Ce este un computer cuantic și în ce constă? Nu toate computerele au dreptul la un astfel de nume. De ce este așa și de ce este nevoie de astfel de instalații, explică Christopher Monroe, profesor la Universitatea Maryland și unul dintre jucătorii de frunte în „cursa cuantică” globală.
Centrul rusesc cuantic organizează în mod regulat conferințe internaționale importante la Moscova dedicate dezvoltării tehnologiilor cuantice și aplicării lor practice. Nu numai cercetătorii de frunte participă la lucrările sale, ci și reprezentanții marilor afaceri rusești și străini și oficiali guvernamentali.
În acest an, la conferință au participat liderii a trei echipe științifice care conduc în crearea de sisteme complexe de calcul cuantic. În afară de Mikhail Lukin, profesor la Universitatea Harvard (SUA), care a anunțat pentru prima dată crearea unui computer record de 51 de qubit la conferința anterioară, au participat la ea profesorii Christopher Monroe și Harmut Neven.
Monroe, care lucrează astăzi la Universitatea Maryland (SUA), a creat o mașină de putere similară aproape simultan cu omologul său ruso-american, folosind principii similare, dar ușor diferite.
El a vorbit despre direcția în care se dezvoltă acest sistem, despre cum se diferențiază de „concurenți” și unde se află granița dintre computerele cuantice reale care corespund complet acestui termen și sistemele de calcul care sunt construite pe baza principiilor clasice.
Superioritate cuantică
Calculatoarele cuantice sunt dispozitive de calcul speciale a căror putere crește exponențial datorită utilizării legilor mecanicii cuantice în activitatea lor. Toate aceste dispozitive constau din qubits - celule de memorie și, în același timp, module de calcul primitive, capabile să stocheze o gamă de valori între zero și unul.
Video promotional:
Astăzi, există două abordări principale ale dezvoltării unor astfel de dispozitive - clasic și adiabatic. Proponenții primului dintre ei încearcă să creeze un computer cuantic universal, în care qubit-urile să se supună regulilor prin care funcționează dispozitivele digitale obișnuite. În mod ideal, lucrul cu un astfel de dispozitiv de calcul nu ar fi foarte diferit de modul în care inginerii și programatorii operează computerele convenționale.
Un computer adiabatic este mai ușor de creat, dar este mai aproape în principiile sale de funcționare de a adăuga mașini, reguli de diapozitive și computere analogice de la începutul secolului XX, și nu de dispozitivele digitale ale vremii noastre. Există, de asemenea, abordări hibride care combină caracteristicile ambelor mașini. Dintre acestea, potrivit lui Monroe, pot fi atribuite computerului lui Mikhail Lukin.
Conform lui Monroe, acest lucru se datorează faptului că celulele de memorie din mașina sa sunt construite pe baza ionilor din ytterbium din metale rare, a căror stare nu se schimbă atunci când este manipulată cu fascicule laser. Calculatorul cuantic al lui Lukin, la rândul său, este construit pe baza așa-numitilor atomi Rydberg, care nu sunt protejați de astfel de influențe.
Sunt atomi de rubidiu-87 sau alte metale alcaline, al căror electron liber a fost „împins” la o mare distanță de nucleu folosind impulsuri speciale cu laser sau unde radio. Din această cauză, dimensiunea atomului crește de aproximativ un milion de ori, ceea ce îl transformă într-un qubit, dar, așa cum a explicat Monroe, nu permite deplasarea acestuia fără a deforma această structură și a distruge stările cuantice.
Absența unor astfel de probleme în ioni, potrivit fizicianului american, a permis echipei sale să creeze nu un hibrid, ci un computer cuantic pe deplin controlat, ai cărui oameni de știință pot să manipuleze direct în cursul calculului.
De exemplu, în urmă cu trei ani, cu mult înainte de crearea de mașini mai mari, Monroe și echipa sa au anunțat că au reușit să creeze primul computer cuantic reprogramabil, care consta din cinci celule de memorie. Această mașină modestă, datorită flexibilității ridicate, a permis fizicienilor să execute mai multe programe cuantice simultan.
În special, au reușit să ruleze algoritmii Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani pe acest mini-computer, precum și să creeze o versiune cuantică a transformărilor Fourier, piatra de temelie a criptografiei și ruperea acesteia.
Aceste succese, precum și dificultatea de a menține un număr mare de ioni în capcane, notează Monroe, l-au determinat să creadă că sistemele cuantice de calcul ar trebui să fie construite modular, mai degrabă decât monolitice. Cu alte cuvinte, calculatoarele cuantice „grave” nu vor fi un singur întreg, ci un fel de rețea, format din multe module similare și destul de simple.
Vacuum imperfect
Astfel de sisteme, după cum a menționat profesorul american, există deja, dar nu sunt încă utilizate în prototipurile de calculatoare cuantice dintr-un singur motiv - funcționează de aproximativ o sută de ori mai lent decât qubitele în sine. Cu toate acestea, el consideră că această problemă este complet rezolvabilă, deoarece are mai degrabă o natură inginerească decât una științifică.
O altă problemă potențială care va interfera cu funcționarea calculatoarelor cuantice monolitice sau doar cuantice mari este că vidul, așa cum a spus Monroe, nu este perfect. Acesta conține întotdeauna un număr mic de molecule, fiecare putând să se ciocnească cu qubituri atomice și să interfereze cu munca lor.
Singura modalitate de a depăși acest lucru este de a răci și mai mult calculatorul cuantic, cât mai aproape de zero absolut. Echipa lui Monroe nu este încă angajată în acest lucru, deoarece numărul de cioburi din mașina lor este mic, dar în viitor această problemă va trebui cu siguranță rezolvată.
Abordarea modulară, după cum sugerează profesorul american, va fi o altă modalitate de a rezolva această problemă, deoarece va permite ruperea computerului în multe părți independente care conțin un număr relativ redus de qubits. În teorie, nu va rula la fel de rapid ca o mașină monolitică, dar va eluda problema „vidului imperfect”, deoarece modulele vor fi mai ușor de răcit și de controlat.
Când va veni acest timp? Așa cum sugerează Monroe, în următorii trei-cinci ani, vor fi create mașini care includ câteva sute de biți. Acestea vor fi capabile să efectueze câteva zeci de mii de operațiuni și nu vor necesita sisteme de răcire sau de corectare a erorilor extreme.
Astfel de mașini vor putea rezolva multe probleme practice complexe, dar nu vor fi computere cu drepturi depline în sensul clasic al cuvântului. Pentru a face acest lucru, va trebui să creșteți numărul de ciorchini și să-i „învățați” să corecteze în mod independent greșelile din activitatea lor. Acest lucru, potrivit fizicianului, va mai dura încă cinci ani.
Întinderea finală a cursei
Primele computere cuantice complexe, potrivit lui Monroe, vor fi construite pe baza tehnologiilor ionice sau atomice, deoarece toate celelalte variante de cabluri, inclusiv celule de memorie promițătoare cu semiconductor, nu au ajuns încă la un nivel similar de dezvoltare.
„Până acum, toate acestea sunt experimente de laborator universitar. Aceste chei nu pot fi utilizate pentru a crea porți logice complete. Prin urmare, sunt de acord cu Mikhail că colegii noștri din Australia, Intel și alte echipe vor trebui să rezolve multe probleme practice înainte de a putea crea un sistem de calcul pe deplin”, notează fizicianul.
Cum să determinați câștigătorul în această „cursă cuantică”? Acum doi ani, Monroe și colegii săi au încercat să răspundă la această întrebare organizând prima testare comparativă a calculatoarelor cuantice. Au ales un computer cuantic IBM bazat pe qubit-uri supraconductoare ca un concurent pentru prima versiune a mașinii lor.
Pentru a le compara, fizicienii și programatorii de la Universitatea din Maryland au pregătit primul set de „repere cuantice” - algoritmi simpli care măsoară atât precizia, cât și viteza acestor computere. Testul nu a dezvăluit un câștigător direct - computerul Monroe și echipa sa au câștigat exact, dar au pierdut în viteză față de mașina IBM.
În același timp, Monroe consideră că așa-numita superioritate cuantică - crearea unui computer cuantic, al cărui comportament nu poate fi calculat prin alte metode - nu va fi o realizare științifică sau practică serioasă.
„Problema constă în conceptul în sine. Pe de o parte, experimentele noastre cu cinci zeci de exemplare, cum ar fi experimentele lui Mikhail, au ajutat la calcularea acelor lucruri care altfel nu pot fi calculate. Pe de altă parte, aceasta nu poate fi numită superioritate, deoarece nu putem dovedi că într-adevăr nu poate fi calculată în alte moduri. Superioritatea cuantică va apărea mai devreme sau mai târziu, dar personal nu o voi urmări”, a subliniat omul de știință.
O altă dificultate constă în faptul că încă nu putem spune cu siguranță ce probleme pot rezolva computerele cuantice și unde aplicația lor va fi cea mai justificată și utilă. Pentru aceasta, este necesar ca atât mediul științific, cât și întreaga societate să înceapă să perceapă astfel de mașini ca un instrument accesibil și universal.
Misterele cuantice ale universului
Din acest motiv, profesorul american nu crede că sistemele de calcul adiabatice precum dispozitivele D-Wave pot fi numite computere cuantice. Munca lor, potrivit fizicianului, se bazează pe principii fizice complet clasice care nu au nicio legătură cu mecanica cuantică reală.
„În ciuda acestui fapt, computerele analogice ca acestea sunt extrem de interesante din punct de vedere practic. Puteți pur și simplu să luați câțiva magneți, să îi atașați la o plasă triunghiulară și să le urmăriți comportamentul. Aceste experimente nu vor avea nimic de-a face cu fizica cuantică, dar vor permite unele calcule complexe de optimizare. Investitorii sunt interesați de ei, ceea ce înseamnă că acest lucru nu este făcut în zadar”, continuă profesorul.
Ce sarcini poate rezolva un computer cuantic „real”? După cum a menționat Monroe, în ultimii ani, multe alte echipe de fizicieni au contactat echipa sa. Ei intenționează să-și folosească mașina pentru a rezolva multe probleme științifice importante care nu pot fi calculate pe un computer convențional.
În timp ce aceleași experimente, după cum a recunoscut fizicianul, pot fi efectuate pe supercomputere obișnuite. Pe de altă parte, în anii următori, numărul de cioburi în mașinile cuantice va crește semnificativ, ceea ce va face munca lor de necontestat.
Acest lucru le va extinde aplicabilitatea și va face astfel de experimente unul dintre cele mai interesante și unice moduri de a studia cele mai mari și mai misterioase obiecte din Univers, precum și de a rezolva multe sarcini cotidiene, cum ar fi găsirea rutelor sau gestionarea economiei, concluzionează cercetătorul.
