Čo je to kvantový počítač a z čoho pozostáva? Nie všetky počítače majú nárok na takéto meno. Prečo je to tak a prečo sú potrebné takéto inštalácie, vysvetľuje Christopher Monroe, profesor na Marylandskej univerzite a jeden z vedúcich hráčov v globálnej „kvantovej rase“.
Ruské kvantové centrum v Moskve pravidelne organizuje významné medzinárodné konferencie venované vývoju kvantových technológií a ich praktickému uplatňovaniu. Na práci sa podieľajú nielen vedúci výskumní pracovníci, ale aj zástupcovia veľkých ruských a zahraničných obchodných a vládnych úradníkov.
V tomto roku sa konferencie zúčastnili vedúci troch vedeckých tímov, ktorí viedli k vytvoreniu komplexných kvantových počítačových systémov. Okrem Michaila Lukina, profesora na Harvardskej univerzite (USA), ktorý na predchádzajúcej konferencii prvýkrát oznámil vytvorenie rekordného 51-bitového počítača, sa ho zúčastnili aj profesori Christopher Monroe a Harmut Neven.
Monroe, ktorý dnes pracuje na univerzite v Marylande (USA), takmer súčasne so svojím rusko-americkým náprotivkom vytvoril stroj podobný stroju s podobnými, ale mierne odlišnými princípmi.
Hovoril o smere, ktorým sa tento systém vyvíja, ako sa líši od „konkurentov“a kde leží hranica medzi skutočnými kvantovými počítačmi, ktoré úplne zodpovedajú tomuto pojmu, a výpočtovými systémami, ktoré sú vybudované na základe klasických princípov.
Kvantová nadradenosť
Kvantové počítače sú špeciálne výpočtové zariadenia, ktorých výkon exponenciálne rastie vďaka použitiu zákonov kvantovej mechaniky v ich práci. Všetky takéto zariadenia sa skladajú z qubits - pamäťových buniek a súčasne primitívnych výpočtových modulov schopných uložiť rozsah hodnôt od nuly do jedného.
Propagačné video:
V súčasnosti existujú dva hlavné prístupy k vývoju takýchto zariadení - klasické a adiabatické. Navrhovatelia prvého z nich sa snažia vytvoriť univerzálny kvantový počítač, v ktorom by qubity dodržiavali pravidlá, podľa ktorých fungujú bežné digitálne zariadenia. Práca s takýmto výpočtovým zariadením by sa v ideálnom prípade nelíšila od toho, ako inžinieri a programátori prevádzkujú konvenčné počítače.
Adiabatický počítač sa dá ľahšie vytvoriť, ale jeho princípy fungovania sú bližšie k pridávaniu počítačov, diapozitívov a analógových počítačov zo začiatku 20. storočia, a nie k digitálnym zariadeniam našej doby. Existujú tiež hybridné prístupy, ktoré kombinujú vlastnosti oboch strojov. Medzi nimi možno podľa Monroea pripísať počítač Michailu Lukina.
Podľa Monroe je to spôsobené skutočnosťou, že pamäťové bunky v jeho stroji sú postavené na báze iónov kovu ytterbium vzácnych zemín, ktorého stav sa pri manipulácii s laserovými lúčmi nemení. Lukinov kvantový počítač je postavený na základe takzvaných Rydbergových atómov, ktoré nie sú chránené pred takýmito vplyvmi.
Sú to atómy rubídia-87 alebo iných alkalických kovov, ktorých voľný elektrón bol „tlačený“obrovskou vzdialenosťou od jadra pomocou špeciálnych pulzov lasera alebo rádiových vĺn. Z tohto dôvodu sa veľkosť atómu zvyšuje asi miliónkrát, čo ho mení na štvoricu, ale, ako vysvetlil Monroe, neumožňuje jeho pohyb bez deformácie tejto štruktúry a bez zničenia kvantových stavov.
Absencia takýchto problémov v iónoch, podľa amerického fyzika, umožnila jeho tímu vytvoriť nie hybridný, ale plne riadený kvantový počítač, ktorého vedci z vedy môžu manipulovať priamo v priebehu výpočtovej techniky.
Napríklad pred tromi rokmi, dávno pred vytvorením väčších strojov, Monroe a jeho tím oznámili, že sa im podarilo vytvoriť prvý preprogramovateľný kvantový počítač, ktorý pozostával z piatich pamäťových buniek. Tento skromný stroj vďaka svojej flexibilite umožnil fyzikom vykonávať na ňom naraz niekoľko kvantových programov.
Na tomto minipočítači sa im podarilo spustiť najmä algoritmy Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani, ako aj vytvoriť kvantovú verziu Fourierových transformácií, základného kameňa kryptografie a jej porušenia.
Tieto úspechy, ako aj ťažkosti s udržiavaním veľkého počtu iónov v pasci, poznamenáva Monroe, ho viedli k tomu, aby si myslel, že kvantové počítačové systémy by sa mali stavať skôr modulárne ako monolitické. Inými slovami, „vážne“kvantové počítače nebudú predstavovať jediný celok, ale druh siete pozostávajúcej z mnohých podobných a pomerne jednoduchých modulov.
Nedokonalé vákuum
Takéto systémy, ako poznamenal americký profesor, už existujú, ale zatiaľ sa nepoužívajú v prototypoch kvantových počítačov z jedného jednoduchého dôvodu - pracujú asi stokrát pomalšie ako samotné qubity. Domnieva sa však, že tento problém je úplne riešiteľný, pretože má skôr technický než vedecký charakter.
Ďalším potenciálnym problémom, ktorý bude rušiť fungovanie monolitických alebo iba veľkých kvantových počítačov, je to, že vákuum, ako to uviedla Monroe, nie je dokonalé. Vždy obsahuje malé množstvo molekúl, z ktorých každá sa môže zrážať s atómovými qubits a narušiť ich prácu.
Jediným spôsobom, ako to prekonať, je ďalšie ochladenie kvantového počítača čo najbližšie k absolútnej nule. Tím spoločnosti Monroe sa ešte nezaoberá týmto problémom, pretože počet jednotiek v ich stroji je malý, ale v budúcnosti sa bude určite musieť tento problém vyriešiť.
Modulárny prístup, ako navrhuje americký profesor, bude ďalším spôsobom, ako tento problém vyriešiť, pretože umožní rozdelenie počítača na mnoho nezávislých častí obsahujúcich relatívne malé množstvo qubits. Teoreticky to nebude fungovať tak rýchlo ako monolitický stroj, ale obíde sa tým problém „nedokonalého vákua“, pretože moduly sa budú ľahšie ochladzovať a ovládať.
Kedy príde tento čas? Ako navrhuje spoločnosť Monroe, v nasledujúcich troch až piatich rokoch sa vytvoria stroje, ktoré budú obsahovať niekoľko stoviek Quitov. Budú schopní vykonávať niekoľko desiatok tisíc operácií a nebudú vyžadovať fungovanie systémov chladenia alebo korekcie chýb.
Takéto stroje dokážu vyriešiť mnoho zložitých praktických problémov, ale nebudú to plnohodnotné počítače v klasickom slova zmysle. Aby ste to mohli urobiť, musíte zvýšiť počet qubitov a „naučiť ich“samostatne opravovať chyby vo svojej práci. Podľa fyzikov to bude trvať ďalších päť rokov.
Konečný úsek závodu
Prvé zložité kvantové počítače sa podľa Monroea postavia na základe iónových alebo atómových technológií, pretože všetky ostatné varianty qubitov, vrátane sľubných polovodičových pamäťových buniek, ešte nedosiahli podobnú úroveň vývoja.
„Zatiaľ sú to všetky experimenty na univerzitných laboratóriách. Tieto krivky sa nedajú použiť na vytvorenie úplných logických brán. Preto súhlasím s Michailom, že naši kolegovia z Austrálie, Intelu a ďalších tímov budú musieť vyriešiť mnoho praktických problémov skôr, ako budú môcť vytvoriť plnohodnotný počítačový systém, “poznamenáva fyzik.
Ako určiť víťaza v tomto „kvantovom závode“? Pred dvoma rokmi sa Monroe a jeho kolegovia pokúsili odpovedať na túto otázku zorganizovaním prvého porovnávacieho testovania kvantových počítačov. Ako konkurenciu pre prvú verziu svojho počítača si vybrali kvantový počítač IBM založený na supravodivých qubitoch.
Na ich porovnanie pripravili fyzici a programátori z University of Maryland prvý súbor „kvantových referenčných hodnôt“- jednoduché algoritmy, ktoré merajú presnosť a rýchlosť týchto počítačov. Test neodhalil priameho víťaza - počítač spoločnosti Monroe a jeho tímu vyhral presne, ale stratil rýchlosť na počítači IBM.
Monroe zároveň verí, že tzv. Kvantová nadradenosť - vytvorenie kvantového počítača, ktorého správanie sa nedá vypočítať inými metódami - nebude vážnym vedeckým alebo praktickým úspechom.
„Problém spočíva v samotnom koncepte. Na jednej strane, naše experimenty s piatimi desiatkami qubits, ako experimenty s Michailom, pomohli vypočítať veci, ktoré sa inak nedajú vypočítať. Na druhej strane to nemožno nazvať nadradenosť, pretože nemôžeme dokázať, že sa skutočne nedá vypočítať inými spôsobmi. Kvantová nadradenosť sa objaví skôr alebo neskôr, ale osobne sa za ňu nebudem honiť, “zdôraznil vedec.
Ďalší problém spočíva v skutočnosti, že zatiaľ nemôžeme s istotou povedať, ktoré problémy kvantové počítače dokážu vyriešiť a kde bude ich aplikácia najvhodnejšia a najužitočnejšia. Preto je potrebné, aby vedecké prostredie aj celá spoločnosť začali tieto stroje vnímať ako cenovo dostupný a univerzálny nástroj.
Kvantové záhady vesmíru
Z tohto dôvodu americký profesor neverí, že adiabatické výpočtové systémy, ako sú D-Wave zariadenia, sa dajú nazývať kvantové počítače. Ich práca je podľa fyzikov založená na úplne klasických fyzikálnych princípoch, ktoré nemajú nič spoločné so skutočnou kvantovou mechanikou.
„Napriek tomu sú analógové počítače z praktického hľadiska mimoriadne zaujímavé. Môžete jednoducho zobrať niekoľko magnetov, pripevniť ich na trojuholníkovú sieť a sledovať ich správanie. Tieto experimenty nebudú mať nič spoločné s kvantovou fyzikou, ale umožnia zložité výpočty optimalizácie. Investori sa o ne zaujímajú, čo znamená, že sa tak nestane zbytočne, “pokračuje profesor.
Aké úlohy môže vyriešiť „skutočný“kvantový počítač? Ako poznamenal Monroe, v posledných rokoch sa jeho tím spojilo mnoho ďalších tímov fyzikov. Plánujú používať svoj stroj na vyriešenie mnohých dôležitých vedeckých problémov, ktoré sa nedajú vypočítať na bežnom počítači.
Doteraz sa rovnaké experimenty, ako pripúšťal fyzik, môžu uskutočňovať na bežných superpočítačoch. Na druhej strane, v nasledujúcich rokoch sa počet qubitov v kvantových strojoch výrazne zvýši, takže ich práca nebude počítať.
Tým sa rozšíri ich aplikovateľnosť a urobia z týchto experimentov jeden z najzaujímavejších a jedinečných spôsobov štúdia najväčších a najzáhadnejších objektov vo vesmíre, ako aj vyriešenie mnohých každodenných úloh, ako je hľadanie trás alebo riadenie ekonomiky, uzatvára výskumník.