După zeci de ani de muncă asiduă fără prea multe speranțe de succes, o activitate agitată s-a dezvoltat brusc în jurul calculării cuantice. În urmă cu aproape doi ani, IBM a arătat lumii un computer cuantic cu cinci biți cuantici (qubits), pe care acum (care sună puțin ciudat) îi numesc IBM Q Experience. Pe atunci, dispozitivul semăna mai mult cu o jucărie pentru cercetători decât cu un instrument de prelucrare serioasă a datelor. Cu toate acestea, 70 de mii de utilizatori din întreaga lume s-au înregistrat la proiect, iar până acum numărul de cabluri s-a quadruplicat. În urmă cu câteva luni, IBM și Intel au anunțat crearea computerelor cuantice cu 50 și 49 de cbiti. De asemenea, se știe că un alt computer așteaptă în aripi în pereții Google. „Comunitatea este plină de energie, iar descoperirile recente sunt uimitoare”.- spune fizicianul Jens Eisert de la Universitatea Liberă din Berlin.
În prezent, se vorbește despre „supremația cuantică” iminentă: perioada în care un computer cuantic poate efectua o sarcină dincolo de puterea chiar și a celor mai puternice supercomputere clasice. Dacă comparăm doar numere, atunci o astfel de afirmație poate părea ridicolă: 50 de cbți față de miliarde de biți clasici în orice laptop. Dar întregul punct al calculului cuantic este că bitul cuantic este capabil de mult mai mult decât cel clasic. Multă vreme, s-a crezut că 50 de cbiti ar fi suficienți pentru a efectua calcule pe care un computer convențional le va efectua la nesfârșit. La jumătatea anului 2017, cercetătorii de la Google au anunțat că vor demonstra superioritate cuantică până în decembrie. (La o cerere recentă de date noi, un purtător de cuvânt al companiei a răspuns: „Vom anunța rezultatele,de îndată ce sunt suficient de fundamentate, dar deocamdată se realizează o analiză amănunțită a evoluțiilor existente. )
Aș dori să conchid că toate problemele principale pot fi rezolvate și că viitorul, în care calculatoarele cuantice sunt un fenomen omniprezent, este doar o problemă de echipament tehnic. Dar va greși. Problemele fizice din centrul calculului cuantic sunt încă departe de a fi rezolvate.
Chiar dacă în curând vom intra într-o eră a supremației cuantice, anul următor sau două ar putea fi decisive - computerele cuantice vor schimba cu adevărat complet modul în care facem calculul? Miza este încă mare și nu există nicio garanție că ținta va fi îndeplinită.
Taci și calculează
Atât beneficiile cât și provocările calculului cuantic sunt inerente fizicii care o fac posibilă. Elementele de bază au fost deja spuse de mai multe ori, deși nu a fost întotdeauna clarificat ce necesită mecanica cuantică. Calculatoarele clasice stochează informații și le prelucrează în cod binar (0 sau 1). În computerele cuantice, situația este aproape aceeași, doar fiecare bit este într-o așa-numită superpoziție, adică poate fi atât 0 cât și 1 în același timp. Aceasta înseamnă că starea unui qubit poate fi determinată doar cu un anumit grad de probabilitate.
Pentru a efectua un calcul cu un număr mare de qubits, toate trebuie să fie în superpoziții interdependente - într-o stare de „coerență cuantică”, în care toate qubit-urile sunt considerate încurcate. În acest caz, cea mai mică schimbare într-un qubit poate afecta toate celelalte. Adică operațiunile de calcul care folosesc qubits au o performanță mai mare decât utilizarea biților clasici. Într-un dispozitiv clasic, capacitățile de calcul depind pur și simplu de numărul de biți, dar adăugarea fiecărui nou qubit crește capacitățile unui computer cuantic de 2 ori. Acesta este motivul pentru care diferența dintre un dispozitiv cu 5 cbți și un dispozitiv de 50 de cb este atât de semnificativă.
Video promotional:
Notă, nu am spus, așa cum se face adesea, că avantajul unui computer cuantic față de unul clasic constă în existența unor superpoziții, care cresc foarte mult numărul posibilelor stări de informații codate. Așa cum nu am spus, încurcarea permite efectuarea simultană a mai multor calcule. (De fapt, un grad ridicat de înțelegere a cablurilor nu este o condiție prealabilă.) Există oarecare adevăr în acest sens, dar niciuna dintre afirmații nu descrie esența calculului cuantic.
Din cauza complexității înțelegerii mecanicii cuantice, explicarea motivului pentru care calculul cuantic este atât de puternic este o sarcină descurajantă. Ecuațiile teoriei cuantice arată cu siguranță că va funcționa - cel puțin cu un fel de calcul: factorizarea sau căutarea unei baze de date grăbește enorm procesul. Dar cât de exact?
Poate că cea mai sigură modalitate de a descrie calculul cuantic este să spunem că mecanica cuantică creează într-un fel „posibilități” de calcul care nu sunt disponibile dispozitivelor clasice. După cum a menționat fizicianul Daniel Gottesman al Institutului Perimetrului de Fizică Teoretică (Institutul Perimetral) din Waterloo: „Dacă există suficientă mecanică cuantică, atunci într-un anumit sens, procesul se accelerează și, dacă nu, nu este”.
Deși unele puncte sunt încă clare. Calcularea cuantică necesită ca toate qubit-urile să fie coerente, ceea ce este extrem de dificil de implementat. Interacțiunea sistemului de qubituri coerente cu mediul creează canale prin care coerența „scurge” rapid. Acest proces se numește decoență. Oamenii de știință care intenționează să construiască un computer cuantic trebuie să prevină decernarea. Acum reușesc doar să o oprească pentru o secundă. Situația devine mai complicată atunci când numărul de cioburi și, în consecință, capacitatea de interacțiune cu mediul crește. De aceea, deși ideea computerelor cuantice a fost propusă pentru prima dată de Richard Feynman încă din 1982, iar teoria a fost dezvoltată la începutul anilor 1990, dispozitivele capabile să efectueze calcul real sunt abia acum create.
Erori cuantice
Există un al doilea motiv major pentru care construirea unui computer cuantic este atât de dificilă. Ca orice alt proces din lume, face zgomot. Fluctuațiile aleatorii, care se declară, spun, din cauza temperaturii șobolanilor sau din cauza particularităților proceselor mecanice cuantice fundamentale, pot schimba direcția sau starea qubit-ului, ceea ce duce la calcule inexacte. O astfel de amenințare există în lucrul cu calculatoarele clasice, dar este destul de ușor de rezolvat. Trebuie doar să creați două sau mai multe copii de rezervă ale fiecărui bit, astfel încât un bit răsturnat accidental să nu fie numărat.
Oamenii de știință care lucrează la crearea unui computer cuantic au dezvoltat mai multe modalități de soluționare a problemei, dar toate strategiile duc la apariția prea multor costuri de calcul suplimentare, deoarece toată puterea de calcul este cheltuită pentru corectarea erorilor și nu pentru executarea algoritmilor date. „Rata de eroare actuală limitează în mod semnificativ durata de timp pe care o poate lua un calcul”, explică Andrew Childs, co-director al Centrului comun pentru informații cuantice și științe computationale de la Universitatea din Maryland. „Trebuie să îmbunătățim semnificativ rezultatele dacă dorim să creăm ceva interesant.”
Multe cercetări în domeniul calculului cuantic fundamental se concentrează pe tehnici de corectare a erorilor. O parte din complexitatea problemei provine dintr-o altă proprietate-cheie a sistemelor cuantice: superpozițiile pot fi menținute doar dacă nu măsurați valoarea unui qubit. Măsurarea va distruge superpoziția și va duce la o anumită valoare: 1 sau 0. Cum puteți spune dacă a existat o eroare în funcționarea unui qubit dacă nu știți în ce stare se afla?
O schemă inteligentă sugerează utilizarea calculului indirect prin combinarea unui qubit cu un al doilea qubit auxiliar. Acesta din urmă nu este implicat în calcul, astfel încât măsurarea sa nu afectează starea qubit-ului principal. Dar este destul de dificil să îl implementăm. Această soluție înseamnă că este nevoie de multe qubit-uri fizice pentru a crea un adevărat „qubit logic” care este imun la erori.
Cat de mult? Teoreticianul cuantic Alan Aspuru-Guzik de la Universitatea Harvard consideră că va fi nevoie de aproximativ zece mii de bijuterii fizice pentru a crea un qubit logic, ceea ce nu este posibil în prezent. Potrivit acestuia, dacă totul merge bine, acest număr va scădea la câteva mii sau chiar sute. Aisert nu este atât de pesimist și consideră că aproximativ opt sute de cbituri fizice vor fi suficiente, dar recunoaște că, chiar și în această situație, „costurile suplimentare ale puterii de calcul vor fi în continuare mari”. Trebuie să găsiți o modalitate de a face față greșelilor.
Există o alternativă la remedierea erorilor. Ele pot fi evitate sau împiedicate să apară în ceea ce se numește atenuarea erorilor. Cercetătorii de la circuitele de proiectare IBM să calculeze matematic probabilitatea unei erori și apoi iau rezultatul ca zgomot zero.
Unii cercetători consideră că problema corectării erorilor va rămâne nerezolvată și va împiedica calculatoarele cuantice să atingă înălțimile prevăzute. „Crearea codurilor cuantice de corecție a erorilor este mult mai dificilă decât demonstrarea superiorității cuantice”, explică Universitatea ebraică din Israel, matematicianul Gil Kalai. El mai adaugă că „dispozitivele de corectare a erorilor nu sunt foarte primitive în calculele lor, iar superioritatea nu se poate baza pe primitivitate”. Cu alte cuvinte, calculatoarele cuantice nu vor depăși calculatoarele clasice dacă nu sunt eliminate erorile.
Alți oameni de știință cred că problema va fi rezolvată în cele din urmă. Unul dintre ei este Jay Gambetta, un informatician cuantic la Centrul IBM pentru Calcularea Cuantică. Thomas J. Watson. „Experimentele noastre recente au demonstrat elementele de bază ale corectării erorilor la dispozitivele mici, care la rândul lor deschid calea pentru dispozitivele mai mari care pot stoca informații cuantice în mod sigur pentru perioade îndelungate de timp în prezența zgomotului”, spune el. Totuși, Gambetta recunoaște că, chiar și în situația actuală, „există încă un drum lung de parcurs la crearea unui computer cuantic universal, rezistent la erori, folosind qubituri logice”. Mulțumită unei astfel de cercetări, Childs este optimist. „Sunt sigur că vom vedea o demonstrație de experimente și mai reușite [de remediere a erorilor], dar,probabil că va dura mult timp până vom începe să utilizăm computere cuantice pentru calcule reale."
Trăind cu greșeli
În viitorul apropiat, calculatoarele cuantice vor funcționa defectuos. Se pune întrebarea: cum să trăiești cu ea? Oamenii de știință IBM spun că, pentru viitorul previzibil, domeniul cercetării „despre calculul cuantic aproximativ” se va concentra pe găsirea unor modalități de adaptare la zgomot.
Aceasta necesită crearea unor astfel de algoritmi care vor produce rezultatul corect, ignorând erorile. Procesul poate fi comparat cu numărarea rezultatelor alegerilor, care nu ia în considerare buletinele de vot deteriorate. „Chiar dacă face unele greșeli, un calcul cuantic de înaltă calitate suficient de mare ar trebui să fie mai eficient decât [clasic]”, spune Gambetta.
Una dintre aplicațiile mai recente tolerante la erori ale tehnologiei pare să aibă o valoare mai mare pentru oamenii de știință decât pentru lumea largă: modelarea materialelor la nivel atomic. (De fapt, aceasta a fost motivația care l-a determinat pe Feynman să vină cu ideea calculatoarelor cuantice.) Ecuațiile mecanicii cuantice descriu modul în care se calculează stabilitatea sau reactivitatea chimică (de exemplu, în moleculele de medicamente). Dar aceste ecuații nu pot fi rezolvate fără a utiliza o mulțime de simplificări.
Cu toate acestea, potrivit Childs, comportamentul cuantic al electronilor și atomilor "este relativ aproape de comportamentul natural al unui computer cuantic". Aceasta înseamnă că ar putea fi construit un model computerizat exact al moleculei. „Mulți membri ai comunității științifice, inclusiv eu, cred că prima aplicație de succes a unui computer cuantic va fi asociată cu chimia cuantică și știința materialelor”, spune Aspuru-Guzik: a fost unul dintre primii care au început să împingă calculul cuantic în această direcție.
Modelarea cuantică se dovedește utilă chiar și pe cele mai mici computere cuantice disponibile astăzi. O echipă de cercetători, care include Aspuru-Guzik, a dezvoltat un algoritm pe care l-au numit „Metoda variațională pentru rezolvarea problemelor în mecanica cuantică” (în continuare - VMR). Acest algoritm vă permite să găsiți cea mai puțin consumătoare stare de energie a unei molecule, chiar și în zgomotele zgomotoase. În momentul de față, poate trata doar molecule foarte mici cu puțini electroni. Calculatoarele clasice fac bine această sarcină. Dar puterea cuantică este în continuă creștere, după cum au arătat Gambetta și colegii săi, în septembrie trecut, când au folosit un dispozitiv pe șase kbituri pentru a calcula structura electronică a moleculelor precum hidrură de litiu și hidrură de beriliu. Lucrarea a fost "o descoperire semnificativă pentru științele cuantice"după cum a afirmat fizicianul chimist Markus Reicher de la Școala Tehnică Elvețiană din Zurich. „Utilizarea BMP pentru modelarea moleculelor mici este un excelent exemplu al modului în care algoritmii euristici pe termen scurt pot fi aplicați”, spune Gambetta.
Însă, potrivit Aspuru-Guzik, vor fi necesare cabluri logice capabile să corecteze erorile chiar înainte ca computerele cuantice să le depășească pe cele clasice. „Abia aștept până când calcularea cuantică de corectare a erorilor devine realitate”, a comentat el.
„Dacă am avea mai mult de două sute de exemplare, am putea face lucruri cu adevărat inovatoare”, a adăugat Reicher. "Și cu 5.000 de cb, un computer cuantic ar putea avea un impact major asupra științei."
Care este volumul tău?
Aceste obiective sunt incredibil de greu de atins. În ciuda tuturor dificultăților, calculatoarele cuantice de la cinci-qubit până la 50 de biți într-un singur an - acest fapt dă speranță. Cu toate acestea, nu te agăța prea mult de aceste numere, pentru că spun doar o mică parte din poveste. Acum, nu este cât de multe cb-uri aveți mai importante, ci cât de bine funcționează și cât de eficiente sunt algoritmii pe care i-ați dezvoltat.
Orice calcul cuantic se încheie cu decoherență, care amesteca știfturile. În mod obișnuit, timpul de decernare pentru un grup de picături este de câteva microsecunde. Numărul de operații logice care pot fi efectuate într-un timp atât de scurt depinde de viteza de comutare a porții cuantice. În cazul în care viteza este prea mică, nu contează câte cbiti aveți la dispoziție. Numărul de operații necesare pentru un calcul dat se numește profunzime de calcul: algoritmii de adâncime mică sunt mai eficienți decât algoritmii profunzi. Cu toate acestea, nu se știe cu siguranță dacă sunt utile în calcule.
Mai mult, nu toate zambetele sunt la fel de zgomotoase. Teoretic este posibil să se creeze rabaturi cu zgomot redus din materiale care se află într-o așa-numită „stare electronică topologică”: dacă particulele din această stare sunt folosite pentru a codifica informațiile binare, acestea vor fi protejate de zgomotul aleatoriu. În încercarea de a găsi particule într-o stare topologică, cercetătorii de la Microsoft studiază în primul rând materiale cuantice exotice. Cu toate acestea, nu există nicio garanție că cercetarea lor va avea succes.
Pentru a denota puterea calculării cuantice pe un anumit dispozitiv, cercetătorii de la IBM au inventat termenul „volumul cuantic”. Acesta este un număr care unește toți factorii importanți: profunzimea algoritmului, numărul și conectivitatea cablurilor, precum și alți indicatori ai calității porților cuantice (de exemplu, zgomot). În general, acest „volum cuantic” caracterizează puterea calculării cuantice. Potrivit Gambetta, acum este necesar să se dezvolte echipamente de calcul cuantic care să crească volumul cuantic disponibil.
Acesta este unul dintre motivele pentru care supremația cuantică evazată este o idee destul de vagă. Ideea că un computer cuantic de 50 de cb va depăși supercomputerele moderne sună atractiv, dar rămân multe întrebări nerezolvate. Când rezolvați exact ce probleme depășește un computer cuantic supercomputere? Cum se poate determina dacă un computer cuantic a primit răspunsul corect dacă nu poate fi verificat cu un dispozitiv clasic? Ce se întâmplă dacă un computer clasic este mai eficient decât un computer cuantic dacă se găsește un algoritm mai bun?
Astfel, supremația cuantică este un concept care necesită prudență. Unii cercetători preferă să vorbească despre „avantajul cuantic”, despre un salt în dezvoltarea tehnologiilor cuantice, decât despre victoria finală a computerelor cuantice față de cele obișnuite. Mai mult, majoritatea încearcă să nu folosească cuvântul „superioritate”, deoarece conține conotații politice și rasiste negative.
Indiferent de nume, dacă oamenii de știință pot demonstra că calculatoarele cuantice pot îndeplini sarcini pe care dispozitivele clasice nu le pot face, atunci acesta va fi un moment psihologic extrem de important pentru acest domeniu. „Demonstrația unui avantaj cuantificabil incontestabil va intra în istorie. Acest lucru va demonstra că calculatoarele cuantice pot extinde cu adevărat capacitățile noastre tehnologice”, spune Aizert.
Poate că acesta va fi un eveniment simbolic, mai degrabă decât o schimbare radicală în domeniul calculului. Cu toate acestea, merită să fiți atenți. Dacă computerele cuantice depășesc computerele convenționale, nu va fi din cauză că IBM și Google le lansează brusc pe piață. Pentru a obține supremația cuantică, trebuie să stabiliți un sistem complex de interacțiune între dezvoltatori și utilizatori. Iar acesta din urmă trebuie să fie ferm convins că noutatea merită încercată. În continuarea acestei colaborări, IBM și Google încearcă să ofere utilizatorilor evoluțiile lor cât mai repede posibil. Anterior, IBM a oferit toate înregistrările la site-ul acces la computerul său IBM Q de 16 cb. Acum compania a dezvoltat o versiune de 20 de qubit pentru clienți corporativi, inclusiv JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung și Universitatea din Oxford. O astfel de colaborare nu numai că ajută clienții să găsească ceva util și interesant, ci creează și o comunitate cu programatori cuantici care vor dezvolta noi funcții și vor rezolva probleme care nu pot fi rezolvate în cadrul unei companii.
„Pentru ca domeniul calculării cuantice să se dezvolte activ, trebuie să le oferi oamenilor posibilitatea de a utiliza și studia calculatoarele cuantice”, spune Gambetta. "Întreaga lume științifică și industrială trebuie să se concentreze pe o singură sarcină - pregătirea pentru era calculatoarelor cuantice."
Traducere de proiect Nou
Philip Ball
