Hvad er en kvantecomputer, og hvad består den af? Ikke alle computere har ret til et sådant navn. Hvorfor det er sådan, og hvorfor sådanne installationer er nødvendige, forklarer Christopher Monroe, professor ved University of Maryland og en af de førende spillere i det globale "kvante løb".
Det russiske Quantum Center afholder regelmæssigt store internationale konferencer i Moskva, der er dedikeret til udvikling af kvanteteknologier og deres praktiske anvendelse. Ikke kun førende forskere deltager i sit arbejde, men også repræsentanter for store russiske og udenlandske forretnings- og regeringsembedsmænd.
I år deltog konferencen af lederne af tre videnskabelige teams, der førte inden for oprettelsen af komplekse kvantecomputersystemer. Foruden Mikhail Lukin, en professor ved Harvard University (USA), der først bebudede oprettelsen af en rekordstor computer på 51 qubit på den forrige konference, deltog professorer Christopher Monroe og Harmut Neven i den.
Monroe, der arbejder i dag på University of Maryland (USA), skabte en maskine, der svarer til magten næsten samtidig med sin russisk-amerikanske kollega, ved hjælp af lignende, men lidt forskellige principper.
Han talte om, i hvilken retning dette system udvikler sig, hvordan det adskiller sig fra "konkurrenter", og hvor grænsen ligger mellem virkelige kvantecomputere, der fuldt ud svarer til dette udtryk, og computersystemer, der er bygget på grundlag af klassiske principper.
Kvanteoverlegenhed
Kvantecomputere er specielle computerenheder, hvis styrke vokser eksponentielt på grund af brugen af kvantemekanikens love i deres arbejde. Alle sådanne enheder består af qubits - hukommelsesceller og på samme tid primitive computermoduler, der er i stand til at gemme et interval af værdier mellem nul og et.
Salgsfremmende video:
I dag er der to hovedmetoder til udvikling af sådanne apparater - klassisk og adiabatisk. Tilhængere af den første af dem forsøger at skabe en universel kvantecomputer, hvor qubits ville overholde reglerne, som almindelige digitale enheder fungerer. Arbejde med en sådan computerenhed ville ideelt set ikke være meget forskellig fra, hvordan ingeniører og programmerere betjener konventionelle computere.
En adiabatisk computer er lettere at oprette, men den er tættere på dens funktionsprincipper at tilføje maskiner, diasregel og analoge computere fra det tidlige 20. århundrede og ikke til vores tids digitale enheder. Der er også hybrid tilgange, der kombinerer funktionerne i begge maskiner. Blandt dem kan ifølge Monroe tilskrives computeren til Mikhail Lukin.
Ifølge Monroe skyldes dette, at hukommelsescellerne i hans maskine er bygget på basis af ioner af det sjældne jordartsmetall ytterbium, hvis tilstand ikke ændres, når de manipuleres med laserstråler. Lukins kvantecomputer er til gengæld bygget på basis af de såkaldte Rydberg-atomer, som ikke er beskyttet mod sådanne påvirkninger.
De er atomer af rubidium-87 eller andre alkalimetaller, hvis frie elektron er blevet "skubbet" en stor afstand fra kernen ved hjælp af specielle laser- eller radiobølgepulser. På grund af dette øges atomets størrelse ca. en million gange, hvilket omdanner det til en qubit, men som Monroe forklarede tillader det ikke at blive flyttet uden at deformere denne struktur og ødelægge kvantetilstander.
Fraværet af sådanne problemer i ioner tillader ifølge den amerikanske fysiker, at hans team ikke skabte en hybrid, men en fuldt kontrolleret kvantecomputer, hvis qubits forskere kan manipulere direkte i løbet af computing.
For eksempel for tre år siden længe før oprettelsen af større maskiner meddelte Monroe og hans team, at de havde formået at skabe den første omprogrammerbare kvantecomputer, der bestod af fem hukommelsesceller. Denne beskedne maskine tillader fysikere takket være sin store driftsfleksibilitet at udføre flere kvanteprogrammer på den på én gang.
Især formåede de at køre Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani-algoritmerne på denne mini-computer, såvel som at skabe en kvanteversion af Fourier-transformerne, hjørnestenen i kryptografi og dens brud.
Disse succeser såvel som vanskeligheden ved at holde et stort antal ioner i fælder, bemærkede Monroe, fik ham til at tro, at kvantecomputersystemer skulle bygges modulære snarere end monolitiske. Med andre ord vil "seriøse" kvantecomputere ikke være en enkelt helhed, men et slags netværk, der består af mange lignende og temmelig enkle moduler.
Ufuldkommen vakuum
Sådanne systemer, som bemærket af den amerikanske professor, findes allerede, men er endnu ikke brugt i prototyper af kvantecomputere af en simpel grund - de arbejder cirka hundrede gange langsommere end qubits selv. Ikke desto mindre mener han, at dette problem er fuldstændigt løseligt, da det har en teknisk snarere end en videnskabelig karakter.
Et andet potentielt problem, der vil forstyrre driften af monolitiske eller bare store kvantecomputere, er, at vakuumet, som Monroe udtrykte det, ikke er perfekt. Det indeholder altid et lille antal molekyler, som hver kan kollidere med atomære qubits og forstyrre deres arbejde.
Den eneste måde at overvinde dette på er at afkøle kvantecomputeren yderligere, så tæt som muligt på absolut nul. Monroe's team er endnu ikke engageret i dette, da antallet af qubits i deres maskine er lille, men i fremtiden vil dette problem helt sikkert skulle løses.
Som antydet af den amerikanske professor vil den modulære tilgang være en anden måde at løse dette problem på, da det vil gøre det muligt at bryde computeren i mange uafhængige dele, der indeholder relativt små antal qubits. I teorien vil den ikke køre så hurtigt som en monolitisk maskine, men den vil omgå problemet med "ufuldkommen vakuum", da modulerne vil være lettere at køle og styre.
Hvornår kommer denne tid? Som Monroe antyder, vil der i de næste tre til fem år oprettes maskiner, der indeholder flere hundrede qubits. De vil være i stand til at udføre flere titusinder af operationer og kræver ikke ekstreme køle- eller fejlkorrektionssystemer for at fungere.
Sådanne maskiner vil kunne løse mange komplekse praktiske problemer, men de vil ikke være fulde computere i klassisk forstand. For at gøre dette, skal du øge antallet af qubits og "lære" dem uafhængigt at rette fejl i deres arbejde. Dette vil ifølge fysikeren tage yderligere fem år.
Sidste strækning af løbet
De første komplekse kvantecomputere, ifølge Monroe, vil blive bygget på basis af ioniske eller atomteknologier, da alle andre varianter af qubits, herunder lovende halvlederhukommelsesceller, endnu ikke har nået et lignende niveau af udvikling.
”Indtil videre er dette alle universitetslaboratorieeksperimenter. Disse qubits kan ikke bruges til at oprette komplette logiske porte. Derfor er jeg enig med Mikhail i, at vores kolleger fra Australien, Intel og andre teams bliver nødt til at løse mange praktiske problemer, før de kan skabe et fuldt computersystem,”bemærker fysikeren.
Hvordan finder man vinderen i dette "kvante løb"? For to år siden forsøgte Monroe og hans kolleger at besvare dette spørgsmål ved at organisere den første sammenlignende test af kvantecomputere. De valgte en IBM-kvantecomputer baseret på superledende qubits som en konkurrent til den første version af deres maskine.
For at sammenligne dem udarbejdede fysikere og programmører ved University of Maryland det første sæt "kvante benchmarks" - enkle algoritmer, der måler både nøjagtigheden og hastigheden af disse computere. Testen afslørede ikke en direkte vinder - computeren til Monroe og hans team vandt nøjagtigt, men tabte i hastighed til IBM-maskinen.
Samtidig mener Monroe, at den såkaldte kvanteoverlegenhed - oprettelsen af en kvantecomputer, hvis opførsel ikke kan beregnes ved andre metoder - ikke vil være nogen alvorlig videnskabelig eller praktisk opnåelse.
”Problemet ligger i selve konceptet. På den ene side hjalp vores eksperimenter med fem dusin qubits, ligesom Mikhails eksperimenter, til at beregne de ting, der ellers ikke kan beregnes. På den anden side kan dette ikke kaldes overlegenhed, da vi ikke kan bevise, at det virkelig ikke kan beregnes på andre måder. Kvanteoverlegenhed vises før eller senere, men personligt vil jeg ikke jage efter det,”understregede videnskabsmanden.
En anden vanskelighed ligger i det faktum, at vi endnu ikke med sikkerhed kan sige, hvilke problemer kvantecomputere kan løse, og hvor deres anvendelse vil være mest berettiget og nyttig. Til dette er det nødvendigt, at både det videnskabelige miljø og hele samfundet begynder at opfatter sådanne maskiner som et overkommeligt og universelt værktøj.
Kvantemysterier om universet
Af denne grund tror den amerikanske professor ikke, at adiabatiske computersystemer som D-Wave-enhederne kan kaldes kvantecomputere. Deres arbejde er ifølge fysikeren baseret på helt klassiske fysiske principper, der ikke har noget at gøre med reel kvantemekanik.
”På trods af dette er analoge computere som disse ekstremt interessante fra et praktisk synspunkt. Du kan blot tage et par magneter, knytte dem til et trekantet net og spore deres opførsel. Disse eksperimenter har intet at gøre med kvantefysik, men de giver mulighed for nogle komplekse optimeringsberegninger. Investorer er interesseret i dem, hvilket betyder, at dette ikke gøres forgæves,”fortsætter professoren.
Hvilke opgaver kan en "rigtig" kvantecomputer løse? Som Monroe bemærkede, har mange andre fysikhold i de senere år kontaktet hans team. De planlægger at bruge deres maskine til at løse mange vigtige videnskabelige problemer, der ikke kan beregnes på en konventionel computer.
Indtil videre kan de samme eksperimenter, som fysikeren indrømmede, udføres på almindelige supercomputere. På den anden side vil antallet af qubits i kvantemaskiner vokse markant, hvilket vil gøre deres arbejde utallige.
Dette vil udvide deres anvendelighed og gøre sådanne eksperimenter til en af de mest interessante og unikke måder til at studere de største og mest mystiske objekter i universet samt løse mange hverdagsopgaver, såsom at finde ruter eller styre økonomien, konkluderer forskeren.