Kvantfysiikka hallitsee kaikkea sitä, mikä ympäröi meitä. Onko mahdollista muuttaa koko maailmankaikkeus kvantitietokoneeksi, huomaavatko ulkomaalaiset sitä ja miksi sellaisia koneita tarvitaan ollenkaan - Skoltech-professori, tämän alan johtavia asiantuntijoita Jacob Biamonte vastaa näihin kysymyksiin ja kertoo kuinka hän päätyi Venäjälle.
Valoisa tulevaisuus
”Tulin ensin Venäjälle yli kymmenen vuotta sitten enkä lainkaan tekemässä fysiikkaa. Pidän taistelulajeista, mukaan lukien sambo, ja tulin tänne tutkimaan ja vaihtamaan kokemuksia. Myöhemmin sain tietää, että täällä on kaikki edellytykset edistyneelle tieteelle, joka houkuttelee tutkijoita ympäri maailmaa yhteistyöhön”, tutkija kertoo.
Nykyään hän johtaa Deep-kvanttilaboratorioita, jotka on perustettu kaksi vuotta sitten Skoltechin puitteissa yhdistääkseen venäläisten ja ulkomaisten fyysikkojen, matemaatikkojen, ohjelmoijien ja insinöörien ponnisteluja, jotka tutkivat kvanttilaskentajärjestelmien kehittämiseen liittyviä ongelmia.
”Emme käsittele käytäntöä, vaan kaikkia kvanttilaskennan teoreettisia ja” ohjelmistokysymyksiä”ja olemme vuorovaikutuksessa kokeilijoiden kanssa, mukaan lukien Skoltechin tutkijat ja Moskovan osavaltion yliopiston, RCC: n ja ITMO: n asiantuntijat. Olemme avoimia yhteistyölle ja olemme valmiita auttamaan kaikkia sellaisia aiheita tutkivia kokeilijoita”, professori jatkaa.
Mikä on kvantitietokone? Luonteeltaan se eroaa radikaalisti klassisista laskentalaitteista, jotka sallivat yksinkertaiset tai monimutkaiset matemaattiset toimenpiteet numeroina tai tietojoukkoina, jotka ilmaistaan nolla- ja sellaisina.
Klassisten tietokoneiden kvanttis serkuissa, joiden periaatteet muotoili yli 30 vuotta sitten Neuvostoliiton fyysikko Juri Manin, tieto koodataan täysin eri tavalla. Alkeismuistisolut, ns. Kvbitit, eivät voi sisältää joko nollaa tai yhtä, vaan kokonaisen arvospektrin niiden välisellä aikavälillä.
Mainosvideo:
Seurauksena on, että tällaisten tietokoneiden teho kasvaa räjähdysmäisesti: useita kymmeniä kvittejä sisältävän kvantiprosessorin käyttäytymistä ei voida laskea edes tehokkaimpien klassisten supertietokoneiden avulla.
Tällaiset koneet olivat pitkään olleet fysiikan tieteiskirjallisuuden ja teoreettisen tutkimuksen kohteena, mutta viimeisen 15 vuoden aikana tutkijat ovat tehneet läpimurtonsa luotaessa kappaleita ja yhdistämällä ne monimutkaisempiin järjestelmiin. Mikhail Lukinin ryhmän kehittämät kvanttitietokoneiden edistyneimmät versiot, jotka on kehitetty Googlessa, IBM: ssä ja Harvardin yliopistossa, sisältävät 20-50 kvbittiä.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, fysiikan professori Skolkovon tiede- ja teknologiainstituutissa.
Näistä edistyksistä huolimatta näiden koneiden kehittäjät olettavat, että täysimittaiset laskentajärjestelmät, jotka pystyvät ratkaisemaan minkä tahansa ongelman, eivät ilmesty pian, 10-20 vuodessa. Mielenkiintoista on, että tämä arvio ei ole muuttunut 1990-luvun lopusta lähtien, mutta joitain uusia ongelmia esiintyy jatkuvasti, kun joka kerta syrjäytetään tulevaisuuden”valoisa kvantti tulevaisuus”.
Kuten Biamonte totesi populaaritieteellisissä luennoissaan, hänellä on erityinen asema: hänen mielestään "hyödylliset" kvantitietojärjestelmät ilmestyvät paljon aikaisemmin, mutta ne eivät ole ollenkaan sellaisia, mitä kansalaiset ja media kuvittelevat.
”Fysiikassa on nykyään yksi iso ongelma, joka on samalla sen tärkein etu. Kokeilijat ajavat kaiken. Jostain syystä he ajattelevat, että kokeet ovat tärkeämpiä tieteelle kuin teoriaa. Alueelle sijoitetun rahojen ansiosta teoreettinen fysiikka on käytännössä tuhottu”, Biamonte sanoo.
Professori itse viittaa itseensä klassisen teoreettisen fysiikan edustajaksi, jonka ideat hallitsivat tiedettä vuosisata sitten, kvantimekaniikan ja modernin Einsteinin fysiikan syntymisen ensimmäisissä vaiheissa. Viime vuosikymmeninä hänen kaltaisensa ihmiset ovat joutuneet muuttamaan matematiikan osastoille, joissa he ovat paljon mukavammat.
”Kokeilijat, mukaan lukien kvantitietokoneiden luojat, välittävät vain omasta suunnittelustaan. Muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta heitä ei kiinnosta se, mitä tiedetään tällaisten laitteiden kyvystä yleensä. Tämä vaikuttaa heidän mentaliteettiinsa ja saa heidät antamaan ei rationaalisia vaan emotionaalisia arvioita”, tutkija selittää.
Esimerkiksi, yhä ei ole selvää näyttöä siitä, että kvantitietokoneet voisivat ylittää klassisen vastineensa laskenopeudella. Samaan aikaan Biamonte täsmentää, että jos yleistämme kaikki yksinkertaistetut mallit, jotka osoittavat joitain tämän paremmuuden näkökohtia, saamme melko vakuuttavia todisteita kvanttilaskurien paremmuuden puolesta.
”Yhtäältä Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin ja muut alan johtajat ovat oikeassa: kvantitietokonetta ei todellakaan tule pian. Toisaalta, tässä tapauksessa puhutaan universaaleista koneista, jotka pystyvät korjaamaan omat virheensa”, fyysikko toteaa.
Tällaisen kyvyn puuttuminen tietokoneesta, Biamonte painottaa, ei tee siitä täysin hyödytöntä tai huonompaa.
Atominen lisäyskone
”Luonnossa on lukemattomia esimerkkejä erilaisista kvantijärjestelmistä, joilla ei ole tätä kykyä. Heidän käyttäytymistään on erittäin vaikea laskea tavallisilla tietokoneilla. Siksi sellaisia prosesseja simuloivan kvantijärjestelmän luominen antaa meille mahdollisuuden suorittaa asianmukaiset laskelmat ja saada jotain hyödyllistä”, tiedemies sanoo.
Tämä ajatus ei ole kaukana uudesta - kuuluisa amerikkalainen fyysikko Richard Feynman ilmaisi sen vain kaksi vuotta Maninin ensimmäisten artikkeleiden julkaisemisen jälkeen. Kuten Biamonte huomautti, kokeilijat ovat kehittäneet aktiivisesti tällaisia järjestelmiä viime vuosina, ja teoreetikot miettivät, missä niitä voidaan soveltaa.
Tällaisten analogisten laskentalaitteiden, niin kutsuttujen adiabaattisten tietokoneiden tai fyysikkojen ammattikielen "hehkuttamisen", ei tarvitse käyttää kvanttehosteita - monien ongelmien ratkaisemiseksi atomien välinen klassinen vuorovaikutus on riittävä.
”Tällaisia tietokoneita on kolme tyyppiä: klassiset hehkutuskoneet, niiden kvantti kiihdytetyt vastineet ja täysimittaiset kvanttilogiikkaisiin perustuvat kvanttiprosessorit. Viimeksi mainitut luotiin IBM: n laboratorioissa, ensimmäinen - Fujitsussa, toinen - D-Wavessa”, tutkija kertoo.
Biamonte ja hänen Skoltech-kollegansa ovat kiinnostuneimpia kolmannen luokan koneista. Hänen mukaansa tällaisten laitteiden luominen on melko vaikeaa, mutta niitä voidaan käyttää ratkaisemaan monimutkaisimmat optimointiongelmat: koneoppimisesta uusien lääkkeiden kehittämiseen.
”Nämä koneet ovat erittäin mielenkiintoisia, mutta ensimmäiset oikeat tämän tyyppiset laitteet ilmestyvät vasta muutamassa vuodessa. Toisaalta on mahdollista luoda klassisia ja kvanttihehkuttimia heti. Ja nyt käytännössä ne ovat edelleen kvantitietokoneiden hyödyllisimpiä”, Biamonte lisää.
Tutkija jatkaa, että monet hiukkasfysiikan prosessit ovat luonnon ohjelmoimia siten, että ne optimoivat itsensä ja pyrkivät saavuttamaan energian minimin. Vastaavasti, jos opimme hallitsemaan näitä prosesseja, voimme tehdä joukon atomeja tai jotkut muut esineet tekevät nämä laskelmat meille.
Miksi tuhlata valtava määrä prosessoriaikaa tällaiseen optimointiin, jos se voidaan tehdä klassisella hehkutuslaitteella tai D-Wave-kaltaisella kvanttilaitteella? Kuviollisesti sanottuna, miksi tuulet tutkiessa käytetään virtuaalista tuuletunnelia, jos meillä on jo oikea? Monet venäläiset yritykset ajattelevat tätä ja teemme aktiivista yhteistyötä heidän kanssaan”, tutkija painottaa.
Näiden kokeiden onnistunut suorittaminen tasoittaa tietä kvanttihehkutusaineiden kehittämiselle, jossa kvantfysiikan periaatteita käytetään atomien ja muiden hiukkasten välisten vuorovaikutusten kiihdyttämiseen. Jotkut tieteelliset tehtävät eivät tietenkään ole heidän käytettävissä, mutta ne kykenevät ratkaisemaan monia arkipäivän ongelmia, kuten liikenteen optimointi tai osakekannan hallinta.
Suurin osa tarkkailijoista, Skoltechin professori toteaa, uskovat Googlen voittavan kvanttikilpailussa. Biamonte on eri mieltä tästä: kalifornialaisen yrityksen edustajat ovat erittäin ihastuneita puhumaan menestyksistään, mutta he eivät milloinkaan julkaise tieteellisiä artikkeleita eivätkä paljasta kvantikoneidensa laitteen salaisuuksia.
Hänen mukaansa IBM-insinöörit ovat lähinnä tavoitetta - yrityksen tietokoneet todella toimivat ja ne voidaan tarkistaa milloin tahansa erityisillä pilvijärjestelmillä. Mutta mittakaava on edelleen melko rajallinen, eikä näitä koneita voida vielä käyttää ratkaisemaan monimutkaisia ongelmia.
Ajattelevia galakseja
Jos tällaisia "vakavia" järjestelmiä luodaan lähitulevaisuudessa, herää luonnollinen kysymys: mistä ne voidaan tehdä, minkä koon ne voivat saavuttaa ja miten ne vaikuttavat elämäämme?
Biamonten itsensä mukaan kvanttitietokoneille (tai hehkutuslaitteille), joilla on miljoonia kvittejä, ei ole perustavia fyysisiä rajoituksia. Toisaalta on täysin käsittämätöntä, kuinka monta kvbittiä todellisuudessa on, koska olemme nyt kvantitekniikan kehityksen hyvin varhaisessa vaiheessa.
”Toistaiseksi yritämme mukauttaa elektroniikkateollisuudessa jo saatavilla olevia tekniikoita toimimaan kvanttitietokoneiden kanssa. Kukaan ei kuitenkaan ole varma, että tämä on oikea tapa. On järjestelmiä, jotka soveltuvat paljon paremmin kvantikoneiden rakentamiseen. Niitä on kuitenkin paljon vaikeampi hallita”, tutkija selittää.
Esimerkiksi timanttien sisäiset erityiset viat ovat lähes yhtä hyvin eristetty ulkomaailmasta kuin yksittäiset atomit avaruuden tyhjiössä. Kuinka monta tällaista pistettä mahtuu yhteen timantiin ja kuinka lähellä ne voivat olla toisiinsa häiritsemättä naapureiden työtä, on edelleen epäselvää. Näihin kysymyksiin vastaus määrää, käytetäänkö timantteja kvantitietokoneisiin.
Todella suuret kvantikoneet, kuten Skoltech-professori totesi, ratkaisevat ihmisten arkeen liittyvien käytännön ongelmien lisäksi myös mielenkiintoisimmat tieteelliset palapelit.
Ehkä he paljastavat painovoiman kvanttisen luonteen ja testaavat Biamonten aikasymmetrian teorioita havaitsemalla, häiritsevätkö he niitä erityisen usein yrittäessään rikkoa tätä symmetriaa vai vaihtavatko aika, kun suoritetaan laskelmia tällaisille koneille.
Mitä ihmiskunta on selvinnyt näiden tehtävien kanssa, mitä tiede tekee seuraavaksi? Biamonten mukaan tämä kysymys liittyy paradoksaalisesti maan ulkopuolisen elämän etsimiseen ja siihen, kuinka vieraiden sivilisaatioiden edustajat voivat ilmoittaa olemassaolostaan.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte ja hänen kollegansa Deep-kvanttilaboratorioissa.
”Kuvittele, että me alistamme kaiken maailmankaikkeuden energian ja voiman. Mitä teemme ensin? Tietysti voimme tuhota itsemme, mutta on olemassa mielenkiintoisempi skenaario. Esimerkiksi meillä on mahdollisuus kiihdyttää Maan liikettä erittäin suurille nopeuksille ja jättää tietokone kiertoradalle”, fyysikko sanoo.
Suhteellisuusteorian mukaan aika planeetalla hidastuu. Jos vietämme kymmeniä vuosia tässä tilassa, kvantitietokone tai tavallinen tietokone "ulkomaailmassa" toimii useita vuosituhansia. Lisäksi tämä ei ole välttämättä ihmisen luomaa tietokonetta, sen roolia voivat tehdä eri avaruusobjektit - esimerkiksi jättiläismäiset kaasupilvet.
”Kuinka usein voit tehdä tämän? Tällaiselle "laskennan nopeudelle" ei ole nimenomaista rajoitusta, mutta me kaikki tiedämme, että myöhäinen maailmankaikkeus ei tule olemaan kovin mielenkiintoinen paikka meille. Tähdet alkavat vähitellen häivyttää ja galaksit tulevat näkymättömiksi toisilleen maailmankaikkeuden laajenemisen vuoksi”, professori toteaa.
Samanlaiset pohdinnat herättävät luonnollisen kysymyksen: jos ihmiskunta voi tehdä sen, mikä estää ulkomaalaisia tekemästä samaa? Niinpä joidenkin jäljennöksiä tällaisesta "avaruus" kvanttilaskennasta tai niiden klassisista vastineista on oltava läsnä avaruudessa. Mikä osoittaisi tätä, muukalaisten jättiläinen kvantitietokonetta?
”En voi antaa tarkkaa vastausta kysymykseen, mikä se voisi olla, tai ehdottaa, miten niitä etsiä. Samanaikaisesti tällaisten”universaalien laskimien” olemassaolo vaikuttaa minusta paljon todennäköisemmältä kuin”älykkäiden planeettojen” ja muiden itsestään tietoisten kosmisten esineiden spontaani esiintyminen, josta”kvantti” filosofit keskustelevat usein”, Biamonte toteaa.