Kvantfüüsika reguleerib kõike, mis meid ümbritseb. Kas on võimalik muuta kogu universum kvantarvutiks, kas välismaalased märkavad seda ja miks selliseid masinaid üldse vaja on - neile küsimustele vastab Skoltechi professor Jacob Biamonte, kes on üks selle ala juhtivaid eksperte, ja räägib, kuidas ta Venemaaga lõppes.
Helge tulevik
“Tulin esimest korda Venemaale rohkem kui kümme aastat tagasi ja üldse mitte füüsikat tegema. Mulle meeldivad võitluskunstid, sealhulgas sambo, ja tulin siia õppima ja kogemusi vahetama. Hiljem sain teada, et kõrgtasemelise teaduse tegemiseks on siin olemas kõik tingimused, meelitamaks koostööle teadlasi kogu maailmast, “räägib teadlane.
Täna juhib ta Skoltechi raames kaks aastat tagasi loodud sügavaid kvantlaboreid, et ühendada Venemaa ja välismaiste füüsikute, matemaatikute, programmeerijate ja inseneride pingutused, mis uurivad kvantarvutussüsteemide arendamisega seotud probleeme.
„Me ei käsitle praktikat, vaid kõiki kvantarvutuste teoreetilisi ja“tarkvaralisi”aspekte ning suhtleme eksperimenteerijatega, sealhulgas Skoltechi teadlaste ning Moskva Riikliku Ülikooli, RCC ja ITMO spetsialistidega. Oleme avatud koostööle ja oleme valmis aitama kõiki eksperimente, kes selliseid küsimusi uurivad, “jätkab professor.
Mis on kvantarvuti? Oma olemuselt erineb see radikaalselt klassikalistest arvutusseadmetest, mis võimaldavad lihtsaid või keerukaid matemaatilisi toiminguid numbrite või andmekogudena, mis on väljendatud nullidena ja nendena.
Klassikaliste arvutite kvantõdedes, mille põhimõtted sõnastas rohkem kui 30 aastat tagasi Nõukogude füüsik Juri Manin, on teave kodeeritud põhimõtteliselt erineval viisil. Elementaarsed mälurakud, nn kbitid, ei tohi sisaldada mitte nulli ega ühte, vaid tervet väärtuste spektrit nendevahelises vahemikus.
Reklaamvideo:
Selle tulemusel kasvab selliste arvutite võimsus hüppeliselt: mitmekümne vibratsiooniga kvantprotsessori käitumist ei saa arvutada isegi kõige võimsamate klassikaliste superarvutite abil.
Pikka aega jäid sellised masinad füüsikute ulme ja teoreetilise uurimistöö objektiks, kuid viimase 15 aasta jooksul on teadlased teinud läbimurde vuttide loomisel ja nende ühendamisel keerukamateks süsteemideks. Mihhail Lukini grupi poolt Google'is, IBMis ja Harvardi ülikoolis välja töötatud kvantarvutite kõige arenenumad versioonid sisaldavad 20–50 juppi.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, Skolkovo teaduse ja tehnoloogia instituudi füüsikaprofessor.
Hoolimata nendest edusammudest eeldavad nende masinate arendajad, et täieõiguslikke arvutisüsteeme, mis suudavad lahendada mis tahes probleemi, ei ilmu varsti, 10-20 aasta pärast. Huvitav on see, et see hinnang pole 1990ndate lõpust alates muutunud, kuid pidevalt kerkib esile uusi probleeme, lükates iga kord kõrvale kunagi saabuva “helge kvanttuleviku”.
Nagu Biamonte oma populaarteaduslikes loengutes märkis, võtab ta erilise positsiooni: tema arvates ilmuvad "kasulikud" kvantarvutussüsteemid palju varem, kuid need pole üldse sellised, mida laiem avalikkus ja meedia neid ette kujutavad.
„Täna on füüsikas üks suur probleem, mis on samal ajal ka selle peamine eelis. Katsetajad juhivad kõike. Miskipärast arvavad nad, et eksperimendid on teadusele olulisemad kui teooria. Tänu sellesse valdkonda investeeritud rahale on teoreetiline füüsika praktiliselt hävitatud,”ütleb Biamonte.
Professor ise nimetab ennast klassikalise teoreetilise füüsika esindajaks, kelle ideed domineerisid teaduses sajand tagasi, kvantmehaanika ja tänapäevase Einsteini füüsika sünni esimestel etappidel. Viimastel aastakümnetel pidid temasugused inimesed kolima matemaatikaosakonda, kus neil on palju mugavam.
„Eksperimenteerijad, sealhulgas kvantarvutite loojad, hoolivad ainult oma kujundusest. Mõne erandiga ei huvita neid, mida on teada selliste seadmete võime kohta üldiselt. See mõjutab nende mentaliteeti ja paneb nad andma mitte ratsionaalseid, vaid emotsionaalseid hinnanguid,”selgitab uurija.
Näiteks ei ole ikka veel ühtegi kindlat tõendit selle kohta, et kvantarvutid suudaksid arvutuskiiruses edestada oma klassikalisi vasteid. Samal ajal täpsustab Biamonte, kui üldistada kõiki lihtsustatud mudeleid, mis demonstreerivad selle paremuse mõningaid aspekte, saame üsna veenvaid tõendeid kvantkalkulaatorite paremuse kohta.
“Ühest küljest on Aleksei Ustinovil, Aleksandr Zagoskinil ja teistel selle valdkonna juhtidel õigus: kvantarvutit tõesti niipea ei tule. Teisest küljest räägime sel juhul universaalsetest masinatest, mis on võimelised oma vigu parandama,”märgib füüsik.
Sellise võime puudumine arvutis, rõhutab Biamonte, ei muuda seda absoluutselt kasutuks ega alaväärseks.
Aatomi lisamise masin
“Looduses on lugematu arv näiteid erinevatest kvantsüsteemidest, millel seda võimalust pole. Nende käitumist on tavaliste arvutite abil väga raske arvutada. Seetõttu võimaldab selliseid protsesse simuleeriva kvantsüsteemi loomine meil teha vastavad arvutused ja saada midagi kasulikku, “ütleb teadlane.
See idee pole kaugel uuest - Ameerika kuulus füüsik Richard Feynman avaldas seda vaid kaks aastat pärast Manini esimeste artiklite avaldamist. Nagu Biamonte märkis, on eksperimenteerijad selliseid süsteeme viimastel aastatel aktiivselt arendanud ja teoreetikud mõtlevad välja, kus neid rakendada.
Sellised analoogarvutusseadmed, nn adiabaatilised arvutid ehk füüsikute kõnepruugis "lõõmutavad" ei pea kvantefekte kasutama - paljude probleemide jaoks on aatomitevaheline klassikaline interaktsioon piisav.
“Seda tüüpi arvuteid on kolme tüüpi - klassikalised lõõmutusmasinad, nende kvantkiirendusega kolleegid ja kvantloogikaväravatel põhinevad täisväärtuslikud kvantprotsessorid. Viimased loodi IBMi laborites, esimene - Fujitsus, teine - D-Wave'is,”räägib teadlane.
Biamonte ja tema Skoltechi kolleegid tunnevad kõige rohkem huvi kolmanda klassi masinate vastu. Selliseid seadmeid on tema sõnul üsna keeruline luua, kuid neid saab kasutada kõige keerukamate optimeerimisprobleemide lahendamiseks: masinõppimisest uute ravimite väljatöötamiseni.
“Need masinad on väga huvitavad, kuid esimesed tõelised seda tüüpi seadmed ilmuvad alles mõne aasta pärast. Teisest küljest on praegu võimalik luua klassikalisi ja kvantanniilereid. Ja nüüd jäävad need praktikas kvantarvutitest kõige kasulikumaks,”lisab Biamonte.
Teadlase sõnul on paljud osakestefüüsika protsessid looduse poolt programmeeritud nii, et nad optimeeriksid end ise, püüdes jõuda energia miinimumini. Seega, kui me õpime neid protsesse kontrollima, võime teha aatomite komplekti või mõni muu objekt teeb need arvutused meie eest.
“Miks raisata sellisele optimeerimisele tohutult palju protsessori aega, kui seda saab teha klassikalise lõõmutusseadme või D-Wave'iga sarnase kvantseadme abil? Piltlikult öeldes - miks kasutada tuule uurimisel virtuaalset tuuletunnelit, kui meil see juba olemas on? Paljud Vene ettevõtted mõtlevad sellele ja me teeme nendega aktiivset koostööd, “rõhutab teadlane.
Nende katsete edukas lõpuleviimine sillutab teed kvant lõõmutavate ainete loomisele, milles aatomite ja teiste osakeste vahelise interaktsiooni kiirendamiseks kasutatakse kvantfüüsika põhimõtteid. Muidugi, mõned teaduslikud ülesanded pole neile kättesaadavad, kuid nad suudavad lahendada paljusid igapäevaseid probleeme, näiteks liikluse optimeerimine või aktsiaportfelli haldamine.
Enamik vaatlejaid, märgib Skoltechi professor, usub, et kvantvõistlusel võidab Google. Biamonte sellega ei nõustu: California ettevõtte esindajatele meeldib väga rääkida oma õnnestumistest, kuid nad ei avalda peaaegu kunagi teaduslikke artikleid ega paljasta oma kvantmasinate seadme saladusi.
Tema arvates on eesmärgile kõige lähemal IBM-i insenerid - selle ettevõtte arvutid tõesti töötavad ja spetsiaalsete pilvesüsteemide kaudu saab neid igal ajal kontrollida. Kuid skaala on endiselt üsna piiratud ja neid masinaid ei saa veel keerukate probleemide lahendamiseks kasutada.
Mõtlevad galaktikad
Kui sellised "tõsised" süsteemid luuakse lähitulevikus, tekib loomulik küsimus: millest nad võiksid olla valmistatud, millisesse suurusesse need jõuavad ja kuidas need mõjutavad meie elu?
Biamonte enda sõnul pole miljonite vibratsioonidega kvantarvutitel (või lõõmutusseadmetel) põhimõttelisi füüsilisi piiranguid. Teisest küljest on täiesti arusaamatu, kui palju vibratsioone seal tegelikult on, sest praegu oleme kvanttehnoloogiate väljatöötamise väga varajases staadiumis.
„Siiani proovime kohandada elektroonikatööstuses juba olemasolevaid tehnoloogiaid kvantarvutitega töötamiseks. Kuid keegi pole kindel, et see on õige tee. On olemas süsteeme, mis sobivad kvantmasinate ehitamiseks palju paremini. Neid on aga palju raskem hallata,”selgitab teadlane.
Näiteks on teemantide erilised defektid välismaailmast peaaegu sama hästi isoleeritud kui üksikud aatomid ruumi vaakumis. Kui palju selliseid punkte ühe teemandi sisse mahub ja kui lähedased nad üksteisele naabrite tööd segamata võivad olla, on endiselt ebaselge. Nendele küsimustele vastamine määrab, kas kvantarvutites kasutatakse teemante.
Nagu Skoltechi professor märkis, tõeliselt suured kvantmasinad ei lahenda mitte ainult igapäevase inimeluga seotud praktilisi probleeme, vaid ka kõige huvitavamaid teaduslikke mõistatusi.
Võib-olla paljastavad nad gravitatsiooni kvant-olemuse ja testivad Biamonte ajasümmeetria teooriaid, jälgides, kas neid masinaid arvutades on need eriti häiritud, kui nad üritavad seda sümmeetriat lõhkuda, või pöördub aeg ümber.
Kui inimkond on nende ülesannetega hakkama saanud, mida teeb teadus järgmisena? Biamonte leiab, et see küsimus on paradoksaalselt seotud maavälise elu otsingutega ja sellega, kuidas võõraste tsivilisatsioonide esindajad saavad oma olemasolust märku anda.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte ja tema kolleegid Deep kvantlaborites.
„Kujutage ette, et me alistame kogu universumi energia ja jõu. Mida me kõigepealt teeme? Muidugi võime ennast hävitada, kuid on ka huvitavam stsenaarium. Näiteks on meil võimalus kiirendada Maa liikumist ülikõrgetel kiirustel ja jätta arvuti orbiidile,”ütleb füüsik.
Relatiivsusteooria kohaselt aeglus planeedil aeg. Kui veedame selles olekus kümneid aastaid, töötab kvantarvutusmasin või tavaline arvuti välismaailmas mitu aastatuhandet. Pealegi pole see tingimata inimese loodud arvuti, selle rolli võivad mängida erinevad kosmoseobjektid - näiteks hiiglaslikud gaasipilved.
„Kui tihti saate seda teha? Sellisel "arvutuste kiirendamisel" pole selget piiri, kuid me kõik teame, et hiline Universum ei saa olema meie jaoks eriti huvitav koht. Tähed hakkavad järk-järgult tuhmuma ja galaktikad muutuvad universumi laienemise tõttu üksteisele nähtamatuks,”märgib professor.
Sarnased mõtisklused tõstatavad loomuliku küsimuse: kui inimkond saab seda teha, mis takistab välismaalastel sama teha? Sellest lähtuvalt peavad ruumis esinema mõned jäljed sellisest "kosmose" kvantarvutusest või nende klassikalistest vastest. Mis viitaks sellele, tulnukate hiiglaslikele kvantarvutitele?
„Ma ei oska täpset vastust küsimusele, mis see võiks olla, ega soovitada, kuidas neid otsida. Samal ajal näib selliste “universaalsete kalkulaatorite” olemasolu mulle palju tõenäolisem kui “intelligentsete planeetide” ja teiste iseennast teadvustada suutvate kosmiliste objektide spontaanne ilmumine, mida sageli arutavad “kvant” filosoofid,”lõpetab Biamonte.
