Kvantová fyzika riadi všetko, čo nás obklopuje. Je možné zmeniť celý vesmír na kvantový počítač, všimne si to cudzincov a prečo sú takéto stroje vôbec potrebné - Jacob Biamonte, profesor Skoltech, jeden z popredných odborníkov v tejto oblasti, odpovedá na tieto otázky a hovorí, ako skončil v Rusku.
Svetlá budúcnosť
„Prvýkrát som prišiel do Ruska pred viac ako desiatimi rokmi a vôbec nie fyziku. Mám rád bojové umenia vrátane samba a prišiel som sem študovať a vymieňať si skúsenosti. Neskôr som sa dozvedel, že sú tu všetky podmienky na vykonávanie pokročilej vedy, ktorá priťahuje vedcov z celého sveta k spolupráci, “hovorí vedec.
Dnes vedie Deep kvantové laboratóriá, vytvorené pred dvoma rokmi v rámci Skoltechu, aby spojil úsilie ruských a zahraničných fyzikov, matematikov, programátorov a inžinierov študujúcich problémy spojené s vývojom kvantových počítačových systémov.
„Nezaoberáme sa praxou, ale všetkými teoretickými a„ softvérovými “aspektmi kvantovej práce na počítači a spolupracujeme s experimentátormi vrátane vedcov zo Skoltechu a odborníkov z Moskovskej štátnej univerzity, RCC a ITMO. Sme otvorení spolupráci a sme pripravení pomôcť experimentátorom študujúcim tieto problémy, “pokračuje profesor.
Čo je to kvantový počítač? Vo svojej podstate sa radikálne líši od klasických výpočtových zariadení, ktoré umožňujú jednoduché alebo zložité matematické operácie s číslami alebo množinami údajov vyjadrenými ako nuly a tie.
V kvantových bratrancoch klasických počítačov, ktorých princípy boli formulované pred viac ako 30 rokmi sovietskym fyzikom Jurijom Maninom, sú informácie zakódované úplne iným spôsobom. Bunky elementárnej pamäte, takzvané qubity, nemôžu obsahovať ani nulu, ani jednu, ale celé spektrum hodnôt v intervale medzi nimi.
Propagačné video:
Výsledkom je, že výkon týchto počítačov exponenciálne rastie: správanie kvantového procesora s niekoľkými desiatkami qubits sa nedá vypočítať ani pomocou najsilnejších klasických superpočítačov.
Takéto stroje zostali dlho predmetom sci-fi a teoretického výskumu fyzikov, ale za posledných 15 rokov vedci urobili prielom vo vytváraní qubitsov a ich kombinovaní do komplexnejších systémov. Najpokročilejšie verzie kvantových počítačov vyvinutých skupinou Google Michala Lukina vyvinutou v spoločnosti Google, IBM a na Harvardskej univerzite obsahujú 20 až 50 jednotiek.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fyziky na Skolkovo Institute of Science and Technology.
Napriek týmto pokrokom vývojári týchto strojov predpokladajú, že plnohodnotné počítačové systémy schopné vyriešiť akýkoľvek problém sa neobjavia čoskoro, za 10 - 20 rokov. Je zaujímavé, že tento odhad sa nezmenil od konca 90. rokov, ale stále sa objavujú nové problémy, ktoré zakaždým odsúvajú nikdy neprichádzajúcu „svetlú kvantovú budúcnosť“.
Ako poznamenal Biamonte vo svojich populárnych vedeckých prednáškach, zaujíma osobitné postavenie: podľa jeho názoru sa „užitočné“systémy kvantových výpočtov objavia omnoho skôr, ale vôbec si nebudú predstavovať to, čo si ich predstaví verejnosť a médiá.
„Vo fyzike je dnes jeden veľký problém, ktorý je zároveň jeho hlavnou výhodou. Experimentátori spúšťajú všetko. Z nejakého dôvodu si myslia, že experimenty sú pre vedu dôležitejšie ako teória. Vďaka peniazom investovaným do tejto oblasti bola teoretická fyzika prakticky zničená, “hovorí Biamonte.
Sám profesor sa označuje ako predstaviteľa klasickej teoretickej fyziky, ktorej myšlienky ovládali vedu pred sto rokmi, v prvých fázach narodenia kvantovej mechaniky a modernej Einsteinovej fyziky. V posledných desaťročiach sa ľudia ako on museli presťahovať do matematických oddelení, kde sú omnoho pohodlnejšie.
„Experti vrátane tvorcov kvantových počítačov sa starajú iba o svoje vlastné návrhy. Až na pár výnimiek sa nezaujímajú o to, čo je všeobecne známe o schopnosti takýchto zariadení. To ovplyvňuje ich mentalitu a núti ich robiť racionálne, ale emocionálne hodnotenie, “vysvetľuje vedecký pracovník.
Napríklad stále neexistuje jediný jasný dôkaz, že kvantové počítače dokážu prekonať svoje klasické náprotivky vo výpočtovej rýchlosti. Zároveň Biamonte špecifikuje, že ak zovšeobecňujeme všetky zjednodušené modely preukazujúce niektoré aspekty tejto nadradenosti, získame celkom presvedčivé dôkazy v prospech nadradenosti kvantových kalkulačiek.
„Na jednej strane majú Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin a ďalší lídri v tejto oblasti pravdu: kvantový počítač naozaj skoro neprichádza. Na druhej strane v tomto prípade hovoríme o univerzálnych strojoch schopných opraviť svoje chyby, “poznamenáva fyzik.
Nedostatok takýchto schopností v počítači, zdôrazňuje Biamonte, neznamená, že je to absolútne zbytočné alebo podradné.
Atómový pridávací stroj
„Existuje nespočetné množstvo príkladov rôznych kvantových systémov v prírode, ktoré túto schopnosť nemajú. Ich správanie je veľmi ťažké vypočítať pomocou bežných počítačov. Vytvorenie kvantového systému, ktorý simuluje takéto procesy, nám preto umožní vykonať príslušné výpočty a získať niečo užitočné, “hovorí vedec.
Táto myšlienka nie je ani zďaleka nová - vyslovil ju slávny americký fyzik Richard Feynman len dva roky po uverejnení prvých článkov Manina. Ako poznamenal Biamonte, experimentátori v posledných rokoch tieto systémy aktívne vyvíjajú a teoretici uvažujú o tom, kde ich možno uplatniť.
Takéto analógové počítačové zariadenia, takzvané adiabatické počítače alebo „žíhanie“v žargóne fyzikov nemusia využívať kvantové efekty - pre mnohé problémy postačujú klasické interakcie medzi atómami.
„Existujú tri typy počítačov tohto druhu - klasické žíhacie stroje, ich kvantovo akcelerované náprotivky a plnohodnotné kvantové procesory založené na kvantových logických bránach. Posledne menované boli vytvorené v laboratóriách IBM, prvé - v Fujitsu, druhé - v D-Wave, “hovorí vedec.
Biamonte a jeho kolegovia zo Skoltechu sa najviac zaujímajú o stroje tretej triedy. Vytvorenie takýchto zariadení je podľa neho dosť ťažké, ale môžu sa použiť na riešenie najzložitejších problémov s optimalizáciou: od strojového učenia sa po vývoj nových liekov.
„Tieto stroje sú veľmi zaujímavé, ale prvé skutočné zariadenia tohto typu sa objavia až o niekoľko rokov. Na druhej strane je teraz možné vytvoriť klasické a kvantové žíhadlá. A teraz zostávajú v praxi najužitočnejšie z kvantových počítačov, “dodáva Biamonte.
Výskumník pokračuje, že mnoho procesov vo fyzike častíc je naprogramovaných od prírody tak, aby sa optimalizovali a snažili sa dosiahnuť energetické minimum. Ak sa teda naučíme kontrolovať tieto procesy, dokážeme pre nás tieto výpočty vytvoriť skupinu atómov alebo nejaké iné objekty.
„Prečo strácate obrovské množstvo času CPU pri takejto optimalizácii, ak je to možné pomocou klasického žíhacieho zariadenia alebo kvantového zariadenia podobného D-Wave? Obrazne povedané, prečo pri štúdiu vetra použiť virtuálny aerodynamický tunel, ak už máme skutočný tunel? Mnoho ruských spoločností o tom premýšľa a my s nimi aktívne spolupracujeme, “zdôrazňuje vedec.
Úspešné dokončenie týchto experimentov pripraví pôdu pre vytvorenie kvantových žíhacích látok, v ktorých sa princípy kvantovej fyziky používajú na urýchlenie interakcií medzi atómami a inými časticami. Niektoré vedecké úlohy im samozrejme nebudú k dispozícii, budú však schopné vyriešiť mnoho každodenných problémov, ako napríklad optimalizácia dopravy alebo správa portfólia akcií.
Väčšina pozorovateľov, poznamenáva profesor Skoltech, verí, že spoločnosť Google vyhrá v kvantovej rase. Biamonte s tým nesúhlasí: zástupcovia kalifornskej spoločnosti veľmi radi hovoria o svojich úspechoch, ale takmer nikdy neuverejňujú vedecké články a neodhaľujú tajomstvá zariadenia ich kvantových strojov.
Podľa jeho názoru sú inžinieri IBM najbližšie k cieľu - počítače tejto spoločnosti skutočne fungujú a môžu sa kedykoľvek skontrolovať pomocou špeciálnych cloudových systémov. Rozsah je však stále dosť obmedzený a tieto stroje sa ešte nemôžu použiť na riešenie zložitých problémov.
Mysliace galaxie
Ak sa takéto „vážne“systémy vytvoria v blízkej budúcnosti, vyvstáva prirodzená otázka: z čoho môžu byť vyrobené, z akej veľkosti môžu dosiahnuť a ako ovplyvnia náš život?
Podľa samotného Biamonteho neexistujú žiadne zásadné fyzické obmedzenia pre kvantové počítače (alebo žíhajúce zariadenia) s miliónmi qubits. Na druhej strane je úplne nepochopiteľné, koľko qubítov bude v skutočnosti, pretože sme teraz vo veľmi raných fázach vývoja kvantových technológií.
„Doteraz sa snažíme prispôsobiť technológie, ktoré sú už k dispozícii v elektronickom priemysle, na prácu s kvantovými počítačmi. Nikto si však nie je istý, či je to správna cesta. Existujú systémy, ktoré sú oveľa vhodnejšie na stavbu kvantových strojov. Spravujú ich však oveľa ťažšie, “vysvetľuje vedec.
Napríklad špeciálne chyby vo vnútri diamantov sú takmer rovnako izolované od vonkajšieho sveta ako jednotlivé atómy vo vákuu vesmíru. Koľko takýchto bodov sa zmestí do jedného diamantu a ako blízko môžu byť k sebe bez toho, aby zasahovali do práce susedov, je stále nejasné. Odpoveď na tieto otázky určuje, či sa diamanty použijú v kvantových počítačoch.
Skutočne veľké kvantové stroje, ako uviedol profesor Skoltech, vyriešia nielen praktické problémy spojené s každodenným ľudským životom, ale aj najzaujímavejšie vedecké hádanky.
Možno odhalia kvantovú povahu gravitácie a otestujú Biamonteho teórie časovej symetrie pozorovaním, či sú obzvlášť narušené, keď sa snažia zlomiť túto symetriu alebo obrátiť čas pri výpočtoch na takýchto strojoch.
Keď sa ľudstvo vyrovná s týmito úlohami, čo bude robiť veda ďalej? Táto otázka, podľa Biamonteho, paradoxne súvisí s hľadaním mimozemského života a so spôsobom, akým môžu predstavitelia mimozemských civilizácií signalizovať ich existenciu.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte a jeho kolegovia v Deep kvantových laboratóriách.
„Predstavte si, že podľahneme všetku energiu a silu vesmíru. Čo urobíme ako prvé? Môžeme sa samozrejme zničiť, ale je tu zaujímavejší scenár. Napríklad budeme mať príležitosť zrýchliť pohyb Zeme na ultravysoké rýchlosti a nechať počítač na obežnej dráhe, “hovorí fyzik.
Podľa teórie relativity sa čas na planéte spomalí. Ak v tomto stave strávime desiatky rokov, kvantový počítač alebo obyčajný počítač v „vonkajšom svete“bude fungovať niekoľko tisícročí. Navyše to nemusí byť nevyhnutne počítač vyrobený človekom, jeho úlohu môžu hrať rôzne vesmírne objekty - napríklad obrovské oblaky plynu.
„Ako často to dokážete? Takéto „zrýchlenie výpočtov“nie je nijako explicitne obmedzené, ale všetci vieme, že neskoro vesmír nebude pre nás veľmi zaujímavým miestom. Hviezdy sa postupne začnú vytrácať a galaxie sa budú navzájom rozširovať vďaka rozširovaniu vesmíru, “poznamenáva profesor.
Podobné úvahy vyvolávajú prirodzenú otázku: ak to dokáže ľudstvo, čo bráni cudzincom robiť to isté? V súlade s tým musia byť vo vesmíre prítomné niektoré stopy takéhoto „vesmírneho“kvantového výpočtu alebo ich klasické náprotivky. Čo by to naznačovalo, obrovské kvantové počítače cudzincov?
„Nemôžem dať presnú odpoveď na otázku, čo to môže byť, ani navrhnúť, ako ich hľadať. Zároveň sa mi zdá, že existencia takýchto „univerzálnych kalkulačiek“je oveľa pravdepodobnejšia ako spontánny vznik „inteligentných planét“a iných kozmických predmetov, ktoré si môžu uvedomiť samy o sebe, o čom často hovoria „kvantové“filozofi, “uzatvára Biamonte.