Hva er en kvantecomputer og hva består den av? Ikke alle datamaskiner har rett til et slikt navn. Hvorfor dette er slik og hvorfor slike installasjoner er nødvendig, forklarer Christopher Monroe, professor ved University of Maryland og en av de ledende aktørene i det globale "kvante løpet".
Det russiske Quantum Center holder regelmessig store internasjonale konferanser i Moskva dedikert til utvikling av kvanteteknologier og deres praktiske anvendelse. Ikke bare ledende forskere deltar i arbeidet, men også representanter for store russiske og utenlandske forretnings- og myndighetspersoner.
I år deltok konferansen av ledere for tre vitenskapelige team som ledet i etableringen av komplekse kvanteberegningssystemer. I tillegg til Mikhail Lukin, en professor ved Harvard University (USA), som først kunngjorde opprettelsen av en rekordstor datamaskin på 51 kvbit på den forrige konferansen, deltok professorene Christopher Monroe og Harmut Neven i den.
Monroe, som i dag jobber ved University of Maryland (USA), opprettet en maskin som hadde makt nesten samtidig med sin russisk-amerikanske kollega, ved å bruke lignende, men litt forskjellige prinsipper.
Han snakket om i hvilken retning dette systemet utvikler seg, hvordan det skiller seg fra "konkurrenter" og hvor grensen ligger mellom virkelige kvantedatamaskiner, som fullt ut tilsvarer dette begrepet, og datasystemer som er bygget på grunnlag av klassiske prinsipper.
Kvanteoverlegenhet
Kvantedatamaskiner er spesielle databehandlingsenheter hvis kraft vokser eksponentielt på grunn av bruken av kvantemekanikkens lover i deres arbeid. Alle slike enheter består av qubits - minneceller og samtidig primitive datamoduler som er i stand til å lagre et verdiområde mellom null og en.
Salgsfremmende video:
I dag er det to hovedtilnærminger for utvikling av slike enheter - klassisk og adiabatisk. Talsmenn for den første av dem prøver å lage en universell kvantedatamaskin, der qubits ville overholde reglene som vanlige digitale enheter fungerer på. Å jobbe med en slik dataenhet ville ideelt sett ikke være veldig forskjellig fra hvordan ingeniører og programmerere bruker konvensjonelle datamaskiner.
En adiabatisk datamaskin er enklere å lage, men den er nærmere i driftsprinsippene å legge til maskiner, lysbilde-regel og analoge datamaskiner fra begynnelsen av 1900-tallet, og ikke til digitale enheter i vår tid. Det er også hybridtilnærminger som kombinerer funksjonene til begge maskinene. Blant dem, ifølge Monroe, kan tilskrives datamaskinen til Mikhail Lukin.
I følge Monroe skyldes dette at minnecellene i maskinen hans er bygd på grunnlag av ioner av det sjeldne jordmetall ytterbium, hvis tilstand ikke endres når det manipuleres med laserstråler. Lukins kvantecomputer er på sin side bygget på grunnlag av de såkalte Rydberg-atomer, som ikke er beskyttet mot slike påvirkninger.
De er atomer av rubidium-87 eller andre alkalimetaller, hvis frie elektron ble "dyttet" en enorm avstand fra kjernen ved hjelp av spesielle laser- eller radiobølgepulser. På grunn av dette øker atomets størrelse med rundt en million ganger, noe som gjør det til en kvbit, men som Monroe forklarte, tillater det ikke å bli flyttet uten å deformere denne strukturen og ødelegge kvantetilstander.
Fraværet av slike problemer i ioner, ifølge den amerikanske fysikeren, tillot teamet hans å ikke lage en hybrid, men en fullstendig kontrollert kvantedatamaskin, hvis forskere forskere kan manipulere direkte i løpet av databehandling.
For eksempel, for tre år siden, lenge før etableringen av større maskiner, kunngjorde Monroe og teamet at de hadde klart å lage den første omprogrammerbare kvantecomputeren, som besto av fem minneceller. Denne beskjedne maskinen, takket være sin høye fleksibilitet i drift, tillot fysikere å utføre flere kvanteprogrammer på den samtidig.
Spesielt klarte de å kjøre Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani-algoritmene på denne mini-datamaskinen, i tillegg til å lage en kvanteversjon av Fourier-transforms, hjørnesteinen i kryptografi og brudd på den.
Disse suksessene, så vel som vanskene med å holde et stort antall ioner i feller, bemerker Monroe, fikk ham til å tenke at kvanteberegningssystemer burde bygges modulære i stedet for monolitiske. Med andre ord vil "seriøse" kvantemaskiner ikke representere en eneste helhet, men et slags nettverk, bestående av mange lignende og ganske enkle moduler.
Ufullkommen vakuum
Slike systemer, som bemerket av den amerikanske professoren, eksisterer allerede, men er ennå ikke brukt i prototyper av kvantecomputere av en enkel grunn - de fungerer omtrent hundre ganger saktere enn qubitsene selv. Likevel mener han at dette problemet er helt løsbart, siden det har en ingeniørarbeid enn en vitenskapelig karakter.
Et annet potensielt problem som vil forstyrre driften av monolitiske eller bare store kvantemaskiner er at vakuumet, slik Monroe sa det, ikke er perfekt. Den inneholder alltid et lite antall molekyler, som hver kan kollidere med atomkvitter og forstyrre deres arbeid.
Den eneste måten å overvinne dette på er å avkjøle kvantedatamaskinen ytterligere, så nær absolutt null som mulig. Monroes team er ennå ikke engasjert i dette, siden antallet qubits i maskinen deres er lite, men i fremtiden vil dette problemet definitivt måtte løses.
Den modulære tilnærmingen, som antydet av den amerikanske professoren, vil være en annen måte å løse dette problemet på, siden det vil tillate å bryte datamaskinen i mange uavhengige deler som inneholder relativt lite antall qubits. I teorien vil den ikke løpe like raskt som en monolitisk maskin, men den vil omgå problemet med "ufullkommen vakuum", siden modulene vil være lettere å avkjøle og kontrollere.
Når kommer denne tiden? Som Monroe antyder, i løpet av de neste tre til fem årene vil det bli laget maskiner som inkluderer flere hundre qubits. De vil være i stand til å utføre flere titusenvis av operasjoner og vil ikke kreve ekstreme kjøling eller feilretting systemer for å operere.
Slike maskiner vil kunne løse mange komplekse praktiske problemer, men de vil ikke være fullverdige datamaskiner i klassisk forstand. For å gjøre dette, må du øke antall qubits og "lære" dem uavhengig å rette feil i arbeidet sitt. Dette vil ifølge fysikeren ta ytterligere fem år.
Siste strekning av løpet
De første komplekse kvantemaskinene, ifølge Monroe, skal bygges på basis av ioniske eller atomteknologier, siden alle andre versjoner av qubits, inkludert lovende halvlederminneceller, ennå ikke har nådd et lignende utviklingsnivå.
“Så langt er dette alle universitetslaboratorieeksperimenter. Disse qubitene kan ikke brukes til å lage komplette logiske porter. Derfor er jeg enig med Mikhail i at kollegene våre fra Australia, Intel og andre team vil måtte løse mange praktiske problemer før de kan lage et fullverdig datasystem,”bemerker fysikeren.
Hvordan bestemme vinneren i dette "kvante løpet"? For to år siden prøvde Monroe og kollegene å svare på dette spørsmålet ved å organisere den første komparative testen av kvantemaskiner. De valgte en IBM-kvantedatamaskin basert på superledende qubits som en konkurrent til den første versjonen av maskinen deres.
For å sammenligne dem, utarbeidet fysikere og programmerere fra University of Maryland det første settet med "kvante benchmarks" - enkle algoritmer som måler både datamaskinens nøyaktighet og hastighet. Testen avslørte ikke en direkte vinner - datamaskinen til Monroe og teamet hans vant nøyaktig, men tapte i hastighet til IBM-maskinen.
Samtidig mener Monroe at den såkalte kvanteoverlegenheten - opprettelsen av en kvantecomputer, hvis oppførsel ikke kan beregnes ved andre metoder - ikke vil være noen alvorlig vitenskapelig eller praktisk oppnåelse.
“Problemet ligger i selve konseptet. På den ene siden hjalp eksperimentene våre med fem dusin qubits, som Mikhails eksperimenter, til å beregne de tingene som ellers ikke kan beregnes. På den annen side kan ikke dette kalles overlegenhet, siden vi ikke kan bevise at det virkelig ikke kan beregnes på andre måter. Kvanteoverlegenhet vil vises før eller senere, men personlig vil jeg ikke jage etter det,”understreket forskeren.
En annen vanskelighetsgrad ligger i det faktum at vi ennå ikke kan si sikkert hvilke problemer kvantedatamaskiner kan løse og hvor anvendelsen av dem vil være mest berettiget og nyttig. For dette er det nødvendig at både det vitenskapelige miljøet og hele samfunnet begynner å oppfatte slike maskiner som et rimelig og universelt verktøy.
Universets kvante mysterier
Av den grunn tror ikke den amerikanske professoren at adiabatiske datasystemer som D-Wave-enhetene kan kalles kvantemaskiner. Arbeidet deres er ifølge fysikeren basert på helt klassiske fysiske prinsipper som ikke har noe med reell kvantemekanikk å gjøre.
Til tross for dette er analoge datamaskiner som disse ekstremt interessante fra et praktisk synspunkt. Du kan ganske enkelt ta noen få magneter, feste dem til et trekantet nett og spore oppførselen deres. Disse eksperimentene vil ikke ha noe med kvantefysikk å gjøre, men de vil gi rom for noen komplekse optimaliseringsberegninger. Investorer er interessert i dem, noe som betyr at dette ikke gjøres forgjeves, fortsetter professoren.
Hvilke oppgaver kan en "ekte" kvantecomputer løse? Som Monroe bemerket, har de siste årene mange andre fysikerteam kontaktet teamet hans. De planlegger å bruke maskinen sin til å løse mange viktige vitenskapelige problemer som ikke kan beregnes på en vanlig datamaskin.
Så langt kan de samme eksperimentene, som fysikeren innrømmet, utføres på vanlige superdatamaskiner. På den annen side vil antallet qubits i kvanteautomater øke betydelig, noe som vil gjøre deres arbeid utellelig.
Dette vil utvide anvendeligheten deres og gjøre slike eksperimenter til en av de mest interessante og unike måtene å studere de største og mest mystiske objektene i universet, samt løse mange hverdagslige oppgaver, for eksempel å finne ruter eller styre økonomien, konkluderer forskeren.
