Kas yra kvantinis kompiuteris ir ką jis sudaro? Ne visi kompiuteriai turi tokį vardą. Kodėl taip yra ir kodėl reikalingos tokios instaliacijos, paaiškina Christopheris Monroe, Merilando universiteto profesorius ir vienas iš pagrindinių pasaulinių „kvantinių lenktynių“dalyvių.
Rusijos kvantų centras reguliariai rengia dideles tarptautines konferencijas Maskvoje, skirtas kvantinių technologijų plėtrai ir jų praktiniam pritaikymui. Jo darbe dalyvauja ne tik žymūs tyrėjai, bet ir stambių Rusijos ir užsienio verslo bei vyriausybės atstovų atstovai.
- „Salik.biz“
Šiais metais konferencijoje dalyvavo trijų mokslo grupių, vedančių į sudėtingų kvantinių skaičiavimo sistemų kūrimą, vadovai. Be Michailo Lukino, Harvardo universiteto (JAV) profesoriaus, kuris ankstesnėje konferencijoje pirmą kartą paskelbė apie rekordinio 51 kvbitės kompiuterio sukūrimą, jame dalyvavo ir profesoriai Christopheris Monroe bei Harmutas Nevenas.
Monroe, kuris šiandien dirba Merilando universitete (JAV), sukūrė panašią galią turinčią mašiną beveik tuo pačiu metu su savo kolega iš Rusijos ir Amerikos, naudodamas panašius, bet šiek tiek kitokius principus.
Jis kalbėjo apie kryptį, kuria ši sistema vystosi, kuo ji skiriasi nuo „konkurentų“ir kur riba slypi tarp realių kvantinių kompiuterių, kurie visiškai atitinka šį terminą, ir skaičiavimo sistemų, pastatytų remiantis klasikiniais principais.
Kvantinis pranašumas
Kvantiniai kompiuteriai yra specialūs skaičiavimo įtaisai, kurių galia auga eksponentiškai dėl jų darbe naudojamų kvantinės mechanikos dėsnių. Visi tokie įtaisai susideda iš kvbitų - atminties elementų ir tuo pat metu primityviųjų skaičiavimo modulių, galinčių laikyti reikšmių diapazoną nuo nulio iki vienos.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Šiandien yra du pagrindiniai požiūriai į tokių prietaisų kūrimą - klasikinis ir adiabatinis. Pirmojo iš jų šalininkai bando sukurti universalų kvantinį kompiuterį, kuriame kvbitos atitiktų taisykles, kuriomis dirba paprasti skaitmeniniai įrenginiai. Idealiu atveju darbas su tokiu skaičiavimo įrenginiu nelabai skirtųsi nuo to, kaip inžinieriai ir programuotojai valdo įprastus kompiuterius.
Adiabatinį kompiuterį lengviau sukurti, tačiau jis savo veikimo principais yra artimesnis XX amžiaus pradžios mašinų, skaidrių taisyklių ir analoginių kompiuterių pridėjimui, o ne mūsų laikų skaitmeniniams įrenginiams. Taip pat yra hibridinių metodų, derinančių abiejų mašinų savybes. Tarp jų, pasak Monroe, galima priskirti Michailo Lukino kompiuterį.
Anot Monroe, taip yra dėl to, kad jo aparato atminties elementai yra pastatyti remiantis retųjų žemių metalų ytterbio jonais, kurių būsena nesikeičia, kai manipuliuojama lazerio spinduliais. Savo ruožtu Lukino kvantinis kompiuteris yra pastatytas remiantis vadinamaisiais Rydbergo atomais, kurie nėra apsaugoti nuo tokių įtakų.
Tai yra rubidium-87 ar kitų šarminių metalų atomai, kurių laisvasis elektronas buvo „nustumtas“dideliu atstumu nuo branduolio, naudojant specialius lazerio ar radijo bangų impulsus. Dėl šios priežasties atomo dydis padidėja maždaug milijoną kartų, o tai paverčia kvadratu, tačiau, kaip paaiškino Monroe, neleidžia jo judėti nedeformuojant šios struktūros ir nesunaikinant kvantinių būsenų.
Tokių jonų problemų nebuvimas, pasak amerikiečių fiziko, leido jo komandai sukurti ne hibridinį, o visiškai kontroliuojamą kvantinį kompiuterį, kurio kvotos mokslininkai gali tiesiogiai manipuliuoti skaičiavimo metu.
Pavyzdžiui, prieš trejus metus, ilgai prieš sukuriant didesnius aparatus, Monroe ir jo komanda paskelbė, kad jiems pavyko sukurti pirmąjį perprogramuojamą kvantinį kompiuterį, kurį sudarė penkios atminties ląstelės. Šis kuklus aparatas dėl savo didelio lankstumo leido fizikams vienu metu vykdyti keletą kvantinių programų.
Visų pirma, šiame mini-kompiuteryje jiems pavyko paleisti „Deutsch-Joji“, „Bernstein-Vazirani“algoritmus, taip pat sukurti kvantinę Furjė transformacijų versiją, kertinį kriptografijos ir jos sulaužymo variantą.
Monroe pažymi, kad šios sėkmės, taip pat sunkumai išlaikyti daugybę jonų spąstuose, paskatino jį pagalvoti, kad kvantinės skaičiavimo sistemos turėtų būti pastatytos modulinės, o ne monolitinės. Kitaip tariant, „rimti“kvantiniai kompiuteriai bus ne viena visuma, o tam tikras tinklas, sudarytas iš daugybės panašių ir gana paprastų modulių.
Netobulas vakuumas
Tokios sistemos, kaip pažymėjo amerikiečių profesorius, jau egzistuoja, tačiau dar nėra naudojamos kvantinių kompiuterių prototipuose dėl vienos paprastos priežasties - jos veikia maždaug šimtą kartų lėčiau nei pačios kvbitos. Nepaisant to, jis mano, kad ši problema yra visiškai išspręsta, nes ji yra inžinerinio, o ne mokslinio pobūdžio.
Kita galima problema, trikdanti monolitinių ar tiesiog didelių kvantinių kompiuterių darbą, yra ta, kad vakuumas, kaip teigė Monroe, nėra tobulas. Jame visada yra nedidelis skaičius molekulių, kurių kiekviena gali susidurti su atominėmis kvotomis ir trukdyti jų darbui.
Vienintelis būdas tai įveikti yra toliau atvėsinti kvantinį kompiuterį, kuo arčiau absoliutaus nulio. Monroe komanda tuo dar neužsiima, nes jų mašinoje kvotų skaičius yra nedidelis, tačiau ateityje šią problemą tikrai teks išspręsti.
Modulinis požiūris, kurį pasiūlė amerikiečių profesorius, bus dar vienas būdas išspręsti šią problemą, nes tai leis padalinti kompiuterį į daugelį nepriklausomų dalių, kuriose yra palyginti nedaug kvbitų. Teoriškai jis neveiks taip greitai, kaip monolitinė mašina, tačiau tai padės išvengti „netobulo vakuumo“problemos, nes modulius bus lengviau atvėsinti ir valdyti.
Kada ateis šis laikas? Kaip siūlo Monroe, per ateinančius trejus – penkerius metus bus sukurtos mašinos, apimančios kelis šimtus kvbitų. Jie sugebės atlikti kelias dešimtis tūkstančių operacijų ir, kad veiktų, jiems nereikės ekstremalių aušinimo ar klaidų taisymo sistemų.
Tokios mašinos galės išspręsti daugybę sudėtingų praktinių problemų, tačiau klasikine to žodžio prasme jos nebus pilnaverčiai kompiuteriai. Norėdami tai padaryti, turėsite padidinti kvotų skaičių ir „išmokyti“savarankiškai taisyti savo darbo klaidas. Tai, pasak fiziko, užtruks dar penkerius metus.
Paskutinis varžybų ruožas
Pirmieji sudėtingi kvantiniai kompiuteriai, pasak Monroe, bus sukurti remiantis joninėmis ar atominėmis technologijomis, nes visi kiti kvbitų variantai, įskaitant perspektyvius puslaidininkių atminties elementus, dar nepasiekė panašaus išsivystymo lygio.
„Iki šiol tai visi universiteto laboratoriniai eksperimentai. Šios kvotos negali būti naudojamos kuriant pilnus loginius vartus. Todėl sutinku su Michailu, kad mūsų kolegos iš Australijos, „Intel“ir kitos komandos turės išspręsti daugelį praktinių problemų, kad galėtų sukurti visavertę skaičiavimo sistemą “, - pažymi fizikas.
Kaip nustatyti nugalėtoją šiose „kvantinėse lenktynėse“? Prieš dvejus metus Monroe ir jo kolegos bandė atsakyti į šį klausimą organizuodami pirmąjį palyginamąjį kvantinių kompiuterių bandymą. Pirmajai jų mašinos versijai jie pasirinko IBM kvantinį kompiuterį, pagrįstą superlaidžiomis kvotomis.
Norėdami juos palyginti, Merilando universiteto fizikai ir programuotojai paruošė pirmąjį „kvantinių etalonų“rinkinį - paprastus algoritmus, matuojančius šių kompiuterių tikslumą ir greitį. Testas neatskleidė tiesioginio nugalėtojo - Monroe ir jo komandos kompiuteris laimėjo tiksliai, tačiau prarado greitį IBM mašinai.
Tuo pat metu Monroe mano, kad vadinamasis kvantinis pranašumas - kvantinio kompiuterio sukūrimas, kurio elgesio negalima apskaičiuoti kitais metodais - nebus rimtas mokslinis ar praktinis pasiekimas.
„Problema slypi pačioje koncepcijoje. Viena vertus, mūsų eksperimentai su penkiomis dešimtimis kvbitų, kaip ir Michailo eksperimentai, padėjo apskaičiuoti tuos dalykus, kurių kitaip neįmanoma apskaičiuoti. Kita vertus, to negalima vadinti pranašumu, nes negalime įrodyti, kad jo iš tikrųjų negalima apskaičiuoti kitais būdais. Kvantinis pranašumas paaiškės anksčiau ar vėliau, bet aš asmeniškai nesiruošiu jo persekioti “, - pabrėžė mokslininkas.
Kitas sunkumas yra tas, kad dar negalime tiksliai pasakyti, kokias problemas gali išspręsti kvantiniai kompiuteriai ir kur jų taikymas bus pateisinamas ir naudingas. Tam būtina, kad tiek mokslinė aplinka, tiek visa visuomenė pradėtų suvokti tokias mašinas kaip prieinamą ir universalų įrankį.
Kvantinės visatos paslaptys
Dėl šios priežasties amerikiečių profesorius netiki, kad adiabatinės skaičiavimo sistemos, tokios kaip „D-Wave“įrenginiai, gali būti vadinamos kvantiniais kompiuteriais. Jų darbas, pasak fiziko, grindžiamas visiškai klasikiniais fiziniais principais, kurie neturi nieko bendra su tikra kvantine mechanika.
Nepaisant to, tokie analoginiai kompiuteriai praktiniu požiūriu yra nepaprastai įdomūs. Galite tiesiog paimti keletą magnetų, pritvirtinti juos prie trikampio tinklo ir atsekti jų elgesį. Šie eksperimentai neturės nieko bendra su kvantine fizika, tačiau jie leis atlikti keletą sudėtingų optimizavimo skaičiavimų. Investuotojai jomis domisi, vadinasi, tai nėra daroma veltui “, - tęsia profesorius.
Kokias užduotis gali išspręsti „tikras“kvantinis kompiuteris? Kaip pažymėjo Monroe, pastaraisiais metais į jo komandą kreipėsi daugybė kitų fizikų komandų. Jie planuoja naudoti savo mašiną išspręsti daugelį svarbių mokslinių problemų, kurių neįmanoma apskaičiuoti įprastu kompiuteriu.
Iki šiol tuos pačius eksperimentus, kaip pripažino fizikas, galima atlikti ir įprastais superkompiuteriais. Kita vertus, ateinančiais metais kvotų skaičius kvantinėse mašinose žymiai padidės, todėl jų darbas taps neskaičiuojamas.
Tai išplės jų pritaikomumą ir padarys tokius eksperimentus vienu įdomiausių ir unikaliausių būdų tyrinėti didžiausius ir paslaptingiausius Visatos objektus, taip pat išspręs daugybę kasdienių užduočių, tokių kaip maršrutų paieška ar ekonomikos valdymas, - apibendrina tyrėjas.