla naukowiec.
Pomyślne zakończenie tych eksperymentów utoruje drogę do opracowania środków do wyżarzania kwantowego, w których zasady fizyki kwantowej są wykorzystywane do przyspieszania interakcji między atomami i innymi cząstkami. Oczywiście niektóre zadania naukowe nie będą dla nich dostępne, ale będą w stanie rozwiązać wiele codziennych problemów, takich jak optymalizacja ruchu czy zarządzanie portfelem akcji.
Większość obserwatorów, zauważa profesor Skoltech, uważa, że Google wygra w wyścigu kwantowym. Biamonte nie zgadza się z tym: przedstawiciele kalifornijskiej firmy bardzo lubią opowiadać o swoich sukcesach, ale prawie nigdy nie publikują artykułów naukowych i nie ujawniają tajemnic urządzenia swoich maszyn kwantowych.
Jego zdaniem najbliżej celu są inżynierowie IBM - komputery tej firmy naprawdę działają i można je w każdej chwili sprawdzić poprzez specjalne systemy chmurowe. Ale skala jest nadal dość ograniczona, a tych maszyn nie można jeszcze używać do rozwiązywania złożonych problemów.
Myślące galaktyki
Jeśli w niedalekiej przyszłości powstaną takie „poważne” systemy, rodzi się naturalne pytanie: z czego mogą być wykonane, do jakiego rozmiaru mogą osiągnąć i jak wpłyną na nasze życie?
Według samego Biamonte nie ma fundamentalnych fizycznych ograniczeń dla komputerów kwantowych (lub urządzeń do wyżarzania) z milionami kubitów. Z drugiej strony jest całkowicie niezrozumiałe, ile kubitów będzie w rzeczywistości, ponieważ jesteśmy teraz na bardzo wczesnym etapie rozwoju technologii kwantowych.
„Do tej pory staramy się przystosować technologie już dostępne w branży elektronicznej do współpracy z komputerami kwantowymi. Jednak nikt nie jest pewien, czy jest to właściwa droga. Istnieją systemy, które znacznie lepiej nadają się do budowy maszyn kwantowych. Są jednak znacznie trudniejsze w zarządzaniu”- wyjaśnia naukowiec.
Na przykład specjalne defekty wewnątrz diamentów są prawie tak samo dobrze izolowane od świata zewnętrznego, jak pojedyncze atomy w próżni kosmicznej. Ile takich punktów może zmieścić się w jednym diamentie i jak blisko siebie mogą się znajdować, nie zakłócając pracy sąsiadów, wciąż nie jest jasne. Odpowiedź na te pytania decyduje o tym, czy diamenty będą używane w komputerach kwantowych.
Naprawdę duże maszyny kwantowe, jak zauważył profesor Skoltech, rozwiążą nie tylko praktyczne problemy związane z codziennym życiem człowieka, ale także najciekawsze zagadki naukowe.
Być może ujawnią kwantową naturę grawitacji i przetestują teorie symetrii czasu Biamonte, obserwując, czy są one szczególnie zakłócane, gdy próbują złamać tę symetrię lub odwrócą czas podczas wykonywania obliczeń na takich maszynach.
Kiedy ludzkość poradzi sobie z tymi zadaniami, co zrobi nauka? To pytanie, mówi Biamonte, jest paradoksalnie związane z poszukiwaniem życia pozaziemskiego i tym, jak przedstawiciele obcych cywilizacji mogą sygnalizować ich istnienie.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte i jego koledzy z laboratoriów kwantowych Deep.
„Wyobraź sobie, że pokonamy całą energię i moc wszechświata. Co zrobimy najpierw? Oczywiście możemy siebie zniszczyć, ale jest ciekawszy scenariusz. Na przykład będziemy mieli okazję przyspieszyć ruch Ziemi do bardzo dużych prędkości i pozostawić komputer na orbicie”- mówi fizyk.
Zgodnie z teorią względności czas na planecie ulegnie spowolnieniu. Jeśli spędzimy w tym stanie dziesiątki lat, kwantowa maszyna obliczeniowa lub zwykły komputer w „świecie zewnętrznym” będzie działać przez kilka tysiącleci. Co więcej, niekoniecznie jest to komputer stworzony przez człowieka, jego rolę mogą odgrywać różne obiekty kosmiczne - na przykład gigantyczne chmury gazu.
„Jak często możesz to robić? Nie ma wyraźnych ograniczeń co do takiego „przyspieszenia obliczeń”, ale wszyscy wiemy, że późny Wszechświat nie będzie dla nas bardzo interesującym miejscem. Gwiazdy zaczną stopniowo zanikać, a galaktyki staną się dla siebie niewidoczne w wyniku ekspansji Wszechświata”- zauważa profesor.
Podobne refleksje rodzą naturalne pytanie: jeśli ludzkość może to zrobić, co powstrzymuje kosmitów przed zrobieniem tego samego? W związku z tym w przestrzeni muszą znajdować się ślady takich „kosmicznych” obliczeń kwantowych lub ich klasycznych odpowiedników. Co by na to wskazywało, gigantyczne komputery kwantowe obcych?
„Nie mogę udzielić dokładnej odpowiedzi na pytanie, co to może być, ani zasugerować, jak ich szukać. Jednocześnie istnienie takich „uniwersalnych kalkulatorów” wydaje mi się dużo bardziej prawdopodobne niż spontaniczne wyłonienie się „inteligentnych planet” i innych obiektów kosmicznych zdolnych do samoświadomości, o czym często dyskutują filozofowie „kwantowi” - konkluduje Biamonte.