Vad är en kvantdator och vad består den av? Inte alla datorer har rätt till ett sådant namn. Varför detta är så och varför sådana installationer behövs, förklarar Christopher Monroe, professor vid University of Maryland och en av de ledande aktörerna i det globala "kvantloppet".
Ryska Quantum Center håller regelbundet stora internationella konferenser i Moskva för att utveckla kvantteknologier och deras praktiska tillämpning. Inte bara ledande forskare deltar i sitt arbete, utan också företrädare för stora ryska och utländska företag och myndigheter.
I år deltog konferensen av ledarna för tre vetenskapliga team som ledde i skapandet av komplexa kvantberäkningssystem. Förutom Mikhail Lukin, en professor vid Harvard University (USA), som först meddelade skapandet av en rekordbrytande dator på 51 qubit vid den tidigare konferensen, deltog professorerna Christopher Monroe och Harmut Neven i den.
Monroe, som idag arbetar vid University of Maryland (USA), skapade en maskin liknande makt nästan samtidigt med sin rysk-amerikanska motsvarighet, med liknande, men lite olika principer.
Han talade om i vilken riktning detta system utvecklas, hur det skiljer sig från "konkurrenter" och var gränsen ligger mellan verkliga kvantdatorer, som helt motsvarar denna term, och datorsystem som är byggda på grundval av klassiska principer.
Kvantöverlägsenhet
Kvantdatorer är speciella beräkningsenheter vars kraft växer exponentiellt på grund av användning av kvantmekanikens lagar i deras arbete. Alla sådana enheter består av qubits - minneceller och samtidigt primitiva datormoduler som kan lagra ett värden mellan noll och en.
Kampanjvideo:
Idag finns det två huvudsakliga metoder för utveckling av sådana enheter - klassisk och adiabatisk. Förespråkare för den första av dem försöker skapa en universell kvantdator, där qubits skulle följa de regler som vanliga digitala enheter fungerar på. Att arbeta med en sådan beräkningsenhet skulle helst inte vara mycket annorlunda än hur ingenjörer och programmerare använder konventionella datorer.
En adiabatisk dator är lättare att skapa, men den är närmare i sina principer för att lägga till maskiner, bildregler och analoga datorer från början av 1900-talet och inte till digitala enheter i vår tid. Det finns också hybridmetoder som kombinerar funktionerna i båda maskinerna. Bland dem, enligt Monroe, kan tillskrivas datorn till Mikhail Lukin.
Enligt Monroe beror detta på det faktum att minnecellerna i hans maskin är byggda på basis av joner av den sällsynta jordartsmetall ytterbium, vars tillstånd inte förändras när hanteras med laserstrålar. Lukins kvantdator bygger i sin tur på basis av de så kallade Rydberg-atomerna, som inte är skyddade från sådana påverkningar.
De är atomer av rubidium-87 eller andra alkalimetaller, vars fria elektron "pressades" ett stort avstånd från kärnan med hjälp av speciella laser- eller radiovågspulser. På grund av detta ökar atomens storlek med ungefär en miljon gånger, vilket förvandlar den till en kvbit, men som Monroe förklarade tillåter den inte att flyttas utan att deformera denna struktur och utan att förstöra kvanttillstånd.
Avsaknaden av sådana problem i joner tillåter enligt den amerikanska fysikern att hans team inte skapade en hybrid, utan en helt kontrollerad kvantdator, vars forskare kan manipulera direkt under beräkningen.
Till exempel, för tre år sedan, långt innan skapandet av större maskiner, meddelade Monroe och hans team att de hade lyckats skapa den första omprogrammerbara kvantdatoren, som bestod av fem minneceller. Denna blygsamma maskin, tack vare sin höga flexibilitet, gjorde det möjligt för fysiker att köra flera kvantprogram på den på en gång.
I synnerhet lyckades de driva Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani-algoritmerna på denna minidator, samt skapa en kvantversion av Fourier-transformerna, hörnstenen i kryptografi och dess brytning.
Dessa framgångar, liksom svårigheten att hålla ett stort antal joner i fällor, säger Monroe, påpekade honom att tänka att kvantberäkningssystem borde byggas modulära snarare än monolitiska. Med andra ord, "seriösa" kvantdatorer kommer inte att representera en enda helhet, utan ett slags nätverk, som består av många liknande och ganska enkla moduler.
Ofullständigt vakuum
Sådana system, som noteras av den amerikanska professorn, finns redan, men används ännu inte i prototyper av kvantdatorer av ett enkelt skäl - de fungerar ungefär hundra gånger långsammare än själva qubits. Ändå anser han att detta problem är helt lösbart, eftersom det har en teknik snarare än en vetenskaplig karaktär.
Ett annat potentiellt problem som kommer att påverka driften av monolitiska eller bara stora kvantdatorer är att vakuumet, som Monroe uttryckte det, inte är perfekt. Den innehåller alltid ett litet antal molekyler, som var och en kan kollidera med atomiska bitar och störa deras arbete.
Det enda sättet att övervinna detta är att ytterligare kyla kvantdatorn så nära som möjligt till absolut noll. Monroes team är ännu inte engagerade i detta eftersom antalet qubits i deras maskin är litet, men i framtiden måste detta problem definitivt lösas.
Det modulära tillvägagångssättet, som föreslagits av den amerikanska professorn, kommer att vara ett annat sätt att lösa detta problem, eftersom det gör det möjligt att bryta datorn i många oberoende delar som innehåller relativt litet antal qubits. I teorin kommer den inte att köra lika snabbt som en monolitisk maskin, men den kommer att kringgå problemet med "ofullständigt vakuum", eftersom modulerna blir lättare att kyla och kontrollera.
När kommer den här tiden? Som Monroe antyder, kommer de kommande tre till fem åren att skapas maskiner som innehåller flera hundra qubits. De kommer att kunna utföra flera tiotusentals operationer och kommer inte att kräva extrem kylning eller felkorrigeringssystem för att fungera.
Sådana maskiner kommer att kunna lösa många komplexa praktiska problem, men de kommer inte att vara fullverdiga datorer i ordets klassiska mening. För att göra detta måste du öka antalet bitar och "lära" dem att självständigt korrigera misstag i sitt arbete. Enligt fysikern kommer detta att ta ytterligare fem år.
Sista sträckan av loppet
De första komplexa kvantdatorerna, enligt Monroe, kommer att byggas på grundval av joniska eller atomteknologier, eftersom alla andra varianter av qubits, inklusive lovande halvledarminneceller, ännu inte har nått en liknande utvecklingsnivå.
”Hittills är det allt universitetslaboratoriumsexperiment. Dessa qubits kan inte användas för att skapa kompletta logiska grindar. Därför håller jag med Mikhail om att våra kollegor från Australien, Intel och andra team kommer att behöva lösa många praktiska problem innan de kan skapa ett fullständigt datorsystem,”konstaterar fysikern.
Hur bestämmer vinnaren i detta "kvantlopp"? För två år sedan försökte Monroe och hans kollegor att svara på denna fråga genom att organisera den första jämförande testen av kvantdatorer. De valde en IBM-kvantdator baserad på superledande qubits som en konkurrent för den första versionen av sin maskin.
För att jämföra dem utarbetade fysiker och programmerare från University of Maryland den första uppsättningen "kvantvärden" - enkla algoritmer som mäter både datorns noggrannhet och hastighet. Testet avslöjade inte en direkt vinnare - datorn till Monroe och hans team vann exakt, men förlorade i hastighet till IBM-maskinen.
Samtidigt tror Monroe att den så kallade kvantöverlägsenheten - skapandet av en kvantdator, vars beteende inte kan beräknas med andra metoder - inte kommer att vara någon allvarlig vetenskaplig eller praktisk framgång.
”Problemet ligger i själva konceptet. Å ena sidan hjälpte våra experiment med fem dussin bitar, liksom Mikhails experiment, att beräkna de saker som annars inte kan beräknas. Å andra sidan kan detta inte kallas överlägsenhet, eftersom vi inte kan bevisa att det verkligen inte kan beräknas på andra sätt. Kvantöverlägsenhet kommer att dyka upp förr eller senare, men personligen kommer jag inte att jaga efter det,”betonade forskaren.
En annan svårighet ligger i det faktum att vi ännu inte kan säga säkert vilka problem kvantdatorer kan lösa och var deras tillämpning är mest motiverad och användbar. För detta är det nödvändigt att både den vetenskapliga miljön och hela samhället börjar uppfatta sådana maskiner som ett prisvärt och universellt verktyg.
Universumets kvantmysterier
Av den anledningen tror den amerikanska professorn inte att adiabatiska datorsystem som D-Wave-enheter kan kallas kvantdatorer. Deras arbete är enligt fysikern baserat på helt klassiska fysiska principer som inte har något att göra med verklig kvantmekanik.
”Trots detta är analoga datorer som dessa extremt intressanta ur praktisk synvinkel. Du kan helt enkelt ta några magneter, fästa dem i ett triangulärt nät och spåra deras beteende. Dessa experiment har ingenting att göra med kvantfysik, men de möjliggör några komplexa optimeringsberäkningar. Investerare är intresserade av dem, vilket innebär att detta inte görs förgäves, fortsätter professorn.
Vilka uppgifter kan en "riktig" kvantdator lösa? Som Monroe noterade har många andra fysiklag kontaktat hans team under de senaste åren. De planerar att använda sin maskin för att lösa många viktiga vetenskapliga problem som inte kan beräknas på en konventionell dator.
Hittills kan samma experiment, som fysikern medgav, genomföras på vanliga superdatorer. Å andra sidan kommer antalet qubits i kvantmaskiner under de kommande åren att öka avsevärt, vilket kommer att göra deras arbete otaligt.
Detta kommer att utvidga deras användbarhet och göra sådana experiment till ett av de mest intressanta och unika sätten att studera de största och mest mystiska föremålen i universum, samt lösa många vardagliga uppgifter, som att hitta vägar eller hantera ekonomin, avslutar forskaren.
