Mis on kvantarvuti ja millest see koosneb? Kõigil arvutitel pole sellist nime. Miks see nii on ja milleks selliseid installatsioone vaja on, selgitab Marylandi ülikooli professor ja ülemaailmse "kvantvõistluse" üks juhtivaid mängijaid Christopher Monroe.
Vene Kvantkeskus korraldab Moskvas regulaarselt suuri rahvusvahelisi konverentse, mis on pühendatud kvanttehnoloogiate arendamisele ja nende praktilisele rakendamisele. Selle tööst võtavad osa mitte ainult juhtivad teadlased, vaid ka suurte Venemaa ja välismaiste ettevõtete esindajad ning valitsusametnikud.
Sel aastal osalesid konverentsil kolme teadusrühma juhid, kes juhivad keerukate kvantarvutusüsteemide loomist. Lisaks Harvardi ülikooli (USA) professor Mihhail Lukinile, kes teatas eelmisel konverentsil esmakordselt rekordilise 51-vbitise arvuti loomisest, võtsid sellest osa professorid Christopher Monroe ja Harmut Neven.
Täna Marylandi ülikoolis (USA) töötav Monroe lõi võimsusega sarnase masina peaaegu samaaegselt oma Vene-Ameerika kolleegiga, kasutades sarnaseid, kuid pisut teistsuguseid põhimõtteid.
Ta rääkis, millises suunas see süsteem areneb, kuidas see erineb "konkurentidest" ja kus piir asub reaalsete kvantarvutite vahel, mis vastavad sellele terminile täielikult, ja arvutisüsteemide vahel, mis on üles ehitatud klassikaliste põhimõtete alusel.
Kvantne üleolek
Kvantarvutid on spetsiaalsed arvutusseadmed, mille võimsus kasvab plahvatuslikult tänu kvantmehaanika seaduste kasutamisele oma töös. Kõik sellised seadmed koosnevad vuttidest - mäluelementidest ja samal ajal primitiivsetest arvutimoodulitest, mis suudavad salvestada väärtuste vahemikku nullist üheni.
Reklaamvideo:
Tänapäeval on selliste seadmete väljatöötamisel kaks peamist lähenemisviisi - klassikaline ja adiabaatiline. Neist esimese pooldajad üritavad luua universaalset kvantarvutit, milles kvbitid vastaksid reeglitele, mille järgi tavalised digitaalsed seadmed töötavad. Sellise arvutusseadmega töötamine ei erineks ideaaljuhul sellest, kuidas insenerid ja programmeerijad tavapäraseid arvuteid töötavad.
Adiabaatilist arvutit on lihtsam luua, kuid oma tööpõhimõtetes on see lähemal 20. sajandi alguse masinate, slaidireeglite ja analoogarvutite, mitte meie aja digitaalsete seadmete lisamisele. Samuti on hübriidseid lähenemisviise, mis ühendavad mõlema masina omadused. Nende hulgas võib Monroe sõnul omistada Mihhail Lukini arvutile.
Monroe sõnul on see tingitud asjaolust, et tema masina mäluelemendid on ehitatud haruldaste muldmetallide ytterbiumi ioonide baasil, mille olek laserkiirtega manipuleerimisel ei muutu. Lukini kvantarvuti on omakorda üles ehitatud nn Rydbergi aatomite baasil, mis pole selliste mõjutuste eest kaitstud.
Need on rubiidium-87 või muude leelismetallide aatomid, mille vaba elektron "lükati" tuumast tohutu kaugusele spetsiaalsete laser- või raadiolaineimpulsside abil. Selle tõttu suureneb aatomi suurus umbes miljon korda, mis muudab selle qubitiks, kuid nagu Monroe selgitas, ei luba see seda struktuuri deformeerimata ja kvantseisundeid hävitamata liigutada.
Selliste probleemide puudumine ioonides võimaldas ameerika füüsiku sõnul tema meeskonnal luua mitte hübriidi, vaid täielikult kontrollitud kvantarvuti, mille vutitoonid saavad teadlased arvutamise käigus otseselt manipuleerida.
Näiteks kolm aastat tagasi, kaua enne suuremate masinate loomist, teatasid Monroe ja tema meeskond, et neil on õnnestunud luua esimene ümberprogrammeeritav kvantarvuti, mis koosnes viiest mäluelemendist. See tagasihoidlik masin võimaldas tänu suurele paindlikkusele füüsikutele selle peal mitu kvantprogrammi käivitada.
Eelkõige õnnestus neil selles miniarvutis käivitada Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani algoritmid, samuti luua kvantversioon Fourieri teisendustest, krüptograafia nurgakivist ja selle purustamisest.
Monroe märgib, et need õnnestumised ja raskused suure hulga ioonide püünistes hoidmisel panid teda mõtlema, et kvantarvutussüsteemid tuleks ehitada pigem modulaarseteks kui monoliitseteks. Teisisõnu, "tõsised" kvantarvutid ei esinda mitte ühte tervikut, vaid omamoodi võrku, mis koosneb paljudest sarnastest ja üsna lihtsatest moodulitest.
Ebatäiuslik vaakum
Nagu ameerika professor märkis, on sellised süsteemid juba olemas, kuid neid ei kasutata veel kvantarvutite prototüüpideks ühel lihtsal põhjusel - need töötavad umbes sada korda aeglasemalt kui vutid ise. Sellegipoolest usub ta, et see probleem on täielikult lahendatav, kuna sellel on pigem tehniline kui teaduslik iseloom.
Teine potentsiaalne probleem, mis segab monoliitsete või lihtsalt suurte kvantarvutite tööd, on see, et vaakum, nagu Monroe ütles, pole täiuslik. See sisaldab alati väikest arvu molekule, millest igaüks võib põrkuda aatomikvoodiga ja segada nende tööd.
Ainus viis sellest üle saada on kvantarvuti edasine jahutamine, võimalikult lähedale absoluutsele nullile. Monroe meeskond sellega veel ei tegele, kuna nende masinas on vuttide arv väike, kuid tulevikus tuleb see probleem kindlasti lahendada.
Ameerika professori soovitatud modulaarne lähenemisviis on veel üks viis selle probleemi lahendamiseks, kuna see võimaldab jagada arvuti paljudeks iseseisvateks osadeks, mis sisaldavad suhteliselt väikest arvu vutte. Teoreetiliselt ei tööta see nii kiiresti kui monoliitne masin, kuid see hoiab kõrvale "ebatäiusliku vaakumi" probleemist, kuna mooduleid on kergem jahutada ja juhtida.
Millal see aeg saabub? Nagu Monroe soovitab, luuakse järgmise kolme kuni viie aasta jooksul masinad, mis hõlmavad mitusada vatti. Need on võimelised teostama mitukümmend tuhat toimingut ega vaja töötamiseks äärmist jahutust ega vigade parandamise süsteeme.
Sellised masinad suudavad lahendada paljusid keerulisi praktilisi probleeme, kuid need ei ole täieõiguslikud arvutid selle sõna klassikalises tähenduses. Selleks peate suurendama viktide arvu ja "õpetama" neid iseseisvalt oma töö vigu parandama. See võtab füüsiku sõnul aega veel viis aastat.
Võistluse viimane osa
Esimesed keerulised kvantarvutid ehitatakse Monroe sõnul ioonsete või aatomitehnoloogiate baasil, kuna kõik muud vuttivariatsioonide variandid, sealhulgas paljulubavad pooljuhtide mäluelemendid, pole veel jõudnud sarnasele arengutasemele.
„Siiani on need kõik ülikooli laboratoorsed katsed. Neid vutte ei saa kasutada täielike loogikaväravate loomiseks. Seetõttu olen nõus Mihhailiga, et meie kolleegid Austraaliast, Intelist ja teistest meeskondadest peavad enne täieõigusliku arvutisüsteemi loomist lahendama paljud praktilised probleemid, “märgib füüsik.
Kuidas sel kvantvõistlusel võitjat kindlaks teha? Kaks aastat tagasi üritasid Monroe ja tema kolleegid sellele küsimusele vastata, korraldades kvantarvutite esimese võrdleva katsetamise. Nad valisid oma masina esimese versiooni konkurendiks IBM-i kvantarvuti, mis põhineb ülijuhtivatel vuttidel.
Nende võrdlemiseks koostasid Marylandi ülikooli füüsikud ja programmeerijad esimese komplekti "kvantnäitajaid" - lihtsaid algoritme, mis mõõdavad nende arvutite täpsust ja kiirust. Test ei selgitanud otsest võitjat - Monroe ja tema meeskonna arvuti võitis täpselt, kuid kaotas kiiruse IBM-i masinale.
Samal ajal usub Monroe, et nn kvantülemus - kvantarvuti loomine, mille käitumist ei saa teiste meetoditega arvutada - ei saa olema mingi tõsine teaduslik või praktiline saavutus.
„Probleem peitub kontseptsioonis endas. Ühelt poolt aitasid meie katsed viie tosina vuttiga, nagu Mihhaili eksperimendid, välja arvutada neid asju, mida muidu ei saa arvutada. Teisest küljest ei saa seda nimetada paremuseks, kuna me ei suuda tõestada, et seda ei saa muul viisil arvutada. Kvantiline üleolek ilmneb varem või hiljem, kuid isiklikult ei kavatse ma seda jälitama hakata,”rõhutas teadlane.
Veel üks probleem seisneb selles, et me ei saa veel kindlalt öelda, milliseid probleeme kvantarvutid saavad lahendada ja kus on nende rakendamine kõige õigustatum ja kasulikum. Selleks on vaja, et nii teaduskeskkond kui ka kogu ühiskond hakkaks tajuma selliseid masinaid taskukohase ja universaalse tööriistana.
Universumi kvantmüsteeriumid
Sel põhjusel ei usu ameerika professor, et adiabaatilisi arvutisüsteeme, näiteks D-Wave seadmeid, võiks nimetada kvantarvutiteks. Nende töö põhineb füüsiku sõnul täiesti klassikalistel füüsikalistel põhimõtetel, millel pole midagi pistmist tõelise kvantmehaanikaga.
“Vaatamata sellele on sellised analoogarvutid praktilisest küljest äärmiselt huvitavad. Võite lihtsalt võtta mõned magnetid, kinnitada need kolmnurkse võrgu külge ja jälgida nende käitumist. Nendel katsetel pole kvantfüüsikaga mingit pistmist, kuid need võimaldavad teha keerukaid optimeerimisarvutusi. Investorid tunnevad nende vastu huvi, mis tähendab, et seda ei tehta asjata,”jätkab professor.
Milliseid ülesandeid saab "päris" kvantarvuti lahendada? Nagu Monroe märkis, on viimastel aastatel tema meeskonnaga ühendust võtnud paljud teised füüsikute meeskonnad. Nad kavatsevad kasutada oma masinat paljude oluliste teaduslike probleemide lahendamiseks, mida tavapärases arvutis ei saa arvutada.
Siiani saab samu katseid, nagu füüsik tunnistas, teha ka tavalistes superarvutites. Teisest küljest suureneb lähiaastatel kvantmasinates märkimisväärselt vuttide arv, mis muudab nende töö loendamatuks.
See laiendab nende rakendatavust ja muudab sellised katsed üheks kõige huvitavamaks ja ainulaadsemaks viisiks Universumi suurimate ja salapärasemate objektide uurimiseks, samuti paljude igapäevaste ülesannete lahendamiseks, näiteks marsruutide leidmiseks või majanduse juhtimiseks, järeldab teadlane.
