Po desetletjih trdega dela brez večjega upanja na uspeh se je nenadoma razvila naporna aktivnost okoli kvantnega računalništva. Pred skoraj dvema letoma je IBM pokazal svetu kvantni računalnik s petimi kvantnimi biti (qubits), ki ga zdaj (kar zveni nekoliko čudno) imenujejo IBM Q Experience. Takrat je bila naprava raziskovalcem bolj kot igračka kot orodje za resno obdelavo podatkov. Vendar pa se je s projektom prijavilo 70 tisoč uporabnikov po vsem svetu in do zdaj se je število kubičev že potrojilo. Pred nekaj meseci sta IBM in Intel napovedala izdelavo kvantnih računalnikov s 50 in 49 kubiči. Znano je tudi, da v stenah Googla čaka še en računalnik s krili. "Skupnost je polna energije in nedavni preboji so neverjetni."- pravi fizik Jens Eisert z Free University of Berlin.
Trenutno se govori o bližajoči se "kvantni nadvladi": času, ko lahko kvantni računalnik opravi nalogo, ki presega moč tudi najmočnejših klasičnih superračunalnikov. Če primerjamo samo številke, se lahko takšna izjava zdi smešna: 50 kubikov v primerjavi z milijardami klasičnih bitov v katerem koli prenosniku. Bistvo kvantnega računanja pa je, da je kvantni bit sposoben veliko več kot klasični. Dolgo je veljalo, da bo 50 kitov dovolj za izvedbo izračunov, ki jih bo običajni računalnik opravljal v nedogled. Sredi leta 2017 so raziskovalci v Googlu napovedali, da bodo do decembra pokazali kvantno premoč. (Na nedavno zahtevo po novih podatkih je tiskovni predstavnik podjetja odgovoril: "Objavljali bomo rezultate,takoj ko bodo dovolj utemeljeni, za zdaj pa se izvaja temeljita analiza obstoječega razvoja. ")
Rad bi zaključil, da je mogoče rešiti vse glavne težave, prihodnost, v kateri so kvantni računalniki vseprisotni pojav, pa je samo stvar tehnične opreme. Vendar se bo motil. Fizična vprašanja v središču kvantnega računanja so še vedno daleč od rešitve.
Tudi če kmalu stopimo v obdobje kvantne prevlade, bi bilo naslednje leto ali dve lahko odločilno - ali bodo kvantni računalniki res popolnoma spremenili način dela računalništva? Delež je še vedno velik in ni zagotovila, da bo cilj izpolnjen.
Utihni in izračunaj
Tako koristi kot izzivi kvantnega računanja so lastni fiziki, ki to omogoča. O osnovah smo govorili že večkrat, čeprav ni vedno razjasnjeno, kaj zahteva kvantna mehanika. Klasični računalniki podatke shranjujejo in obdelujejo v binarni kodi (0 ali 1). V kvantnih računalnikih je situacija skoraj enaka, le vsak bit je v tako imenovani superpoziciji, torej je lahko hkrati 0 in 1. To pomeni, da lahko stanje kvita določimo le z določeno mero verjetnosti.
Če želite izvesti računanje z velikim številom kubitov, morajo biti vsi v soodvisnih superpozicijah - v stanju "kvantne skladnosti", v katerem se vsi kvitovi štejejo zapleteni. V tem primeru lahko najmanjša sprememba enega kbita vpliva na vse ostale. To pomeni, da so računske operacije z uporabo kitov učinkovitejše od uporabe klasičnih bitov. V klasični napravi so računalniške zmogljivosti preprosto odvisne od števila bitov, vendar dodajanje vsakega novega kvita poveča zmogljivosti kvantnega računalnika za 2-krat. Zaradi tega je razlika med 5-qubit napravo in 50-qubit napravo tako velika.
Promocijski video:
Upoštevajte, kot sem to pogosto storil, nisem rekel, da je prednost kvantnega računalnika pred klasičnim v tem, da obstaja superpozicija, ki močno poveča število možnih stanj kodiranih informacij. Kot nisem rekel, zapletanje omogoča, da se hkrati izvedejo številni izračuni. (Pravzaprav visoka stopnja zapletenosti qubitov ni pogoj.) V tem je nekaj resnice, vendar nobena od trditev ne opisuje bistva kvantnega računanja.
Zaradi zapletenosti razumevanja kvantne mehanike je razlaga, zakaj je kvantno računanje tako močno, zastrašujoča naloga. Enačbe kvantne teorije vsekakor kažejo, da bo delo - vsaj z nekaterimi izračuni: faktoring ali iskanje po podatkovni bazi, postopek zelo pospešilo. Toda koliko natančno?
Morda je najvarnejši način za opis kvantnega računanja reči, da kvantna mehanika na nek način ustvarja "možnosti" za računanje, ki klasičnim napravam niso na voljo. Kot je opozoril fizik Daniel Gottesman z Inštituta za teoretično fiziko Perimeter (Perimeter Institute) v Waterlou: "Če je na voljo dovolj kvantne mehanike, se postopek v nekem smislu pospešuje, in če ne, ne gre."
Čeprav so nekatere točke še vedno jasne. Kvantno računalništvo zahteva, da so vsi kbiti usklajeni, kar je izjemno težko izvesti. Medsebojno delovanje sistema koherentnih kitov z okoljem ustvarja kanale, skozi katere koherenca hitro "pušča". Ta postopek se imenuje dekoherenca. Znanstveniki, ki načrtujejo izdelavo kvantnega računalnika, morajo preprečiti neskladnost. Zdaj ji le uspejo ustaviti le delno sekundo. Situacija postane bolj zapletena, ko se poveča število kubic in s tem tudi sposobnost interakcije z okoljem. Zato je, čeprav je idejo o kvantnih računalnikih prvič predlagal Richard Feynman že leta 1982, teorija pa je bila razvita v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja, naprave, ki so sposobne izvesti resnično računanje, so šele nastale.
Kvantne napake
Obstaja drugi pomemben razlog, zakaj je izdelava kvantnega računalnika tako težka. Kot kateri koli drug postopek na svetu tudi hrup povzroča hrup. Naključna nihanja, ki se pojavljajo, recimo, zaradi temperature kitov ali zaradi posebnosti temeljnih kvantnih mehanskih procesov, lahko spremenijo smer ali stanje kvita, kar vodi v napačne izračune. Takšna grožnja obstaja pri delu s klasičnimi računalniki, vendar jo je težko rešiti. Ustvariti morate samo dve ali več varnostnih kopij vsakega kosa, tako da se slučajno prevrnjen bit ne šteje.
Znanstveniki, ki delajo na ustvarjanju kvantnega računalnika, so razvili več načinov za rešitev težave, vendar vse strategije vodijo do pojava preveč dodatnih računskih stroškov, saj se vsa računalniška moč porabi za popravljanje napak in ne za izvajanje danih algoritmov. "Trenutna stopnja napak znatno omejuje čas, ki ga lahko izračuna," pojasnjuje Andrew Childs, sourednik Skupnega centra za kvantne informacije in računalniške znanosti na univerzi v Marylandu. "Rezultate moramo bistveno izboljšati, če želimo ustvariti nekaj zanimivega."
Veliko raziskav temeljnih kvantnih računalnikov se osredotoča na tehnike popravljanja napak. Del zapletenosti problema izvira iz druge ključne lastnosti kvantnih sistemov: superpozicije lahko vzdržujemo le, če ne izmerimo vrednosti kvita. Meritev bo uničila superpozicijo in privedla do določene vrednosti: 1 ali 0. Kako lahko ugotovite, ali je pri delovanju kvita prišlo do napake, če ne veste, v kakšnem stanju je bil?
Ena pametna shema predlaga uporabo indirektnega izračuna s kombiniranjem qubita z drugim pomožnim kbitom. Slednji ni vključen v izračun, zato njegovo merjenje ne vpliva na stanje glavnega kbit. Toda to je precej težko izvesti. Ta rešitev pomeni, da je za ustvarjanje pravega "logičnega kbit-a", ki je imun na napake, potrebnih veliko fizičnih kitov.
Koliko? Kvantni teoretik Alan Aspuru-Guzik z univerze Harvard meni, da bo za ustvarjanje enega logičnega kvita potrebnih približno deset tisoč fizikalnih kitov, kar trenutno ni mogoče. Po njegovem se bo, če bo šlo vse v redu, to število zmanjšalo na nekaj tisoč ali celo sto. Aisert ni tako pesimističen in meni, da bo približno osemsto fizičnih kubikov dovolj, vendar priznava, da bodo tudi v teh razmerah "dodatni stroški računalniške moči še vedno veliki". Poiskati morate način, kako se spopasti z napakami.
Obstaja alternativa odpravljanju napak. Lahko se jim izognemo ali preprečimo, da bi se pojavili pri tako imenovanem blaženje napak. Raziskovalci v IBM-ovih načrtovanjih krožijo, da matematično izračunajo verjetnost napake in nato vzamejo rezultat kot nič hrupa.
Nekateri raziskovalci verjamejo, da bo težava s popravkom napak ostala nerešena in preprečila, da bi kvantni računalniki dosegli svoje predvidene višine. "Ustvarjanje kvotnih popravkov napak je veliko težje kot dokazovanje kvantne superiornosti," razlaga matematik z univerze Hebrew v Izraelu Gil Kalai. Dodaja še, da so "naprave za odpravljanje napak pri svojih izračunih zelo primitivne in superiornost ne more temeljiti na primitivnosti." Z drugimi besedami, kvantni računalniki ne bodo presegli klasičnih računalnikov, če napak ne bomo odpravili.
Drugi znanstveniki verjamejo, da bo problem sčasoma rešen. Eden od njih je Jay Gambetta, kvantni računalničar v IBM-ovem centru za kvantno računalništvo. Thomas J. Watson. "Naši nedavni poskusi so pokazali osnovne elemente popravljanja napak v majhnih napravah, kar posledično odpira pot do večjih naprav, ki lahko zanesljivo shranjujejo kvantne informacije za daljši čas ob prisotnosti hrupa," pravi. Vendar pa Gambetta tudi priznava, da je tudi pri trenutnem stanju "še vedno dolga pot do ustvarjanja univerzalnega kvantnega računalnika, odpornega na napake z uporabo logičnih kitov." Zahvaljujoč takšnim raziskavam je Childs optimističen. "Prepričan sem, da bomo pokazali še uspešnejše poskuse (odpravljanje napak), toda,verjetno bo trajalo še dolgo, preden bomo začeli uporabljati kvantne računalnike za resnično računanje."
Življenje z napakami
V bližnji prihodnosti bodo kvantni računalniki pokvarili. Postavlja se vprašanje: kako živeti z njim? Znanstveniki IBM pravijo, da se bo v bližnji prihodnosti področje raziskav "približnega kvantnega računalništva" osredotočilo na iskanje načinov za prilagajanje hrupu.
To zahteva ustvarjanje takšnih algoritmov, ki bodo ustvarili pravilen rezultat, ne upoštevajoč napak. Postopek je mogoče primerjati s štetjem volilnih rezultatov, ki ne upošteva pokvarjenih glasovnic. "Tudi če naredi nekaj napak, bi moralo biti dovolj veliko in kakovostno kvantno računanje učinkovitejše od [klasičnega]," pravi Gambetta.
Zdi se, da je ena izmed novejših tehnologij, ki je odporna na napake, za znanstvenike večja kot za svet: modeliranje materialov na atomski ravni. (V resnici je bila to motivacija, zaradi katere je Feynman prišel na idejo o kvantnih računalnikih.) Enačbe kvantne mehanike opisujejo, kako se izračuna stabilnost ali kemična reaktivnost (na primer v molekulah zdravil). Toda teh enačb ni mogoče rešiti brez veliko poenostavitev.
Vendar je po Childsovem mnenju kvantno vedenje elektronov in atomov "sorazmerno blizu naravnemu vedenju kvantnega računalnika." To pomeni, da bi lahko zgradili natančen računalniški model molekule. "Številni člani znanstvene skupnosti, tudi jaz, verjamemo, da bo prva uspešna uporaba kvantnega računalnika povezana s kvantno kemijo in znanostjo o materialih," pravi Aspuru-Guzik: bil je eden prvih, ki je začel kvantno računalništvo potiskati v tej smeri.
Kvantno modeliranje se izkaže za koristno tudi na najmanjših kvantnih računalnikih, ki so nam danes na voljo. Skupina raziskovalcev, ki vključuje Aspuru-Guzik, je razvila algoritem, ki so ga poimenovali "Variacijska metoda za reševanje problemov v kvantni mehaniki" (v nadaljevanju - VMR). Ta algoritem vam omogoča, da najdete stanje molekule, ki najmanj porablja energijo, tudi v hrupnih kubitih. Trenutno zmore le zelo majhne molekule z malo elektronov. Klasični računalniki to nalogo dobro opravijo. Toda moč kvantne moči nenehno raste, kar so pokazali Gambetta in sodelavci septembra lani, ko so za izračun elektronske strukture molekul, kot sta litijev hidrid in berilijev hidrid, uporabili šestkbitno napravo. Delo je bilo "pomemben preboj za kvantne znanosti"kot je dejal kemični fizik Markus Reicher iz Švicarske visoke tehniške šole v Zürichu. "Uporaba BMP za modeliranje majhnih molekul je odličen primer, kako lahko uporabimo kratkoročne hevristične algoritme," pravi Gambetta.
Toda po besedah Aspuru-Guzika bodo potrebni logični kiti, ki lahko popravljajo napake, še preden kvantni računalniki prehitijo klasične. "Komaj čakam, da kvantno računalništvo, ki popravlja napake, postane resničnost," je pripomnil.
"Če bi imeli več kot dvesto kubičev, bi lahko naredili resnično inovativne stvari," je dodal Reicher. "In s 5000 kubiki bi kvantni računalnik lahko močno vplival na znanost."
Kolikšen je vaš volumen?
Te cilje je neverjetno težko doseči. Kljub vsem težavam so kvantni računalniki od pet-kbitnih do 50-bitnih v samo enem letu - to dejstvo daje upanje. Vendar se na te številke ne zadržujte preveč, saj pripovedujejo le majhen del zgodbe. Zdaj ni pomembno, koliko qubits imate pomembnejših, ampak kako dobro delujejo in kako učinkoviti so algoritmi, ki ste jih razvili.
Vsako kvantno računanje se konča z dekoherenco, ki premeša kvitove. Običajno je čas dekoherencije za skupino qubits nekaj mikrosekund. Število logičnih operacij, ki jih je mogoče izvesti v tako kratkem času, je odvisno od hitrosti preklopa kvantnih vrat. Če je hitrost prenizka, ni pomembno, koliko kubikov imate na voljo. Število operacij, potrebnih za določeno računanje, se imenuje računska globina: algoritmi z majhno globino so učinkovitejši od globokih algoritmov. Vendar pa zagotovo ni znano, ali so koristni pri izračunih.
Poleg tega niso vsi kubiti enako hrupni. Teoretično je mogoče iz materialov, ki so v tako imenovanem "topološkem elektronskem stanju", ustvariti nizko hrupne kvitete: če se delci v tem stanju uporabljajo za kodiranje binarnih informacij, bodo zaščiteni pred naključnim hrupom. V iskanju delcev v topološkem stanju raziskovalci pri Microsoftu preučujejo predvsem eksotične kvantne materiale. Vendar pa ni zagotovila, da bodo njihove raziskave uspešne.
Da bi označili moč kvantnega računalništva na določeni napravi, so raziskovalci v IBM-u skovali izraz "kvantna količina". To je število, ki združuje vse pomembne dejavnike: globino algoritma, število in povezljivost qubitov, pa tudi druge kazalnike kakovosti kvantnih vrat (na primer hrup). Na splošno ta "kvantna prostornina" označuje moč kvantnega računanja. Po Gambetta je zdaj treba razviti opremo za kvantno računalništvo, ki bo povečala razpoložljivo količinsko količino.
To je eden od razlogov, da je hvaležna kvantna premoč precej nejasna ideja. Zamisel, da bo 50-kubični kvantni računalnik prekašal sodobne superračunalnike, zveni privlačno, vendar ostaja veliko nerešenih vprašanj. Ko natančno rešujete težave, kvantni računalnik presega superračunalnike? Kako lahko ugotovimo, ali je kvantni računalnik prejel pravilen odgovor, če ga ni mogoče preveriti s klasično napravo? Kaj pa, če je klasični računalnik učinkovitejši od kvantnega računalnika, če se najde boljši algoritem?
Tako je kvantna premoč koncept, ki zahteva previdnost. Nekateri raziskovalci raje govorijo o "kvantni prednosti", o skoku v razvoju kvantnih tehnologij, kot pa o končni zmagi kvantnih računalnikov nad navadnimi. Poleg tega večina skuša ne uporabljati besede "superiornost", ker vsebuje negativne politične in rasistične konotacije.
Če lahko znanstveniki dokažejo, da kvantni računalniki lahko opravljajo naloge, ki jih klasične naprave ne zmorejo, bo to izjemno pomemben psihološki trenutek za to področje. "Dokazovanje nedvomne kvantne prednosti se bo v zgodovini zapisalo. To bo pokazalo, da lahko kvantni računalniki resnično razširijo naše tehnološke zmogljivosti, "pravi Aizert.
Morda bo to simboličen dogodek, ne pa korenita sprememba na področju računalništva. Kljub temu je na to vredno biti pozoren. Če kvantni računalniki presegajo običajne računalnike, to ne bo, ker jih IBM in Google nenadoma zaženeta na trg. Če želite doseči kvantno premoč, morate vzpostaviti zapleten sistem interakcij med razvijalci in uporabniki. In slednji morajo biti trdno prepričani, da je novost vredno poskusiti. Pri tem sodelovanju IBM in Google poskušata uporabnikom čim hitreje zagotoviti svoj razvoj. Pred tem je IBM vsem prijaviteljem spletnega mesta ponudil dostop do svojega 16-kubičnega računalnika IBM Q. Zdaj je podjetje razvilo 20-kubično različico za pravne osebe, vključno z JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung in Univerzo v Oxfordu. Tako sodelovanje strankam ne le pomaga najti nekaj koristnega in zanimivega, ampak tudi ustvarja kvantno pismeno skupnost programerjev, ki bodo razvijali nove funkcije in reševali težave, ki jih ni mogoče rešiti v okviru enega podjetja.
"Da se polje kvantnega računalništva aktivno razvija, moraš ljudem dati možnost uporabe in preučevanja kvantnih računalnikov," pravi Gambetta. "Ves znanstveni in industrijski svet se mora zdaj osredotočiti na eno nalogo - pripravo na dobo kvantnih računalnikov."
Prevod projekta Novo
Philip Ball