Kvantefysik styrer alt, hvad der omgiver os. Er det muligt at omdanne hele universet til en kvantecomputer, vil udlændinge bemærke det, og hvorfor sådanne maskiner overhovedet er nødvendige - Jacob Biamonte, en Skoltech-professor, en af de førende eksperter på dette område, besvarer disse spørgsmål og fortæller, hvordan han endte i Rusland.
Lys fremtid
”Jeg kom først til Rusland for mere end ti år siden og overhovedet ikke for at lave fysik. Jeg er glad for kampsport, inklusive sambo, og kom hit for at studere og udveksle erfaringer. Senere lærte jeg, at der er alle betingelserne her for at gøre avanceret videnskab, tiltrække videnskabsfolk fra hele verden til samarbejde,”siger videnskabsmanden.
I dag er han leder af Deep-kvantelaboratorierne, der blev oprettet for to år siden inden for rammerne af Skoltech for at forene indsatsen fra russiske og udenlandske fysikere, matematikere, programmerere og ingeniører, der studerer problemerne forbundet med udviklingen af kvante computersystemer.
”Vi beskæftiger os ikke med praksis, men alle teoretiske og” software”aspekter af kvanteberegning, og vi interagerer med eksperimenter, inklusive forskere fra Skoltech og specialister fra Moskva State University, RCC og ITMO. Vi er åbne for samarbejde og er klar til at hjælpe alle eksperimenter, der studerer sådanne spørgsmål,”fortsætter professoren.
Hvad er en kvantecomputer? I sig selv adskiller det sig radikalt fra klassiske computerenheder, som tillader enkle eller komplekse matematiske operationer på tal eller datasæt udtrykt som nuller og enheder.
I kvantefætterne til klassiske computere, hvis principper blev formuleret for mere end 30 år siden af den sovjetiske fysiker Yuri Manin, kodes information på en grundlæggende anderledes måde. Elementære hukommelsesceller, de såkaldte qubits, kan ikke indeholde hverken nul eller en, men et helt spektrum af værdier i intervallet mellem dem.
Salgsfremmende video:
Som et resultat vokser sådanne computers styrke eksponentielt: opførslen af en kvanteprocessor med flere titusvis af qubits kan ikke beregnes selv ved hjælp af de mest kraftfulde klassiske supercomputere.
I lang tid forblev sådanne maskiner genstand for science fiction og teoretisk forskning af fysikere, men i de sidste 15 år har forskere lavet et gennembrud i at skabe qubits og i at kombinere dem til mere komplekse systemer. De mest avancerede versioner af kvantecomputere udviklet på Google, IBM og på Harvard University af Mikhail Lukins gruppe indeholder 20 til 50 qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, professor i fysik ved Skolkovo Institut for Videnskab og Teknologi.
På trods af disse fremskridt antager udviklerne af disse maskiner, at fulde databehandlingssystemer, der er i stand til at løse ethvert problem, ikke vil vises snart om 10-20 år. Interessant nok har dette estimat ikke ændret sig siden slutningen af 1990'erne, men der opstår konstant nogle nye problemer, der hver gang skubber den aldrig kommende "lyse kvante fremtid" til side.
Som Biamonte bemærkede i sine populærvidenskabelige forelæsninger, tager han en særlig position: efter hans mening vil "nyttige" kvanteberegningssystemer fremstå meget tidligere, men de vil slet ikke være det, som offentligheden og medierne forestiller sig.
”I dag er der et stort problem inden for fysik, som samtidig er dens største fordel. Eksperimenter kører alt. Af en eller anden grund synes de, at eksperimenter er vigtigere for videnskab end teori. Takket være de penge, der er investeret i dette område, er teoretisk fysik næsten blevet ødelagt,”siger Biamonte.
Professor refererer selv til sig selv som en repræsentant for klassisk teoretisk fysik, hvis ideer dominerede videnskaben for et århundrede siden, på de første stadier af kvantemekanikkens fødsel og moderne Einstein-fysik. I de seneste årtier måtte folk som ham flytte til matematikafdelinger, hvor de er meget mere komfortable.
”Eksperimenter, inklusive skabere af kvantecomputere, er kun interesserede i deres egne design. Med nogle få undtagelser er de ikke interesseret i, hvad der er kendt om sådanne enheds evne generelt. Dette påvirker deres mentalitet og får dem til ikke at give rationelle men følelsesmæssige vurderinger,”forklarer forskeren.
For eksempel er der stadig ingen eneste klare bevis for, at kvantecomputere kan overgå deres klassiske kolleger i beregningshastighed. Samtidig specificerer Biamonte, hvis vi generaliserer alle forenklede modeller, der demonstrerer nogle aspekter af denne overlegenhed, vil vi få ganske overbevisende bevis til fordel for kvanteberegnernes overlegenhed.
”På den ene side har Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin og andre ledere på dette felt ret: En kvantecomputer kommer virkelig ikke snart. På den anden side taler vi i dette tilfælde om universelle maskiner, der er i stand til at rette deres egne fejl,”bemærker fysikeren.
Manglen på en sådan evne på en computer, understreger Biamonte, gør den ikke helt ubrugelig eller underordnet.
Atomisk tilføjelsesmaskine
”Der er utallige eksempler på forskellige kvantesystemer i naturen, som ikke har denne evne. Deres opførsel er meget vanskelig at beregne ved hjælp af almindelige computere. Derfor oprettelsen af et kvantesystem, der simulerer sådanne processer, giver os mulighed for at udføre de passende beregninger og få noget nyttigt,”siger videnskabsmanden.
Denne idé er langt fra ny - den blev udtrykt af den berømte amerikanske fysiker Richard Feynman kun to år efter offentliggørelsen af Manins første artikler. Som Biamonte bemærkede, har eksperimenter aktivt udviklet sådanne systemer i de sidste par år, og teoretikere overvejer, hvor de kan anvendes.
Sådanne analoge computerenheder, de såkaldte adiabatiske computere eller "udglødning" i fysikernes jargon, behøver ikke at bruge kvanteeffekter - for mange problemer er de klassiske interaktioner mellem atomer tilstrækkelige.
”Der er tre typer computere af denne art - klassiske udglødningsmaskiner, deres kvanteaccelererede modstykker og fuldgyldige kvanteprocessorer baseret på kvante-logiske porte. Sidstnævnte blev skabt i IBM-laboratorier, de første - i Fujitsu, den anden - i D-Wave,”siger videnskabsmanden.
Biamonte og hans kolleger i Skoltech er mest interesserede i maskiner i tredje klasse. Sådanne enheder, sagde han, er ret vanskelige at oprette, men de kan bruges til at løse de mest komplekse optimeringsproblemer: fra maskinlæring til udvikling af nye lægemidler.
”Disse maskiner er meget interessante, men de første virkelige enheder af denne type vises kun om få år. På den anden side er det muligt at oprette klassiske og kvante annealers lige nu. Og nu er de i praksis stadig de mest nyttige ved kvantecomputere,”tilføjer Biamonte.
Mange processer inden for partikelfysik, fortsætter forskeren, er programmeret af naturen, så de optimerer sig selv og stræber efter at nå et energiminimum. Følgelig, hvis vi lærer at kontrollere disse processer, kan vi lave et sæt atomer, eller nogle andre objekter gør disse beregninger for os.
”Hvorfor spilde en enorm mængde CPU-tid på en sådan optimering, hvis det kan gøres ved en klassisk glødeanordning eller en kvanteenhed svarende til D-Wave? Figurativt set, hvorfor, når man studerer vinden, skal man bruge en virtuel vindtunnel, hvis vi allerede har en reel? Mange russiske virksomheder overvejer dette, og vi samarbejder aktivt med dem,”understreger videnskabsmanden.
En vellykket afslutning af disse eksperimenter baner vejen for udvikling af kvanteudglødningsmidler, hvor principperne for kvantefysik bruges til at fremskynde interaktioner mellem atomer og andre partikler. Visse videnskabelige opgaver vil naturligvis ikke være tilgængelige for dem, men de vil være i stand til at løse mange daglige problemer, såsom trafikoptimering eller styring af aktieporteføljen.
De fleste observatører, bemærker Skoltech-professoren, mener, at Google vinder i kvanteløbet. Biamonte er uenig med dette: repræsentanterne for det californiske selskab er meget glade for at tale om deres succeser, men de offentliggør næsten aldrig videnskabelige artikler og afslører ikke hemmelighederne ved enheden på deres kvantemaskiner.
Efter hans mening er IBM-ingeniører tættest på målet - dette selskabs computere fungerer virkelig, og de kan til enhver tid kontrolleres gennem specielle skysystemer. Men skalaen er stadig ret begrænset, og disse maskiner kan endnu ikke bruges til at løse komplekse problemer.
Tænkende galakser
Hvis der oprettes sådanne "seriøse" systemer i den nærmeste fremtid, opstår et naturligt spørgsmål: hvad kan de laves af, hvilken størrelse kan de nå, og hvordan vil de påvirke vores liv?
Ifølge Biamonte selv er der ingen grundlæggende fysiske begrænsninger for kvantecomputere (eller udglødningsenheder) med millioner af qubits. På den anden side er det helt uforståeligt, hvor mange qubits der vil være i virkeligheden, da vi nu er i de meget tidlige faser af udviklingen af kvanteteknologier.
”Indtil videre forsøger vi at tilpasse de teknologier, der allerede findes i elektronikbranchen til at arbejde med kvantecomputere. Ingen er dog sikker på, at dette er den rigtige måde. Der er systemer, der er meget bedre egnet til bygning af kvantemaskiner. De er dog meget vanskeligere at styre,”forklarer forskeren.
For eksempel er særlige defekter inden i diamanter næsten lige så godt isoleret fra omverdenen som enkeltatomer i rumvakuumet. Hvor mange sådanne punkter der kan passe ind i en diamant, og hvor tæt de kan være på hinanden uden at forstyrre naboernes arbejde er stadig uklart. Svaret på disse spørgsmål bestemmer, om diamanter vil blive brugt i kvantecomputere.
Virkelig store kvantemaskiner, som bemærket af Skoltech-professoren, vil ikke kun løse praktiske problemer i forbindelse med hverdagens menneskelige liv, men også de mest interessante videnskabelige gåder.
Måske vil de afsløre tyngdekraftens kvante natur og teste Biamonte's teorier om tidssymmetri ved at observere, om de er særlig forstyrrede, når de prøver at bryde denne symmetri eller vende tiden, når du udfører beregninger på sådanne maskiner.
Hvad vil videnskaben gøre, når menneskeheden har håndteret disse opgaver? Dette spørgsmål, siger Biamonte, er paradoksalt set relateret til søgen efter udenjordisk liv, og hvordan repræsentanter for fremmede civilisationer kan signalere deres eksistens.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte og hans kolleger på Deep kvantelaboratorier.
”Forestil dig, at vi vil dæmpe al energi og kraft i universet. Hvad skal vi gøre først? Selvfølgelig kan vi ødelægge os selv, men der er et mere interessant scenario. For eksempel vil vi have mulighed for at fremskynde Jordens bevægelse til ultrahøje hastigheder og efterlade en computer i kredsløb,”siger fysikeren.
I henhold til relativitetsteorien vil tiden på planeten aftage. Hvis vi tilbringer flere hundrede år i denne tilstand, fungerer en kvantecomputermaskine eller en almindelig computer i "omverdenen" i flere årtusinder. Desuden er dette ikke nødvendigvis en menneskeskabt computer, dens rolle kan spilles af forskellige rumobjekter - f.eks. Kæmpe gasskyer.
”Hvor ofte kan du gøre dette? Der er ingen eksplicit grænse for en sådan "speedup of computations", men vi ved alle, at det sene univers ikke vil være et meget interessant sted for os. Stjernerne vil gradvist begynde at falme væk, og galakserne bliver usynlige for hinanden på grund af universets udvidelse,”bemærker professoren.
Lignende refleksioner rejser et naturligt spørgsmål: hvis menneskeheden kan gøre det, hvad forhindrer udlændinge i at gøre det samme? Følgelig skal nogle spor af sådan "rum" -kvanteberegning eller deres klassiske modstykker være til stede i rummet. Hvad skulle indikere dette, de store kvantecomputere af udlændinge?
”Jeg kan ikke give et nøjagtigt svar på spørgsmålet om, hvad det kan være, eller at foreslå, hvordan man skal se efter dem. På samme tid synes eksistensen af sådanne”universelle regnemaskiner” for mig meget mere sandsynligt end den spontane fremkomst af”intelligente planeter” og andre kosmiske objekter, der er i stand til at være opmærksomme på sig selv, som ofte diskuteres af”kvante” filosoffer,”konkluderer Biamonte.