Fizica cuantică guvernează tot ceea ce ne înconjoară. Este posibil să transformăm întregul Univers într-un computer cuantic, îl vor observa extratereștrii și de ce sunt necesare astfel de mașini - Jacob Biamonte, un profesor Skoltech, unul dintre experții de vârf în acest domeniu, răspunde la aceste întrebări și spune cum a ajuns în Rusia.
Viitor luminos
„Am venit pentru prima dată în Rusia în urmă cu mai bine de zece ani, și deloc să fac fizică. Sunt iubitor de arte marțiale, inclusiv sambo, și am venit aici pentru a studia și schimba experiențe. Mai târziu am aflat că există toate condițiile aici pentru a face științe avansate, atragerea oamenilor de știință din întreaga lume la cooperare”, spune omul de știință.
Astăzi, conduce laboratoarele cuantice Deep, create acum doi ani în cadrul Skoltech pentru a uni eforturile fizicienilor, matematicienilor, programatorilor și inginerilor ruși și străini care studiază problemele asociate dezvoltării sistemelor de calcul cuantic.
„Nu avem de-a face cu practica, ci cu toate aspectele teoretice și„ software”ale computării cuantice și interacționăm cu experimentatori, inclusiv oameni de știință Skoltech și specialiști de la Universitatea de Stat din Moscova, CCR și ITMO. Suntem deschiși pentru cooperare și suntem pregătiți să ajutăm orice experimentator care studiază astfel de probleme”, continuă profesorul.
Ce este un computer cuantic? Prin natura sa, este radical diferită de dispozitivele de calcul clasice, care permit operații matematice simple sau complexe pe numere sau seturi de date exprimate sub formă de zerouri și altele.
În vărurile cuantice ale calculatoarelor clasice, ale căror principii au fost formulate în urmă cu mai bine de 30 de ani de către fizicianul sovietic Yuri Manin, informațiile sunt codate într-un mod fundamental diferit. Celulele de memorie elementare, așa-numitele qubits, nu pot conține nici zero, nici unul, ci un întreg spectru de valori în intervalul dintre ele.
Video promotional:
Drept urmare, puterea unor astfel de computere crește exponențial: comportamentul unui procesor cuantic cu câteva zeci de bit-uri nu poate fi calculat chiar cu ajutorul celor mai puternice supercomputere clasice.
Multă vreme, astfel de mașini au rămas obiectul cercetărilor științifico-fictive și teoretice ale fizicienilor, dar în ultimii 15 ani, oamenii de știință au făcut o descoperire în crearea de garnituri și în combinarea lor în sisteme mai complexe. Cele mai avansate versiuni de computere cuantice dezvoltate la Google, IBM și la Universitatea Harvard de către grupul lui Mikhail Lukin conțin 20 până la 50 de cbiti.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor de fizică la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo.
În ciuda acestor progrese, dezvoltatorii acestor mașini presupun că sistemele de calcul pe deplin, capabile să rezolve orice problemă nu vor apărea în curând, în 10-20 de ani. Interesant este că această estimare nu s-a schimbat de la sfârșitul anilor 90, dar unele probleme noi apar constant, de fiecare dată lăsând deoparte „viitorul cuantic” strălucitor.
După cum a menționat Biamonte în prelegerile sale populare de știință, el ia o poziție specială: în opinia sa, sistemele de calcul cuantice „utile” vor apărea mult mai devreme, dar nu vor fi deloc ceea ce își imaginează publicul larg și mass-media.
„Astăzi există o mare problemă în fizică, care este în același timp principalul său avantaj. Experimentatorii rulează totul. Din anumite motive, ei cred că experimentele sunt mai importante pentru știință decât teoria. Datorită banilor investiți în acest domeniu, fizica teoretică a fost practic distrusă”, spune Biamonte.
Profesorul însuși se referă la el însuși ca un reprezentant al fizicii teoretice clasice, ale cărui idei au dominat știința în urmă cu un secol, la primele etape ale nașterii mecanicii cuantice și fizicii moderne Einstein. În ultimele decenii, oameni ca el au fost nevoiți să se mute în departamentele de matematică, unde sunt mult mai confortabili.
„Experimentatorii, inclusiv creatorii de calculatoare cuantice, nu le pasă decât de propriile proiecte. Cu câteva excepții, ei nu sunt interesați de ceea ce se știe despre capacitatea acestor dispozitive în general. Acest lucru le afectează mentalitatea și îi face să dea evaluări nu raționale, ci emoționale”, explică cercetătorul.
De exemplu, nu există încă o singură dovadă clară că computerele cuantice își pot întrece omologii clasici în viteza de calcul. În același timp, Biamonte specifică, dacă generalizăm toate modelele simplificate care demonstrează unele aspecte ale acestei superiorități, vom obține dovezi destul de convingătoare în favoarea superiorității calculatoarelor cuantice.
„Pe de o parte, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin și alți lideri în acest domeniu au dreptate: un computer cuantic nu prea vine în curând. Pe de altă parte, în acest caz vorbim despre mașini universale capabile să-și corecteze propriile greșeli”, notează fizicianul.
Lipsa unei astfel de abilități într-un computer, subliniază Biamonte, nu o face absolut inutilă sau inferioară.
Mașină de adăugare atomică
„Există nenumărate exemple de diferite sisteme cuantice din natură care nu au această capacitate. Comportamentul lor este foarte dificil de calculat folosind calculatoare obișnuite. Prin urmare, crearea unui sistem cuantic care simulează astfel de procese ne va permite să efectuăm calculele adecvate și să obținem ceva util”, spune omul de știință.
Această idee este departe de a fi nouă - a fost exprimată de celebrul fizician american Richard Feynman, la doar doi ani de la publicarea primelor articole ale lui Manin. După cum a menționat Biamonte, experimentatorii dezvoltă în mod activ astfel de sisteme în ultimii ani, iar teoreticienii se gândesc unde pot fi aplicați.
Astfel de dispozitive de calcul analogice, așa-numitele computere adiabatice sau „recoacere” în jargonul fizicienilor, nu trebuie să utilizeze efecte cuantice - pentru multe probleme, interacțiunile clasice între atomi sunt suficiente.
„Există trei tipuri de computere de acest fel - mașini clasice de recoacere, omologii lor accelerate cuantice și procesoare cuantice cu drepturi depline, bazate pe porți logice cuantice. Acestea din urmă au fost create în laboratoarele IBM, primul - în Fujitsu, al doilea - în D-Wave , spune savantul.
Biamonte și colegii săi Skoltech sunt cei mai interesați de mașinile de clasa a treia. Astfel de dispozitive, a spus el, sunt destul de dificil de creat, dar pot fi folosite pentru a rezolva cele mai complexe probleme de optimizare: de la învățarea mașinii până la dezvoltarea de noi medicamente.
„Aceste aparate sunt foarte interesante, dar primele dispozitive reale de acest tip vor apărea abia peste câțiva ani. Pe de altă parte, este posibilă crearea de recoafe clasice și cuantice chiar acum. Și acum, în practică, ele rămân cele mai utile dintre calculatoarele cuantice”, adaugă Biamonte.
Cercetătorul continuă multe procese în fizica particulelor, sunt programate după natură astfel încât să se optimizeze, încercând să atingă un minim de energie. În consecință, dacă învățăm să controlăm aceste procese, putem face un set de atomi sau alte obiecte să facă aceste calcule pentru noi.
„De ce să pierzi o cantitate imensă de timp procesor pentru o astfel de optimizare, dacă poate fi făcută de un dispozitiv de recoacere clasic sau de un dispozitiv cuantic similar cu D-Wave? Figurativ vorbind, de ce, atunci când studiați vântul, folosiți un tunel eolian virtual, dacă avem deja unul real? Multe companii rusești se gândesc la acest lucru și cooperăm activ cu acestea”, subliniază savantul.
Finalizarea cu succes a acestor experimente va deschide calea pentru dezvoltarea agenților de recoacere cuantică, în care principiile fizicii cuantice sunt utilizate pentru a accelera interacțiunile dintre atomi și alte particule. Desigur, unele sarcini științifice nu le vor fi disponibile, dar pot rezolva multe probleme de zi cu zi, cum ar fi optimizarea traficului sau gestionarea portofoliului de acțiuni.
Cei mai mulți observatori, notează profesorul Skoltech, consideră că Google va câștiga în cursa cuantică. Biamonte nu este de acord cu acest lucru: reprezentanții companiei californiene îi plac foarte mult să vorbească despre succesele lor, dar aproape că nu publică articole științifice și nu dezvăluie secretele dispozitivului mașinilor lor cuantice.
În opinia sa, inginerii IBM sunt cei mai apropiați de obiectiv - computerele acestei companii funcționează cu adevărat și pot fi verificate oricând prin sisteme cloud speciale. Dar scara este încă destul de limitată și aceste mașini nu pot fi încă utilizate pentru a rezolva probleme complexe.
Galaxii gânditoare
Dacă astfel de sisteme „grave” sunt create în viitorul apropiat, apare o întrebare firească: din ce pot fi făcute, din ce dimensiune pot ajunge și cum vor afecta viața noastră?
Potrivit lui Biamonte însuși, nu există limitări fizice fundamentale pentru computerele cuantice (sau dispozitivele de recoacere) cu milioane de cioburi. Pe de altă parte, este complet de neînțeles cât de multe cioburi vor exista în realitate, întrucât acum suntem în stadii foarte timpurii ale dezvoltării tehnologiilor cuantice.
„Până în prezent, încercăm să adaptăm tehnologiile disponibile deja în industria electronică pentru a funcționa cu computerele cuantice. Cu toate acestea, nimeni nu este sigur că acesta este calea corectă. Există sisteme care sunt mult mai potrivite pentru construirea de mașini cuantice. Cu toate acestea, sunt mult mai dificil de gestionat”, explică omul de știință.
De exemplu, defectele speciale din interiorul diamantelor sunt aproape la fel de bine izolate de lumea exterioară ca atomii singulari în vidul spațiului. Cât de multe astfel de puncte se pot încadra într-un diamant și cât de apropiate pot fi unele față de altele fără a interfera cu munca vecinilor, nu este încă clar. Răspunsul la aceste întrebări determină dacă diamantele vor fi utilizate în computerele cuantice.
Mașini cuantice foarte mari, după cum a menționat profesorul Skoltech, vor rezolva nu numai probleme practice legate de viața de zi cu zi a omului, ci și cele mai interesante puzzle-uri științifice.
Poate că vor dezvălui natura cuantică a gravitației și vor testa teoriile lui Biamonte asupra simetriei timpului, observând dacă tulburările speciale apar în activitatea lor atunci când încearcă să rupă această simetrie sau timpul invers când efectuează calcule pe astfel de mașini.
Când umanitatea va face față acestor sarcini, ce va face știința în continuare? Această întrebare, spune Biamonte, este în mod paradoxal legată de căutarea vieții extraterestre și de modul în care reprezentanții civilizațiilor extraterestre pot semnaliza existența lor.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte și colegii săi de la laboratoarele cuantice Deep.
„Imaginează-ți că vom supune toată energia și puterea universului. Ce vom face mai întâi? Desigur, ne putem distruge pe noi înșine, dar există un scenariu mai interesant. De exemplu, vom avea ocazia să accelerăm mișcarea Pământului la viteze ultra-mari și să lăsăm un computer pe orbită”, spune fizicianul.
Conform teoriei relativității, timpul de pe planetă va încetini. Dacă petrecem zeci de ani în această stare, o mașină de calcul cuantic sau un computer obișnuit din „lumea exterioară” va funcționa mai multe milenii. Mai mult, acesta nu este neapărat un computer creat de om, rolul său poate fi jucat de diverse obiecte spațiale - nori gigantici de gaz, de exemplu.
„Cât de des poți face asta? Nu există o limită explicită la o astfel de „accelerare a calculelor”, dar știm cu toții că Universul târziu nu va fi un loc foarte interesant pentru noi. Stelele vor începe treptat să se estompeze, iar galaxiile vor deveni invizibile între ele datorită extinderii universului”, notează profesorul.
Reflecții similare ridică o întrebare firească: dacă umanitatea o poate face, ce împiedică extratereștrii să facă la fel? În consecință, unele urme ale unui astfel de calcul cuantic „spațial” sau omologii lor clasici trebuie să fie prezente în spațiu. Ce ar indica acest lucru, calculatoarele cuantice uriașe ale extratereștrilor?
„Nu pot da un răspuns exact la întrebarea ce ar putea fi sau să sugerez cum să le cauți. În același timp, existența unor astfel de „calculatori universali” mi se pare mult mai probabilă decât apariția spontană a „planetelor inteligente” și a altor obiecte cosmice capabile să fie conștiente de ele însele, care sunt adesea discutate de filosofii „cuantici”, concluzionează Biamonte.
