Kvantna fizika ureja vse, kar nas obdaja. Ali je mogoče vesolje spremeniti v kvantni računalnik, ga bodo vesoljci opazili in zakaj so takšni stroji sploh potrebni - Jacob Biamonte, profesor podjetja Skoltech, eden vodilnih strokovnjakov na tem področju, Jacob Biamonte odgovarja na ta vprašanja in pove, kako je končal v Rusiji.
Svetla prihodnost
»V Rusijo sem prvič prišel pred več kot desetimi leti in sploh ne, da bi se ukvarjal s fiziko. Obožujem borilne veščine, tudi sambo, in sem prišel sem študirat in izmenjeval izkušnje. Kasneje sem izvedel, da so tukaj vsi pogoji za izvajanje napredne znanosti, ki k sodelovanju pritegne znanstvenike z vsega sveta, «pravi znanstvenik.
Danes vodi vodja kvantnih laboratorijev Deep, ki so jih pred dvema letoma ustvarili v okviru podjetja Skoltech, da bi združili prizadevanja ruskih in tujih fizikov, matematikov, programerjev in inženirjev, ki preučujejo težave, povezane z razvojem sistemov kvantnega računanja.
"Ne ukvarjamo se s prakso, ampak z vsemi teoretičnimi in" programskimi "vidiki kvantnega računalništva in komuniciramo z eksperimentatorji, vključno z znanstveniki iz Skoltecha in strokovnjaki z Moskovske državne univerze, RCC in ITMO. Odprti smo za sodelovanje in smo pripravljeni pomagati vsem eksperimentalcem, ki preučujejo tovrstna vprašanja, «nadaljuje profesor.
Kaj je kvantni računalnik? Po svoji naravi se radikalno razlikuje od klasičnih računalniških naprav, ki omogočajo preproste ali zapletene matematične operacije s številkami ali nabori podatkov, izraženimi kot ničle in enote.
V kvantnih bratrancih klasičnih računalnikov, katerih načela je pred več kot 30 leti formuliral sovjetski fizik Jurij Manin, so informacije kodirane na bistveno drugačen način. Elementarne pomnilniške celice, tako imenovani qubits, lahko v intervalu med njimi ne vsebujejo nič ali ene, temveč celoten spekter vrednosti.
Promocijski video:
Posledično moč takšnih računalnikov narašča eksponentno: obnašanja kvantnega procesorja z več deset kitov ni mogoče izračunati niti s pomočjo najmočnejših klasičnih superračunalnikov.
Dolgo časa so takšni stroji ostali predmet znanstvene fantastike in teoretičnega raziskovanja fizikov, vendar so znanstveniki v zadnjih 15 letih naredili preboj pri ustvarjanju kitov in pri njihovem združevanju v bolj zapletene sisteme. Najbolj napredne različice kvantnih računalnikov, ki jih je razvila skupina Mihail Lukin v Googlu, IBM-u in na Univerzi Harvard, vsebujejo od 20 do 50 kubikov.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fizike na Znanstveno-tehnološkem inštitutu Skolkovo.
Kljub temu napredku razvijalci teh strojev domnevajo, da se celoviti računalniški sistemi, ki lahko rešijo kakršno koli težavo, ne bodo pojavili kmalu čez 10-20 let. Zanimivo je, da se ta ocena od konca devetdesetih let naprej ni spremenila, vendar se nenehno pojavljajo nekateri novi problemi, ki vsakič potisnejo na stran prihodnje »svetle kvantne prihodnosti«.
Kot je Biamonte opozoril na svojih poljudnoznanstvenih predavanjih, zavzema posebno stališče: po njegovem mnenju se bodo "uporabni" sistemi kvantnega računanja pojavili veliko prej, vendar sploh ne bodo takšni, kot si jih predstavljajo širša javnost in mediji.
„Danes ima fizika velik problem, ki je hkrati njegova glavna prednost. Strokovnjaki vodijo vse. Iz nekega razloga mislijo, da so poskusi pomembnejši za znanost kot teorija. Zahvaljujoč vloženemu denarju na tem področju je bila teoretična fizika praktično uničena, pravi Biamonte.
Profesor se sam sklicuje na predstavnika klasične teoretične fizike, katere ideje so prevladovale v znanosti pred stoletjem, na prvih stopnjah rojstva kvantne mehanike in moderne Einsteinove fizike. V zadnjih desetletjih so se ljudje, kot je on, morali preseliti na oddelke za matematiko, kjer jim je veliko bolj udobno.
Eksperimentalni strokovnjaki, vključno z ustvarjalci kvantnih računalnikov, skrbijo samo za svoje zasnove. Z nekaj izjemami jih ne zanima, kaj se sploh pozna o sposobnosti takšnih naprav. To vpliva na njihovo miselnost in jim daje ne racionalne, temveč čustvene ocene, «razlaga raziskovalec.
Na primer, še vedno ni nobenega jasnega dokaza, da lahko kvantni računalniki v računalniški hitrosti prekašajo klasične kolege. Hkrati Biamonte navaja, da če posplošimo vse poenostavljene modele, ki prikazujejo nekatere vidike te superiornosti, bomo dobili precej prepričljive dokaze v prid superiornosti kvantnih kalkulatorjev.
Po eni strani so Aleksej Ustinov, Aleksander Zagoskin in drugi voditelji na tem področju prav: kvantni računalnik res ne bo kmalu. Po drugi strani pa v tem primeru govorimo o univerzalnih strojih, ki so sposobni popraviti lastne napake, «ugotavlja fizik.
Pomanjkanje takšne sposobnosti v računalniku, poudarja Biamonte, ne naredi popolnoma neuporabnega ali manjvrednega.
Stroj za atomsko dodajanje
V naravi obstaja nešteto primerov različnih kvantnih sistemov, ki nimajo te sposobnosti. Njihovo vedenje je zelo težko izračunati s pomočjo navadnih računalnikov. Zato bo oblikovanje kvantnega sistema, ki simulira takšne procese, omogočilo, da izvedemo ustrezne izračune in dobimo nekaj koristnega, «pravi znanstvenik.
Ta ideja še zdaleč ni nova - izrazil jo je znani ameriški fizik Richard Feynman le dve leti po objavi Maninih prvih člankov. Kot je ugotovil Biamonte, eksperimentatorji v zadnjih nekaj letih aktivno razvijajo takšne sisteme in teoretiki razmišljajo, kje bi jih lahko uporabili.
Takim analognim računalniškim napravam, tako imenovanim adiabatskim računalnikom ali "žarjenju" v žargonu fizikov ni treba uporabiti kvantnih učinkov - za številne težave zadostujejo klasične interakcije med atomi.
Obstajajo tri vrste računalnikov te vrste - klasični stroji za žarenje, njihovi kvantno pospešeni kolegi in popolni kvantni procesorji, ki temeljijo na kvantnih logičnih vratih. Slednji so bili ustvarjeni v laboratorijih IBM, prvi - v Fujitsu, drugi - v D-Waveu, «pravi znanstvenik.
Biamonte in njegove kolege Skoltech najbolj zanimajo stroji tretjega razreda. Takšne naprave je, kot je dejal, precej težko ustvariti, vendar jih je mogoče uporabiti za reševanje najbolj zapletenih težav z optimizacijo: od strojnega učenja do razvoja novih zdravil.
»Ti stroji so zelo zanimivi, vendar se bodo prve prave naprave pojavile šele čez nekaj let. Po drugi strani pa je zdaj mogoče ustvariti klasične in kvantne prodajalce. In zdaj v praksi ostajajo najbolj uporabni za kvantne računalnike, «dodaja Biamonte.
Številni procesi v fiziki delcev, nadaljuje raziskovalec, jih narava programira tako, da se optimizirajo in si prizadevajo doseči energijski minimum. V skladu s tem, če se naučimo nadzirati te procese, lahko naredimo niz atomov ali pa nekateri drugi predmeti za nas izračune.
Zakaj zapraviti ogromno časa CPU-ja za takšno optimizacijo, če to lahko stori klasična naprava za žarjenje ali kvantna naprava, podobna D-Waveu? Figurativno gledano, zakaj pri preučevanju vetra uporabljamo virtualni vetrovnik, če že imamo pravega? Mnoga ruska podjetja razmišljajo o tem in z njimi aktivno sodelujemo, «poudarja znanstvenik.
Uspešen zaključek teh poskusov bo odprl pot ustvarjanju kvantnih žaril, v katerih se uporabljajo načela kvantne fizike za pospeševanje interakcij med atomi in drugimi delci. Nekatere znanstvene naloge jim seveda ne bodo na voljo, vendar bodo lahko rešili številne vsakdanje težave, na primer optimizacijo prometa ali upravljanje zalog.
Večina opazovalcev, ugotavlja profesor Skoltech, verjame, da bo Google zmagal v kvantni dirki. Biamonte se s tem ne strinja: predstavniki kalifornijskega podjetja zelo radi govorijo o svojih uspehih, vendar skoraj nikoli ne objavljajo znanstvenih člankov in ne razkrivajo skrivnosti naprave svojih kvantnih strojev.
Po njegovem mnenju so IBM-ovi inženirji najbližje cilju - računalniki tega podjetja resnično delujejo in jih je mogoče kadar koli preveriti prek posebnih oblačnih sistemov. Toda obseg je še vedno precej omejen in teh strojev še ni mogoče uporabiti za reševanje kompleksnih težav.
Mislijoče galaksije
Če se v bližnji prihodnosti ustvarijo takšni "resni" sistemi, se zastavlja naravno vprašanje: iz česa jih lahko naredimo, kakšne velikosti lahko dosežejo in kako bodo vplivali na naše življenje?
Kot pravi sam Biamonte, za kvantne računalnike (ali žarilne naprave) z milijoni kubitov ni osnovnih fizičnih omejitev. Po drugi strani pa je popolnoma nerazumljivo, koliko kvitov bo v resnici, saj smo zdaj v zelo zgodnjih fazah razvoja kvantnih tehnologij.
Do zdaj poskušamo tehnologije, ki so že na voljo v elektronski industriji, prilagoditi delu s kvantnimi računalniki. Vendar pa nihče ni prepričan, da je to pravi način. Obstajajo sistemi, ki so veliko bolj primerni za gradnjo kvantnih strojev. Vendar jih je veliko težje obvladovati, «razlaga znanstvenik.
Na primer, posebne okvare znotraj diamantov so skoraj enako dobro izolirane od zunanjega sveta kot posamezni atomi v vakuumu prostora. Koliko takih točk se lahko prilega enemu diamantu in kako blizu so lahko, ne da bi posegali v delo sosedov, še vedno ni jasno. Odgovor na ta vprašanja določa, ali bodo diamanti uporabljeni v kvantnih računalnikih.
Resnično veliki kvantni stroji, kot je opozoril profesor Skoltech, bodo rešili ne le praktične težave, povezane z vsakodnevnim človeškim življenjem, temveč tudi najzanimivejše znanstvene uganke.
Morda bodo razkrili kvantno naravo gravitacije in preizkusili Biamontejeve teorije časovne simetrije, tako da bodo opazovali, ali jih pri poskusu pretrganja te simetrije ali obratnega časa med izvajanjem izračunov na takšnih strojih še posebej motijo.
Ko se bo človeštvo spoprijelo s temi nalogami, kaj bo naredila znanost? To vprašanje, pravi Biamonte, je paradoksalno povezano z iskanjem nezemeljskega življenja in kako lahko predstavniki tujih civilizacij signalizirajo svoj obstoj.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte in njegovi sodelavci v kvantnih laboratorijih Deep.
„Predstavljajte si, da bomo pokorili vso energijo in moč vesolja. Kaj bomo najprej naredili? Seveda se lahko uničimo, vendar obstaja bolj zanimiv scenarij. Na primer, imeli bomo priložnost, da pospešimo gibanje Zemlje do ultra velikih hitrosti in pustimo računalnik v orbiti, «pravi fizik.
Po teoriji relativnosti se bo čas na planetu upočasnil. Če v tem stanju preživimo desetine let, bo kvantni računalniški stroj ali navaden računalnik v "zunanjem svetu" deloval več tisočletij. Poleg tega to ni nujno računalniško ustvarjen računalnik, njegovo vlogo lahko igrajo različni vesoljski objekti - na primer velikanski oblaki plina.
»Kako pogosto lahko to storite? Za takšno "pospeševanje izračunov" ni nobene izrecne omejitve, vendar vsi vemo, da pozni Vesolje ne bo za nas zelo zanimivo mesto. Zvezde bodo počasi začele bledeti, galaksije pa bodo postale nevidne drug drugemu zaradi širitve vesolja, «ugotavlja profesor.
Podobni odsevi postavljajo naravno vprašanje: če človeštvo to zmore, kaj preprečuje tujcem, da storijo enako? Zato morajo biti v vesolju prisotne nekatere sledi takega "vesoljskega" kvantnega računanja ali njihovih klasičnih podob. Kaj bi to kazalo, velikanski kvantni računalniki tujcev?
"Ne morem natančno odgovoriti na vprašanje, kaj bi to lahko bilo, ali pa predlagati, kako jih iskati. Hkrati se mi zdi obstoj takih "univerzalnih kalkulatorjev" veliko bolj verjeten kot spontani nastanek "inteligentnih planetov" in drugih kozmičnih predmetov, ki se lahko zavedajo samega sebe, o čemer "kvantni" filozofi pogosto razpravljajo, "zaključuje Biamonte.