Kvantfysiken styr allt som omger oss. Är det möjligt att förvandla hela universumet till en kvantdator, kommer utlänningar att märka det, och varför sådana maskiner behövs alls - Jacob Biamonte, en Skoltech-professor, en av de ledande experterna på detta område, svarar på dessa frågor och berättar hur han hamnade i Ryssland.
Ljus framtid
”Jag kom först till Ryssland för mer än tio år sedan, och inte alls för att göra fysik. Jag är förtjust i kampsport, inklusive sambo, och kom hit för att studera och utbyta erfarenheter. Senare fick jag veta att det finns alla förutsättningar här för att bedriva avancerad vetenskap, locka forskare från hela världen till samarbete, säger forskaren.
Idag är han chef för Deep kvantlaboratorier, skapade för två år sedan inom ramen för Skoltech för att förena ansträngningarna från ryska och utländska fysiker, matematiker, programmerare och ingenjörer som studerar problemen i samband med utvecklingen av kvantberäkningssystem.
”Vi handlar inte om praktik utan alla teoretiska aspekter och” mjukvaru”aspekter av kvantberäkning, och vi interagerar med experter, inklusive forskare från Skoltech och specialister från Moskva State University, RCC och ITMO. Vi är öppna för samarbete och är redo att hjälpa alla experter som studerar sådana frågor, fortsätter professorn.
Vad är en kvantdator? I sin natur skiljer det sig radikalt från klassiska datorenheter, som tillåter enkla eller komplexa matematiska operationer på siffror eller datasätt uttryckta som nollor och sådana.
I kvantkusinerna till klassiska datorer, vars principer formulerades för mer än 30 år sedan av den sovjetiska fysikern Yuri Manin, kodas informationen på ett fundamentalt annorlunda sätt. Elementära minneceller, de så kallade qubits, kan inte innehålla varken noll eller en, utan ett helt spektrum av värden i intervallet mellan dem.
Kampanjvideo:
Som ett resultat växer kraften hos sådana datorer exponentiellt: beteendet hos en kvantprocessor med flera tiotals qubits kan inte beräknas ens med hjälp av de mest kraftfulla klassiska superdatorerna.
Under en lång tid förblev sådana maskiner föremål för science fiction och teoretisk forskning av fysiker, men under de senaste 15 åren har forskare gjort ett genombrott i att skapa qubits och i att kombinera dem till mer komplexa system. De mest avancerade versionerna av kvantdatorer som utvecklats på Google, IBM och vid Harvard University av Mikhail Lukins grupp innehåller 20 till 50 bitar.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, professor i fysik vid Skolkovo Institute of Science and Technology.
Trots dessa framsteg antar utvecklarna av dessa maskiner att fullständiga datorsystem som kan lösa alla problem inte kommer att dyka upp inom 10-20 år. Intressant nog har denna uppskattning inte förändrats sedan slutet av 1990-talet, men vissa nya problem uppstår ständigt, varje gång man skjuter åt den aldrig kommande”ljusa kvant framtiden”.
Som Biamonte noterade i sina populära vetenskapliga föreläsningar tar han en speciell ståndpunkt: enligt hans åsikt kommer "användbara" kvantberäkningssystem att visas mycket tidigare, men de kommer inte alls att vara vad allmänheten och media föreställer dem.
”Idag finns det ett stort problem inom fysik, som samtidigt är dess främsta fördel. Experimentörer kör allt. Av någon anledning tror de att experiment är viktigare för vetenskapen än teori. Tack vare de pengar som investerats i detta område har teoretisk fysik praktiskt taget förstörts, säger Biamonte.
Professor refererar själv till sig som en representant för klassisk teoretisk fysik, vars idéer dominerade vetenskapen för hundra år sedan, vid de första stadierna av kvantmekanikens födelse och modern Einstein-fysik. Under de senaste decennierna måste människor som honom flytta till matematikavdelningarna, där de är mycket bekvämare.
”Experimenter, inklusive skaparna av kvantdatorer, bryr sig bara om sina egna mönster. Med några få undantag är de inte intresserade av vad som är känt om förmågan hos sådana enheter i allmänhet. Detta påverkar deras mentalitet och gör att de inte ger rationella utan emotionella bedömningar, förklarar forskaren.
Till exempel finns det fortfarande inget tydligt bevis på att kvantdatorer kan överträffa sina klassiska motsvarigheter i datorhastighet. Samtidigt specificerar Biamonte, om vi generaliserar alla förenklade modeller som visar vissa aspekter av denna överlägsenhet, kommer vi att få ganska övertygande bevis till förmån för kvantkalkylatorernas överlägsenhet.
”Å ena sidan har Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin och andra ledare på detta område rätt: en kvantdator kommer verkligen inte snart. Å andra sidan, i det här fallet talar vi om universella maskiner som kan korrigera sina egna misstag,”konstaterar fysikern.
Bristen på en sådan förmåga i en dator, betonar Biamonte, gör den inte helt värdelös eller underlägsen.
Atomisk maskin
”Det finns otaliga exempel på olika kvantsystem i naturen som inte har denna förmåga. Deras beteende är mycket svårt att beräkna med vanliga datorer. Därför skapandet av ett kvantsystem som simulerar sådana processer gör att vi kan göra lämpliga beräkningar och få något användbart, säger forskaren.
Denna idé är långt ifrån ny - den uttrycktes av den berömda amerikanska fysikern Richard Feynman bara två år efter publiceringen av Manins första artiklar. Som Biamonte noterade har experimenterande aktivt utvecklat sådana system under de senaste åren, och teoretiker funderar över var de kan tillämpas.
Sådana analoga datorenheter, de så kallade adiabatiska datorerna eller "glödgning" i fysikernas jargong, behöver inte använda kvanteffekter - för många problem är de klassiska interaktionerna mellan atomerna tillräckliga.
”Det finns tre typer av datorer av detta slag - klassiska glödmaskiner, deras kvanteaccelererade motsvarigheter och fullfjädrade kvantprocessorer baserade på kvantlogiska grindar. De senare skapades i IBM-laboratorier, de första - i Fujitsu, den andra - i D-Wave, säger forskaren.
Biamonte och hans Skoltech-kollegor är mest intresserade av tredje klassens maskiner. Sådana apparater, sade han, är ganska svåra att skapa, men de kan användas för att lösa de mest komplexa optimeringsproblemen: från maskininlärning till utveckling av nya läkemedel.
”Dessa maskiner är väldigt intressanta, men de första riktiga enheterna av denna typ kommer bara att visas om några år. Å andra sidan är det möjligt att skapa klassiska och kvantala annealers just nu. Och nu är de i praktiken de mest användbara av kvantdatorer, tillägger Biamonte.
Många processer inom partikelfysik, fortsätter forskaren, är av natur programmerade så att de optimerar sig själva och strävar efter att nå ett energiminimum. Följaktligen, om vi lär oss att kontrollera dessa processer, kan vi göra en uppsättning atomer eller några andra objekt gör dessa beräkningar för oss.
”Varför slösa en enorm mängd CPU-tid på en sådan optimering, om det kan göras med en klassisk glödgningsanordning eller en kvantitet som liknar D-Wave? Figurativt sett, varför, när du studerar vinden, använder du en virtuell vindtunnel, om vi redan har en riktig? Många ryska företag funderar på detta och vi samarbetar aktivt med dem,”understryker forskaren.
Framgångsrikt slutförande av dessa experiment kommer att bana väg för utveckling av kvantglödgningsmedel, där principerna för kvantfysik används för att påskynda interaktioner mellan atomer och andra partiklar. Naturligtvis kommer vissa vetenskapliga uppgifter inte att vara tillgängliga för dem, men de kommer att kunna lösa många vardagliga problem, till exempel trafikoptimering eller hantering av aktieportföljer.
De flesta observatörer, säger Skoltech-professorn, tror att Google kommer att vinna i kvantloppet. Biamonte håller inte med om detta: företrädarna för det kaliforniska företaget är väldigt förtjust i att prata om deras framgångar, men de publicerar nästan aldrig vetenskapliga artiklar och avslöjar inte hemligheterna för deras kvantmaskiner.
Enligt hans åsikt är IBM-ingenjörer närmast målet - datorns företag fungerar verkligen och de kan när som helst kontrolleras genom speciella molnsystem. Men skalan är fortfarande ganska begränsad, och dessa maskiner kan ännu inte användas för att lösa komplexa problem.
Tänkande galaxer
Om sådana "allvarliga" system skapas inom en snar framtid uppstår en naturlig fråga: vad kan de göras av, vilken storlek kan de nå och hur kommer de att påverka vårt liv?
Enligt Biamonte själv finns det inga grundläggande fysiska begränsningar för kvantdatorer (eller glödgningsenheter) med miljoner qubits. Å andra sidan är det helt obegripligt hur många qubits det kommer att finnas i verkligheten, eftersom vi nu befinner oss i mycket tidiga stadier av utvecklingen av kvantteknologier.
”Hittills försöker vi anpassa den teknik som redan finns inom elektronikindustrin för att arbeta med kvantdatorer. Ingen är dock säker på att detta är rätt sätt. Det finns system som är mycket bättre lämpade för att bygga kvantmaskiner. De är emellertid mycket svårare att hantera, förklarar forskaren.
Exempelvis är speciella defekter i diamanter nästan lika väl isolerade från omvärlden som enstaka atomer i rymdvakuumet. Hur många sådana punkter som kan passa i en diamant och hur nära de kan vara varandra utan att störa grannarnas arbete är fortfarande oklart. Svaret på dessa frågor avgör om diamanter kommer att användas i kvantdatorer.
Riktigt stora kvantmaskiner, som Skoltech-professorn konstaterar, kommer att lösa inte bara praktiska problem relaterade till vardagsliv utan också de mest intressanta vetenskapliga pussel.
Kanske kommer de att avslöja tyngdkraftens kvantitet och testa Biamontes teorier om tidssymmetri och iakttar om speciella störningar uppstår i deras arbete när de försöker bryta denna symmetri eller vända tiden när de utför beräkningar på sådana maskiner.
När mänskligheten har klarat av dessa uppgifter, vad kommer vetenskapen göra nu? Denna fråga, säger Biamonte, är paradoxalt relaterad till sökandet efter utomjordiskt liv och hur representanter för främmande civilisationer kan signalera deras existens.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte och hans kollegor vid Deep kvantelaboratorier.
”Föreställ dig att vi kommer att lägga ner all energi och kraft i universum. Vad ska vi göra först? Naturligtvis kan vi förstöra oss själva, men det finns ett mer intressant scenario. Till exempel kommer vi att ha möjlighet att påskynda jordens rörelse till ultrahöga hastigheter och lämna en dator i omloppsbana, säger fysikern.
Enligt relativitetsteorin kommer tiden på planeten att sakta ner. Om vi tillbringar tiotals år i detta tillstånd, kommer en kvantdator eller en vanlig dator i "omvärlden" att fungera i flera årtusenden. Dessutom är detta inte nödvändigtvis en konstgjord dator, dess roll kan spelas av olika rymdobjekt - till exempel gigantiska gasmoln.
”Hur ofta kan du göra det? Det finns ingen uttrycklig gräns för en sådan "speedup of computations", men vi vet alla att det sena universum inte kommer att vara en mycket intressant plats för oss. Stjärnorna kommer gradvis att börja försvinna och galaxerna blir osynliga för varandra på grund av universums expansion,”konstaterar professorn.
Liknande reflektioner väcker en naturlig fråga: om mänskligheten kan göra det, vad hindrar utlänningar från att göra detsamma? Följaktligen måste vissa spår av sådan "rymd" kvantberäkning eller deras klassiska motsvarigheter finnas i rymden. Vad skulle kunna indikera detta, de jätte kvantdatorer av utlänningar?
”Jag kan inte ge ett exakt svar på frågan om vad det kan vara eller föreslå hur man letar efter dem. Samtidigt verkar förekomsten av sådana”universella kalkylatorer” för mig mycket mer sannolikt än den spontana uppkomsten av”intelligenta planeter” och andra kosmiska föremål som kan vara medvetna om sig själva, vilket ofta diskuteras av”kvantfilosofer”, avslutar Biamonte.
