Kvantinė fizika valdo viską, kas mus supa. Ar įmanoma visą Visatą paversti kvantiniu kompiuteriu, ar ateiviai tai pastebės, ir kodėl tokios mašinos išvis reikalingos - į šiuos klausimus atsako Jacobas Biamonte'as, „Skoltech“profesorius, vienas iš pirmaujančių šios srities ekspertų, ir pasakoja, kaip baigėsi Rusijoje.
- „Salik.biz“
Šviesi ateitis
„Aš pirmą kartą atvykau į Rusiją daugiau nei prieš dešimt metų ir visai ne tam, kad užsiimčiau fizika. Aš mėgau kovos menus, įskaitant sambo, ir atvykau čia mokytis ir keistis patirtimi. Vėliau sužinojau, kad čia yra visos sąlygos daryti pažangųjį mokslą, pritraukti viso pasaulio mokslininkus į bendradarbiavimą “, - sako mokslininkas.
Šiandien jis vadovauja „Deep“kvantų laboratorijoms, sukurtoms prieš dvejus metus „Skoltech“rėmuose, siekiant suvienyti Rusijos ir užsienio fizikų, matematikų, programuotojų ir inžinierių pastangas, nagrinėjančias problemas, susijusias su kvantinių skaičiavimo sistemų plėtra.
„Mes užsiimame ne praktika, o visais teoriniais ir„ programiniais “kvantinio skaičiavimo aspektais ir bendraujame su eksperimentatoriais, įskaitant mokslininkus iš„ Skoltech “ir specialistus iš Maskvos valstybinio universiteto, RCC ir ITMO. Esame atviri bendradarbiavimui ir esame pasirengę padėti bet kokiems eksperimentatoriams, tiriantiems tokius dalykus “, - tęsia profesorius.
Kas yra kvantinis kompiuteris? Pagal savo prigimtį jis kardinaliai skiriasi nuo klasikinių skaičiavimo prietaisų, leidžiančių atlikti paprastas ar sudėtingas matematines operacijas skaičiais ar duomenų rinkiniais, išreikštais nuliais ir vienais.
Kvantiniuose klasikinių kompiuterių pusbroliuose, kurių principus daugiau nei prieš 30 metų suformulavo sovietinis fizikas Jurijus Maninas, informacija užkoduojama iš esmės skirtingai. Elementariosios atminties ląstelės, vadinamosios kvotos, gali turėti ne nulį ar vieną, o visą intervalą tarp jų esančių verčių spektrą.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Dėl to tokių kompiuterių galia auga eksponentiškai: kvantinio procesoriaus, turinčio kelias dešimtis kvitų, elgsenos neįmanoma apskaičiuoti net galingiausių klasikinių superkompiuterių pagalba.
Ilgą laiką tokios mašinos buvo mokslinės fantastikos ir fizikų teorinių tyrimų objektas, tačiau per pastaruosius 15 metų mokslininkai padarė proveržį kurdami kvitas ir sujungdami jas į sudėtingesnes sistemas. Michailo Lukino grupės pažangiausioje kvantinių kompiuterių versijose, sukurtose „Google“, IBM ir Harvardo universitete, yra nuo 20 iki 50 kvbitų.
Timūras Sabirovas („Skoltech“). Jokūbas Biamonte, Skolkovo mokslo ir technologijos instituto fizikos profesorius.
Nepaisant šių laimėjimų, šių mašinų kūrėjai daro prielaidą, kad visavertės skaičiavimo sistemos, galinčios išspręsti bet kokią problemą, neatsiras greitai, per 10–20 metų. Įdomu tai, kad šis įvertinimas nepasikeitė nuo dešimtojo dešimtmečio pabaigos, tačiau nuolat kyla keletas naujų problemų, kiekvieną kartą atstumiant niekada neankstančią „šviesią kvantinę ateitį“.
Kaip pažymėjo Biamonte savo populiaraus mokslo paskaitose, jis užima ypatingą poziciją: jo manymu, „naudingos“kvantinės skaičiavimo sistemos atsiras daug anksčiau, tačiau jos visiškai nebus tokios, kokias įsivaizduoja plačioji visuomenė ir žiniasklaida.
„Šiandien fizikoje yra viena didelė problema, kuri yra ir pagrindinis jos pranašumas. Eksperimentai vykdo viską. Dėl tam tikrų priežasčių jie mano, kad eksperimentai mokslui yra svarbesni nei teorija. Dėl šioje srityje investuotų pinigų teorinė fizika buvo praktiškai sunaikinta “, - sako Biamonte.
Pats profesorius save vadina klasikinės teorinės fizikos atstovu, kurio idėjos moksle dominavo prieš šimtmetį, pirmaisiais kvantinės mechanikos ir moderniosios Einšteino fizikos atsiradimo tarpsniais. Pastaraisiais dešimtmečiais tokie žmonės kaip jis turėjo persikelti į matematikos skyrius, kur jiems daug patogiau.
„Eksperimentuotojams, įskaitant kvantinių kompiuterių kūrėjus, rūpi tik jų pačių dizainas. Su keliomis išimtimis, jiems neįdomu, kas apskritai žinoma apie tokių prietaisų galimybes. Tai daro įtaką jų mentalitetui ir verčia juos vertinti ne racionaliai, o emociškai “, - aiškina tyrėjas.
Pavyzdžiui, vis dar nėra aiškių įrodymų, kad kvantiniai kompiuteriai skaičiavimo greičiu gali pralenkti savo klasikinius kolegas. Tuo pat metu Biamonte patikslina, kad jei apibendrinsime visus supaprastintus modelius, parodančius kai kuriuos šio pranašumo aspektus, gausime gana įtikinamų įrodymų, patvirtinančių kvantinių skaičiuoklių pranašumą.
„Viena vertus, Aleksejus Ustinovas, Aleksandras Zagoskinas ir kiti šios srities lyderiai teisūs: kvantinis kompiuteris tikrai netrukus pasirodys. Kita vertus, šiuo atveju kalbame apie universalias mašinas, galinčias ištaisyti savo klaidas “, - pažymi fizikas.
Tokio sugebėjimo trūkumas kompiuteryje, pabrėžia „Biamonte“, nepadaro jo absoliučiai nenaudingu ar prastesniu.
Atomo pridėjimo mašina
„Gamtoje yra daugybė pavyzdžių iš įvairių kvantinių sistemų, kurios to neturi. Jų elgesį labai sunku apskaičiuoti naudojant paprastus kompiuterius. Todėl sukūrę tokius procesus imituojančią kvantinę sistemą, galėsime atlikti tinkamus skaičiavimus ir gauti ką nors naudingo “, - sako mokslininkas.
Ši idėja toli gražu nėra nauja - ją išsakė garsusis amerikiečių fizikas Richardas Feynmanas praėjus vos dvejiems metams po pirmųjų „Manin“straipsnių paskelbimo. Kaip pažymėjo Biamonte, eksperimentatoriai pastaruosius kelerius metus aktyviai kūrė tokias sistemas, o teoretikai galvoja, kur jas būtų galima pritaikyti.
Tokie analoginiai skaičiavimo įtaisai, vadinamieji adiabatiniai kompiuteriai, arba „atkaitinantys“fizikų žargoną, neturi naudoti kvantinių efektų - daugeliui problemų pakanka klasikinės atomų sąveikos.
Yra trys tokio tipo kompiuteriai - klasikinės atkaitinimo mašinos, jų kvantiniai pagreitinti kolegos ir visaverčiai kvantiniai procesoriai, pagrįsti kvantinės logikos varteliais. Pastarosios buvo sukurtos IBM laboratorijose, pirmosios - „Fujitsu“, antrosios - „D-Wave““, - sako mokslininkas.
Biamonte'ą ir jo kolegas „Skoltech“labiausiai domina trečios klasės mašinos. Tokius prietaisus, pasak jo, gana sunku sukurti, tačiau jie gali būti naudojami sprendžiant pačias sudėtingiausias optimizavimo problemas: pradedant mašinų mokymusi ir baigiant naujų vaistų kūrimu.
„Šios mašinos yra labai įdomios, tačiau pirmieji tikrieji tokio tipo įrenginiai pasirodys tik po kelerių metų. Kita vertus, šiuo metu įmanoma sukurti klasikinius ir kvantinius annelerius. Ir dabar praktiškai jie išlieka naudingiausi iš kvantinių kompiuterių “, - priduria Biamonte.
Daugelis dalelių fizikos procesų, tęsia tyrėjas, yra užprogramuoti pagal prigimtį taip, kad jie optimizuotų save, siekdami energijos minimumo. Atitinkamai, jei išmoksime valdyti šiuos procesus, mes galime sudaryti atomų rinkinį arba kai kurie kiti objektai atliks šiuos skaičiavimus už mus.
„Kodėl verta švaistyti didžiulį procesoriaus laiką tokiam optimizavimui, jei tai gali padaryti klasikinis atkaitinimo įrenginys arba kvantinis įrenginys, panašus į„ D-Wave “? Vaizdingai tariant, kodėl, tyrinėdami vėją, naudoti virtualų vėjo tunelį, jei tokį jau turime? Daugelis Rusijos kompanijų apie tai galvoja ir mes su jomis aktyviai bendradarbiaujame “, - pabrėžia mokslininkas.
Sėkmingai užbaigus šiuos eksperimentus, bus sudarytos sąlygos kurti kvantinius atkaitinimo agentus, kuriuose kvantinės fizikos principai naudojami pagreitinti atomų ir kitų dalelių sąveiką. Žinoma, kai kurios mokslinės užduotys jiems nebus prieinamos, tačiau jie sugebės išspręsti daugelį kasdienių problemų, pavyzdžiui, srauto optimizavimą ar akcijų portfelio valdymą.
Dauguma stebėtojų, pažymi „Skoltech“profesorius, mano, kad „Google“laimės kvantinėse lenktynėse. Biamonte su tuo nesutinka: Kalifornijos kompanijos atstovams labai patinka kalbėti apie jų sėkmę, tačiau jie beveik niekada neskelbia mokslinių straipsnių ir neatskleidžia savo kvantinių mašinų prietaiso paslapčių.
Jo nuomone, „IBM“inžinieriai yra arčiausiai tikslo - šios įmonės kompiuteriai tikrai veikia, ir juos bet kada galima patikrinti per specialias debesų sistemas. Tačiau mastas vis dar yra gana ribotas, ir šios mašinos dar negali būti naudojamos sudėtingoms problemoms spręsti.
Galvojančios galaktikos
Jei tokios „rimtos“sistemos bus sukurtos artimiausiu metu, kyla natūralus klausimas: iš ko jos gali būti pagamintos, kokio dydžio jos gali būti pasiektos ir kaip jos paveiks mūsų gyvenimą?
Anot paties Biamonte'o, kvantiniams kompiuteriams (ar atkaitinimo įrenginiams), kuriuose yra milijonai kvotų, nėra jokių esminių fizinių apribojimų. Kita vertus, visiškai nesuprantama, kiek bus kvbitų realybėje, nes dabar mes esame labai ankstyvose kvantinių technologijų plėtros stadijose.
„Kol kas bandome pritaikyti elektronikos pramonėje jau prieinamas technologijas darbui su kvantiniais kompiuteriais. Tačiau niekas nėra tikras, kad tai teisingas kelias. Yra sistemų, kurios daug geriau tinka kvantinėms mašinoms statyti. Tačiau juos daug sunkiau valdyti “, - aiškina mokslininkas.
Pavyzdžiui, specialūs deimantų vidiniai defektai yra beveik taip pat atskirti nuo išorinio pasaulio kaip atskiri atomai, esantys erdvės vakuume. Kiek tokių taškų gali tilpti viename deimante ir kiek arti jie gali būti vienas kitam netrukdant kaimynų darbui, dar neaišku. Atsakymas į šiuos klausimus lemia, ar deimantai bus naudojami kvantiniuose kompiuteriuose.
Tikrai dideli kvantiniai aparatai, kaip pažymėjo „Skoltech“profesorius, išspręs ne tik praktines problemas, susijusias su kasdieniu žmogaus gyvenimu, bet ir įdomiausias mokslo galvosūkius.
Galbūt jie atskleis kvantinį gravitacijos pobūdį ir patikrins Biamonte laiko simetrijos teorijas, stebėdami, ar jie yra ypač sutrikę, kai bando sulaužyti šią simetriją, ar apverčia laiką, kai skaičiuoja tokias mašinas.
Kai žmonija susidorojo su šiomis užduotimis, ką mokslas darys toliau? Šis klausimas, sako Biamonte'as, paradoksaliai susijęs su nežemiško gyvenimo paieškomis ir tuo, kaip svetimos civilizacijos atstovai gali pranešti apie savo egzistavimą.
Imūras Sabirovas („Skoltech“). Jokūbas Biamonte'as ir jo kolegos „Deep“kvantų laboratorijose.
Įsivaizduokite, kad mes sunaikinsime visą visatos energiją ir galią. Ką pirmiausia darysime? Žinoma, mes galime save sunaikinti, tačiau yra įdomesnis scenarijus. Pavyzdžiui, mes turėsime galimybę pagreitinti Žemės judėjimą ypač dideliu greičiu ir palikti kompiuterį orbitoje “, - sako fizikas.
Remiantis reliatyvumo teorija, laikas planetoje sulėtės. Jei šioje valstybėje praleisime dešimtis metų, kvantinio skaičiavimo mašina ar paprastas kompiuteris „išoriniame pasaulyje“veiks kelis tūkstantmečius. Be to, tai nebūtinai yra žmogaus sukurtas kompiuteris, jo vaidmenį gali atlikti įvairūs kosminiai objektai - pavyzdžiui, milžiniški dujų debesys.
„Kaip dažnai jūs galite tai padaryti? Tokiam „skaičiavimų spartinimui“nėra aiškių apribojimų, tačiau visi žinome, kad vėlyvoji Visata mums nebus labai įdomi vieta. Žvaigždės pamažu pradės nykti, o dėl Visatos išsiplėtimo galaktikos viena kitos nebematys “, - pažymi profesorius.
Panašūs svarstymai kelia natūralų klausimą: jei žmonija gali tai padaryti, kas trukdo ateiviams daryti tą patį? Atitinkamai, kai kurie tokio „kosminio“kvantinio skaičiavimo pėdsakai ar jų klasikiniai atitikmenys turi būti kosmose. Kas tai parodytų, milžiniški ateivių kvantiniai kompiuteriai?
„Negaliu tiksliai atsakyti į klausimą, kas tai gali būti, ar pasiūlyti, kaip jų ieškoti. Tuo pačiu metu tokių „universaliųjų skaičiuotuvų“egzistavimas man atrodo daug labiau tikėtinas nei spontaniškas „intelektualiųjų planetų“ir kitų kosminių objektų, galinčių žinoti apie save, atsiradimas, apie kurį dažnai kalba „kvantiniai“filosofai “, - reziumuoja Biamonte.