Kaj je kvantni računalnik in iz česa je sestavljen? Niso vsi računalniki upravičeni do takega imena. Zakaj je tako in zakaj so potrebne takšne instalacije, razlaga Christopher Monroe, profesor na univerzi v Marylandu in eden vodilnih akterjev v svetovni "kvantni dirki".
Ruski kvantni center redno organizira velike mednarodne konference v Moskvi, namenjene razvoju kvantnih tehnologij in njihovi praktični uporabi. Pri njenem delu ne sodelujejo le vodilni raziskovalci, temveč tudi predstavniki velikih ruskih in tujih gospodarskih in vladnih uradnikov.
Letos so se konference udeležili vodje treh znanstvenih skupin, ki vodijo pri ustvarjanju zapletenih sistemov kvantnega računalništva. Poleg Michaela Lukina, profesorja na Harvardski univerzi (ZDA), ki je na prejšnji konferenci prvi napovedal ustvarjanje rekordnega 51-kubitnega računalnika, sta na njem sodelovala tudi profesorja Christopher Monroe in Harmut Neven.
Monroe, ki danes dela na univerzi v Marylandu (ZDA), je skoraj istočasno s svojim rusko-ameriškim kolegom ustvaril stroj podobne moči, pri čemer je uporabil podobna, a nekoliko drugačna načela.
Govoril je o smeri, v kateri se ta sistem razvija, kako se razlikuje od »konkurentov« in kje je meja med resničnimi kvantnimi računalniki, ki v celoti ustrezajo temu izrazu, in računalniškimi sistemi, ki so zgrajeni na podlagi klasičnih načel.
Kvantna superiornost
Kvantni računalniki so posebne računalniške naprave, katerih moč zaradi uporabe zakonov kvantne mehanike pri svojem delu raste eksponentno. Vse takšne naprave so sestavljene iz qubits - spominskih celic in hkrati primitivnih računalniških modulov, ki lahko shranijo razpon vrednosti med nič in eno.
Promocijski video:
Danes obstajata dva glavna pristopa k razvoju takšnih naprav - klasični in adiabatski. Zagovorniki prvega od njih poskušajo ustvariti univerzalni kvantni računalnik, v katerem bi qubits upošteval pravila, po katerih delujejo običajne digitalne naprave. Delo s takšno računalniško napravo se v idealnih razmerah ne bi zelo razlikovalo od tega, kako inženirji in programerji upravljajo z običajnimi računalniki.
Adiabatski računalnik je lažje ustvariti, vendar je v svojih načelih delovanja bližje dodajanju strojev, drsnih pravil in analognih računalnikov zgodnjega 20. stoletja, ne pa digitalnim napravam našega časa. Obstajajo tudi hibridni pristopi, ki združujejo lastnosti obeh strojev. Med njimi jih je po Monroejevih besedah mogoče pripisati računalniku Michaela Lukina.
Po Monroejevih besedah je to posledica dejstva, da so spominske celice v njegovem stroju zgrajene na podlagi ionov iterbija iz redke zemeljske kovine, katerih stanje se pri manipulaciji z laserskimi žarki ne spremeni. Lukinov kvantni računalnik je zasnovan na podlagi tako imenovanih Rydbergovih atomov, ki niso zaščiteni pred takšnimi vplivi.
Gre za atome rubidija-87 ali drugih alkalijskih kovin, katerih prosti elektroni so »potisnili« ogromno razdaljo od jedra s pomočjo posebnih laserskih ali radijskih valov. Zaradi tega se velikost atoma poveča za približno milijon krat, kar ga spremeni v kbit, vendar, kot je pojasnil Monroe, ne dovoli, da se ga premakne, ne da bi ta struktura deformirala in uničila kvantna stanja.
Ameriški fizik je odsotnost takih težav v ioni omogočil njegovi skupini, da ustvari ne hibridni, temveč popolnoma nadzorovan kvantni računalnik, s čigar qubits lahko znanstveniki manipulirajo neposredno med računanjem.
Na primer, pred tremi leti, dolgo pred nastankom večjih strojev, sta Monroe in njegova ekipa objavila, da jim je uspelo ustvariti prvi reprogramirani kvantni računalnik, ki je bil sestavljen iz petih pomnilniških celic. Ta skromen stroj je zahvaljujoč veliki fleksibilnosti fizikom omogočil, da na njem izvajajo več kvantnih programov hkrati.
Zlasti jim je uspelo zagnati algoritme Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani na tem miniračunalniku, pa tudi ustvariti kvantno različico Fourierjevih preobrazb, temeljnega kamna kriptografije in njenega lomljenja.
Monroe je te uspehe, pa tudi težave pri zadrževanju velikega števila ionov, spodbudil k razmišljanju, da bi morali biti sistemi kvantnih računalnikov zgrajeni modularno in ne monolitno. Z drugimi besedami, "resni" kvantni računalniki ne bodo predstavljali ene celote, temveč nekakšno mrežo, sestavljeno iz številnih podobnih in dokaj enostavnih modulov.
Popoln vakuum
Takšni sistemi, kot je opozoril ameriški profesor, že obstajajo, vendar se še vedno ne uporabljajo v prototipih kvantnih računalnikov iz enega preprostega razloga - delujejo približno stokrat počasneje kot sami qubits. Kljub temu meni, da je ta problem popolnoma rešljiv, saj ima inženirsko in ne znanstveno naravo.
Druga potencialna težava, ki bo motila delovanje monolitnih ali samo velikih kvantnih računalnikov, je ta, da vakuum, kot je dejal Monroe, ni popoln. Vedno vsebuje majhno število molekul, od katerih lahko vsaka trči v atomske kvite in moti njihovo delo.
Edini način za to je, da se kvantni računalnik še dodatno ohladi, čim bližje absolutni ničli. Monroejeva ekipa se s tem še ne ukvarja, saj je število kubikov v njihovem stroju majhno, a v prihodnosti bo to težavo zagotovo treba rešiti.
Modularni pristop, kot ga je predlagal ameriški profesor, bo še en način reševanja te težave, saj bo omogočil razbijanje računalnika na številne neodvisne dele, ki vsebujejo razmeroma majhno število kitov. Teoretično ne bo tekel tako hitro kot monolitni stroj, vendar bo zaobšel problem "nepopolnega vakuuma", saj se bodo moduli lažje ohladili in nadzirali.
Kdaj bo prišel ta čas? Kot predlaga Monroe, bodo v naslednjih treh do petih letih ustvarili stroje, ki vključujejo nekaj sto kubičev. Zmožni bodo izvesti več deset tisoč operacij in za delovanje ne bodo potrebni ekstremni sistemi za hlajenje ali odpravljanje napak.
Takšni stroji bodo lahko rešili številne zapletene praktične težave, vendar ne bodo polnopravni računalniki v klasičnem pomenu besede. Če želite to narediti, boste morali povečati število kubic in jih "naučiti", da pri svojem delu samostojno popravljajo napake. To bo po mnenju fizika trajalo še pet let.
Končni raztežaj dirke
Prvi zapleteni kvantni računalniki, po Monroejevih besedah, bodo zgrajeni na podlagi ionskih ali atomskih tehnologij, saj vse druge različice qubita, vključno z obetavnimi polprevodniškimi spominskimi celicami, še niso dosegle podobne stopnje razvoja.
"Zaenkrat so to vsi univerzitetni laboratorijski poskusi. Teh kitov ni mogoče uporabiti za ustvarjanje popolnih logičnih vrat. Zato se strinjam z Mihaelom, da bodo morali naši kolegi iz Avstralije, Intela in drugih ekip rešiti številne praktične težave, preden bodo lahko ustvarili popoln računalniški sistem, "ugotavlja fizik.
Kako določiti zmagovalca v tej "kvantni dirki"? Pred dvema letoma sta Monroe in njegovi sodelavci poskušali odgovoriti na to vprašanje z organizacijo prvega primerjalnega testiranja kvantnih računalnikov. Kot konkurenco za prvo različico svojega stroja so izbrali IBM-ov kvantni računalnik, ki temelji na superprevodnih kitih.
Da bi jih primerjali, so fiziki in programerji z univerze v Marylandu pripravili prvi niz "kvantnih meril" - preprostih algoritmov, ki merijo tako natančnost kot hitrost teh računalnikov. Test ni razkril neposrednega zmagovalca - računalnik Monroeja in njegove ekipe je zmagal natančno, a je hitro izgubil na IBM-ovem stroju.
Hkrati pa Monroe verjame, da tako imenovana kvantna superiornost - ustvarjanje kvantnega računalnika, katerega vedenje ni mogoče izračunati z drugimi metodami - ne bo resen znanstveni ali praktični dosežek.
„Težava je v samem konceptu. Po eni strani so naši eksperimenti s petimi ducti kubitov, kot Mihailovi poskusi, pomagali izračunati tiste stvari, ki jih sicer ni mogoče izračunati. Po drugi strani tega ne moremo imenovati premoč, saj ne moremo dokazati, da ga v resnici ni mogoče izračunati na druge načine. Prej ali slej se bo pokazala kvantna superiornost, a osebno je ne bom lovil za njo, «je poudaril znanstvenik.
Dodatna težava je tudi v tem, da še ne moremo zagotovo reči, katere težave kvantni računalniki lahko rešijo in kje bo njihova uporaba najbolj upravičena in uporabna. Za to je potrebno, da tako znanstveno okolje kot celotna družba začneta takšne stroje dojemati kot cenovno dostopno in univerzalno orodje.
Kvantne skrivnosti vesolja
Ameriški profesor zato ne verjame, da se adiabatski računalniški sistemi, kot so naprave D-Wave, lahko imenujejo kvantni računalniki. Njihovo delo po mnenju fizika temelji na povsem klasičnih fizikalnih načelih, ki nimajo nobene zveze s pravo kvantno mehaniko.
»Kljub temu so analogni računalniki, kot je ta, s praktičnega vidika izjemno zanimivi. Preprosto lahko vzamete nekaj magnetov, jih pritrdite na trikotno mrežo in izsledite njihovo vedenje. Ti poskusi ne bodo imeli nič skupnega s kvantno fiziko, vendar bodo omogočili nekaj zapletenih izračunov za optimizacijo. Investitorji so zanje zainteresirani, kar pomeni, da se to ne stori zaman, «nadaljuje profesor.
Katere naloge lahko reši "pravi" kvantni računalnik? Kot je zapisal Monroe, je v zadnjih letih veliko drugih skupin fizikov stopilo v stik z njegovo ekipo. Načrtujejo, da bodo s svojim strojem rešili številne pomembne znanstvene težave, ki jih ni mogoče izračunati na običajnem računalniku.
Zaenkrat se lahko na običajnih superračunalnikih izvajajo enaki poskusi, kot je priznal fizik. Po drugi strani pa se bo v prihodnjih letih število kvitov v kvantnih strojih znatno povečalo, zaradi česar bo njihovo delo nespremenljivo.
To bo razširilo njihovo uporabnost in takšni poskusi postali eden najbolj zanimivih in edinstvenih načinov za preučevanje največjih in najbolj skrivnostnih predmetov v vesolju, pa tudi za reševanje številnih vsakdanjih nalog, na primer iskanje poti ali gospodarjenje, zaključuje raziskovalka.