Mikä on kvantitietokone ja mistä se koostuu? Kaikilla tietokoneilla ei ole oikeutta tällaiseen nimeen. Miksi tämä on niin ja miksi tällaisia asennuksia tarvitaan, selittää Marylandin yliopiston professori Christopher Monroe ja yksi johtavista toimijoista globaalissa "kvantti kilpailussa".
Venäjän kvanttikeskus pitää säännöllisesti suuria kansainvälisiä konferensseja Moskovassa kvantitekniikoiden kehittämiseksi ja niiden käytännön soveltamiseksi. Sen työhön osallistuvat johtavien tutkijoiden lisäksi myös Venäjän ja ulkomaisten suurten yritysten ja hallitusten virkamiesten edustajat.
Tänä vuonna konferenssiin osallistui kolmen tieteellisen ryhmän johtajat, jotka johtivat monimutkaisten kvanttilaskentajärjestelmien luomiseen. Harvardin yliopiston (USA) professori Mikhail Lukinin lisäksi, joka ilmoitti edellisessä konferenssissa ennätyksellisen 51-bittisen tietokoneen luomisesta, siihen osallistuivat professorit Christopher Monroe ja Harmut Neven.
Monroe, joka työskentelee tänään Marylandin yliopistossa (USA), loi koneen kaltaisen koneen samanaikaisesti venäläis-amerikkalaisen kollegansa kanssa käyttämällä samanlaisia, mutta hieman erilaisia periaatteita.
Hän puhui suunnasta, johon tämä järjestelmä kehittyy, kuinka se eroaa "kilpailijoista" ja missä raja on todellisten kvantitietokoneiden, jotka vastaavat tätä termiä täysin, ja tietokonejärjestelmien, jotka on rakennettu klassisten periaatteiden pohjalta.
Kvanttinen paremmuus
Kvantitietokoneet ovat erityisiä laskentalaitteita, joiden teho kasvaa räjähdysmäisesti johtuen kvanttimekaniikan lakien käytöstä työssään. Kaikki tällaiset laitteet koostuvat kviteistä - muistisoluista ja samalla primitiivisistä laskentamoduuleista, jotka pystyvät tallentamaan arvoalueen nollan ja yhden välillä.
Mainosvideo:
Nykyään tällaisten laitteiden kehittämisessä on kaksi päätavoitetta - klassinen ja adiabaattinen. Ensimmäisen puolustajat yrittävät luoda universaalin kvantitietokoneen, jossa kvbitit noudattaisivat sääntöjä, joilla tavalliset digitaaliset laitteet toimivat. Ihannetapauksessa tällaisen tietokonelaitteen kanssa työskenteleminen ei eroaisi kovinkaan paljon siitä, kuinka insinöörit ja ohjelmoijat käyttävät tavanomaisia tietokoneita.
Adiabaattista tietokonetta on helpompi luoda, mutta toimintaperiaatteissaan se on lähempänä 1900-luvun alun koneiden, dia-sääntöjen ja analogisten tietokoneiden lisäämistä, ei nykyajan digitaalisiin laitteisiin. On myös hybridi-lähestymistapoja, joissa yhdistyvät molempien koneiden ominaisuudet. Niistä voidaan Monroen mukaan lukea Mikhail Lukinin tietokone.
Monroen mukaan tämä johtuu siitä, että hänen koneensa muistisolut on rakennettu harvinaisten maametallien ytterbiumin ionien perusteella, joiden tila ei muutu, kun niitä käsitellään lasersäteillä. Lukinin kvantitietokone puolestaan on rakennettu niin kutsuttujen Rydbergin atomien perusteella, joita ei ole suojattu sellaisilta vaikutuksilta.
Ne ovat rubidium-87: n tai muiden alkalimetallien atomeja, joiden vapaa elektroni "työnnettiin" valtavaan etäisyyteen ytimestä käyttämällä erityisiä laser- tai radioaaltopulsseja. Tämän vuoksi atomin koko kasvaa noin miljoona kertaa, mikä muuttaa sen kvbitiksi, mutta kuten Monroe selitti, se ei salli sen siirtämistä vääristämättä tätä rakennetta ja tuhoamatta kvantitiloja.
Tällaisten ongelmien puuttuminen ioneissa, amerikkalaisen fyysikon mukaan, antoi hänen joukkueelleen luoda hybridiä tekemättömän, mutta täysin ohjatun kvantitietokoneen, jonka tutkijakiviä tutkijat voivat manipuloida suoraan laskennan aikana.
Esimerkiksi kolme vuotta sitten, kauan ennen suurempien koneiden luomista, Monroe ja hänen tiiminsä ilmoittivat onnistuneensa luomaan ensimmäisen ohjelmoitavan kvantitietokoneen, joka koostui viidestä muistisolusta. Tämä vaatimaton kone, suuren joustavuuden ansiosta, antoi fyysikoille mahdollisuuden suorittaa useita kvanttiohjelmia yhdellä kertaa.
Erityisesti he onnistuivat suorittamaan Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani -algoritmit tällä minitietokoneella, sekä luomaan kvanttiversion Fourier-muunnoksista, salauskehyksen kulmakivistä ja sen murtamisesta.
Monroe toteaa, että nämä onnistumiset sekä vaikeudet pitää suuressa määrässä ioneja ansoissa, saivat hänet ajattelemaan, että kvantitietojärjestelmät olisi rakennettava modulaarisiksi eikä monoliittisiksi. Toisin sanoen "vakavat" kvantitietokoneet eivät edusta yhtä kokonaisuutta, vaan eräänlaista verkkoa, joka koostuu monista samanlaisista ja melko yksinkertaisista moduuleista.
Epätäydellinen tyhjiö
Tällaisia järjestelmiä, kuten yhdysvaltalainen professori totesi, on jo olemassa, mutta niitä ei vielä käytetä kvantitietokoneiden prototyypeissä yhdestä yksinkertaisesta syystä - ne toimivat noin sata kertaa hitaammin kuin itse kbitit. Hän uskoo kuitenkin, että tämä ongelma on täysin ratkaistavissa, koska sillä on pikemminkin tekninen kuin tieteellinen luonne.
Toinen mahdollinen ongelma, joka häiritsee monoliittisten tai vain suurten kvanttitietokoneiden toimintaa, on se, että tyhjiö, kuten Monroe totesi, ei ole täydellinen. Se sisältää aina pienen määrän molekyylejä, joista kukin voi törmätä atomikvbittiin ja häiritä heidän työtä.
Ainoa tapa välttää tämä on jäähdyttää kvantitietokonetta edelleen mahdollisimman lähellä absoluuttista nollaa. Monroen joukkue ei ole vielä sitoutunut tähän, koska heidän koneessaan on vähän kvitejä, mutta tulevaisuudessa tämä ongelma on ehdottomasti ratkaistava.
Amerikkalaisen professorin ehdottama modulaarinen lähestymistapa on toinen tapa ratkaista tämä ongelma, koska se sallii tietokoneen hajottamisen moniin itsenäisiin osiin, jotka sisältävät suhteellisen pienen määrän kvittejä. Teoriassa se ei toimi yhtä nopeasti kuin monoliittinen kone, mutta se kiertää "epätäydellisen tyhjiön" ongelman, koska moduuleja on helpompi jäähdyttää ja hallita.
Milloin tämä aika tulee? Kuten Monroe ehdottaa, seuraavan kolmen tai viiden vuoden aikana luodaan koneita, jotka sisältävät useita satoja kvittejä. Ne kykenevät suorittamaan useita kymmeniä tuhansia toimintoja, eivätkä vaadi äärimmäisiä jäähdytys- tai virheenkorjausjärjestelmiä toimiakseen.
Tällaiset koneet pystyvät ratkaisemaan monia monimutkaisia käytännön ongelmia, mutta ne eivät ole täysimittaisia tietokoneita sanan klassisessa merkityksessä. Tätä varten sinun on lisättävä kvittien lukumäärää ja “opetettava” heitä korjaamaan itsenäisesti virheet työssään. Fyysikon mukaan tämä vie vielä viisi vuotta.
Kilpailun viimeinen osa
Monroen mukaan ensimmäiset monimutkaiset kvantitietokoneet rakennetaan ionisten tai atomitekniikoiden pohjalta, koska kaikki muut kvittien variantit, mukaan lukien lupaavat puolijohdemuistisolut, eivät ole vielä saavuttaneet samanlaista kehitystasoa.
”Toistaiseksi nämä ovat kaikki yliopistojen laboratoriokokeita. Näitä kvitejä ei voida käyttää kokonaisten logiikkaporttien luomiseen. Siksi olen Mikhailin kanssa samaa mieltä siitä, että Australiasta, Intelistä ja muista ryhmistä koostuvien kollegoidemme on ratkaistava monia käytännön ongelmia ennen kuin he voivat luoda täysimittaisen laskentajärjestelmän”, fyysikko toteaa.
Kuinka selvittää voittaja tässä "kvanttikilpailussa"? Kaksi vuotta sitten Monroe ja hänen kollegansa yrittivät vastata tähän kysymykseen järjestämällä ensimmäisen kvantitietokoneiden vertailevan testauksen. He valitsivat suprajohtaviin kviteihin perustuvan IBM: n kvantitietokoneen kilpailijaksi koneensa ensimmäiselle versiolle.
Marylandin yliopiston fyysikot ja ohjelmoijat laativat ne vertaillakseen ensimmäisen sarjan "kvanttivertailuarvoja" - yksinkertaisia algoritmeja, jotka mittaavat sekä näiden tietokoneiden tarkkuuden että nopeuden. Testissä ei paljastunut suoraa voittajaa - Monroen ja hänen joukkueensa tietokone voitti tarkalleen, mutta menetti nopeuden IBM-koneelle.
Samanaikaisesti Monroe uskoo, että niin kutsuttu kvanttiylityys - kvantitietokoneen luominen, jonka käyttäytymistä ei voida laskea muilla menetelmillä - ei ole vakava tieteellinen tai käytännöllinen saavutus.
”Ongelma on itse konseptissa. Yhtäältä kokeilumme viidellä tusinalla kbitillä, kuten Mikhailin kokeilut, auttoivat laskemaan ne asiat, joita ei muuten voida laskea. Toisaalta sitä ei voida kutsua paremmuudeksi, koska emme voi todistaa, ettei sitä todella voida laskea muilla tavoilla. Kvanttinen paremmuus ilmenee ennemmin tai myöhemmin, mutta henkilökohtaisesti en aio jahdata sen jälkeen”, tutkija painotti.
Toinen vaikeus on siinä, että emme vielä voi varmasti sanoa, mitkä kvantitietokoneet voivat ratkaista ja missä niiden soveltaminen on kaikkein perusteltua ja hyödyllistä. Tätä varten on välttämätöntä, että sekä tieteellinen ympäristö että koko yhteiskunta alkavat nähdä näitä koneita edullisena ja yleismaailmallisena työkaluna.
Universumin kvanttiset mysteerit
Tästä syystä amerikkalainen professori ei usko, että adiabaattisia laskentajärjestelmiä, kuten D-Wave-laitteita, voidaan kutsua kvantitietokoneiksi. Fysiikan mukaan heidän työnsä perustuu täysin klassisiin fyysisiin periaatteisiin, joilla ei ole mitään tekemistä todellisen kvantimekaniikan kanssa.
”Tästä huolimatta tällaiset analogiset tietokoneet ovat erittäin mielenkiintoisia käytännön kannalta. Voit ottaa vain muutaman magneetin, kiinnittää ne kolmion muotoiseen verkkoon ja jäljittää niiden käyttäytymisen. Näillä kokeilla ei ole mitään tekemistä kvanttifysiikan kanssa, mutta ne sallivat joitain monimutkaisia optimointilaskelmia. Sijoittajat ovat kiinnostuneita heistä, mikä tarkoittaa, että tätä ei tehdä turhaan”, jatkaa professori.
Mitä tehtäviä "oikea" kvantitietokone voi ratkaista? Kuten Monroe totesi, viime vuosina monet muut fyysikkojen ryhmät ovat ottaneet yhteyttä hänen joukkueeseensa. He suunnittelevat koneellaan ratkaisevan monia tärkeitä tieteellisiä ongelmia, joita ei voida laskea tavanomaisella tietokoneella.
Toistaiseksi samat kokeet, kuten fyysikko myönsi, voidaan suorittaa tavallisille supertietokoneille. Toisaalta, tulevina vuosina kvanttikoneiden lukumäärä kasvaa merkittävästi, mikä tekee heidän työstään lukemattoman.
Tämä laajentaa niiden sovellettavuutta ja tekee tällaisista kokeista yhden mielenkiintoisimmista ja ainutlaatuisimmista tavoista tutkia maailmankaikkeuden suurimpia ja salaperäisimpiä esineitä sekä ratkaista monia arjen tehtäviä, kuten reittien löytämistä tai talouden hallintaa, tutkija toteaa.