Pärast aastakümneid kestnud rasket tööd, ilma et oleks õnnestunud palju loota, arenes kvantarvutuste ümber äkitselt kirglik tegevus. Peaaegu kaks aastat tagasi näitas IBM maailmale kvantarvutit, millel oli viis kvantbitti (qubitti), mida nad nüüd (mis kõlab pisut kummaliselt) nimetavad IBM Q Experienceks. Toona oli seade pigem teadlaste mänguasi kui tõsise andmetöötluse tööriist. Projektiga on registreerunud aga 70 tuhat kasutajat üle kogu maailma ja praeguseks on kviteeringute arv neljakordistunud. Mõni kuu tagasi teatasid IBM ja Intel 50 ja 49 vibratsiooniga kvantarvutite loomisest. Samuti on teada, et Google'i seintes ootab tiibu veel üks arvuti. "Kogukond on energiat täis ja hiljutised läbimurded on hämmastavad."- ütleb füüsik Jens Eisert Berliini vaba ülikoolist.
Praegu räägitakse eelseisvast "kvantülemusest": ajast, mil kvantarvuti suudab täita ülesande, mis ületab isegi kõige võimsamate klassikaliste superarvutite jõu. Kui me võrdleme ainult numbreid, siis võib selline väide tunduda naeruväärne: suvalises sülearvutis on 50 juppi versus miljardeid klassikalisi bitte. Kuid kogu kvantarvutuse mõte on see, et kvantbit on võimeline palju enamat kui klassikaline. Pikka aega usuti, et arvutuste tegemiseks piisab 50 kbitist, mida tavaline arvuti täidab määramata aja jooksul. 2017. aasta keskel teatasid Google'i teadlased, et kavatsevad detsembriks näidata kvantitatiivset paremust. (Hiljutisele uute andmete taotlusele vastas ettevõtte pressiesindaja: „Me teatame tulemused,niipea kui need on piisavalt põhjendatud, kuid praegu viiakse läbi olemasolevate arengute põhjalik analüüs. ")
Tahaksin järeldada, et kõik peamised probleemid on lahendatavad ja tulevik, kus kvantarvutid on üldlevinud nähtus, on vaid tehniliste seadmete küsimus. Kuid ta eksib. Kvantarvutuse keskmes olevad füüsilised probleemid on veel kaugel lahendamisest.
Isegi kui asume peagi kvant ülemvõimu ajastusse, võib järgmine või kaks aastat olla otsustav - kas kvantarvutid muudavad tõesti täielikult arvuti kasutamist? Panused on endiselt kõrged ja ei ole mingit garantiid, et eesmärk saavutatakse.
Ole vait ja arvuta
Nii kvantarvutuste eelised kui ka väljakutsed on füüsikale omased, mis seda võimaldavad. Põhitõed on juba mitu korda öeldud, ehkki alati pole selgitatud, mida kvantmehaanika nõuab. Klassikalised arvutid salvestavad teavet ja töötlevad seda kahendkoodina (0 või 1). Kvantarvutites on olukord peaaegu sama, ainult iga bit on niinimetatud superpositsioonis, see tähendab, et see võib olla korraga nii 0 kui ka 1. See tähendab, et kvabi olekut saab määrata ainult teatud tõenäosusega.
Arvutuse tegemiseks suure hulga vitstega peavad kõik need olema teineteisest sõltuvates superpositsioonides - "kvant-sidususe" olekus, kus kõiki vitskordi peetakse takerdunuks. Sel juhul võib väikseim muudatus ühes qubitis mõjutada kõiki teisi. See tähendab, et kvitatsioone kasutavatel arvutustoimingutel on suurem jõudlus kui klassikalistel bittidel. Klassikalises seadmes sõltuvad arvutusvõimed lihtsalt bittide arvust, kuid iga uue Qubit lisamine suurendab kvantarvuti võimalusi 2 korda. Seetõttu on erinevus 5-ja 64 -bitise seadme vahel nii suur.
Reklaamvideo:
Pange tähele, et ma ei öelnud, nagu sageli tehakse, et kvantarvuti eeliseks klassikalise ees on pealispositsioonide olemasolu, mis suurendavad oluliselt kodeeritud teabe võimalike olekute arvu. Nagu ma ei öelnud, võimaldab takerdumine paljusid arvutusi teha üheaegselt. (Tegelikult pole vuttide kõrge takerdumise aste eeltingimus.) Selles on küll tõde, kuid ükski väide ei kirjelda kvantarvutuse olemust.
Kvantmehaanika mõistmise keerukuse tõttu on hirmutav ülesanne selgitada, miks kvantarvutamine on nii võimas. Kvantteooria võrrandid näitavad kindlasti, et see töötab - vähemalt teatud tüüpi arvutamise korral: faktoorimine või andmebaasidest otsimine kiirendab protsessi tohutult. Aga kui palju täpselt?
Võib-olla on kõige kindlam viis kvantarvutuse kirjeldamiseks öelda, et kvantmehaanika loob mingil moel arvutamiseks "võimalused", mis pole klassikalistele seadmetele kättesaadavad. Nagu märkis füüsik Daniel Gottesman Waterloo Teoreetilise Füüsika Perimeetri Instituudist (Perimeetri instituut): "Kui kvantmehaanikat on piisavalt, siis protsess teatud mõttes kiireneb, ja kui ei, siis ei ole."
Kuigi mõned punktid on endiselt selged. Kvantarvutamine eeldab, et kõik vutid oleksid sidusad, mida on äärmiselt keeruline rakendada. Sidusate vuttide süsteemi interaktsioon keskkonnaga loob kanalid, mille kaudu sidusus kiiresti "lekib". Seda protsessi nimetatakse dekoherentsiks. Kvantarvuti ehitamist plaanivad teadlased peavad vältima dehherentsi. Nüüd õnnestub neil teda peatada vaid sekundiks. Olukord muutub keerukamaks, kui vuttide arv ja vastavalt ka võime keskkonnaga suhelda suureneb. Sellepärast, kuigi kvantarvutite idee pakkus Richard Feynman esmakordselt välja juba 1982. aastal ja teooria töötati välja 1990ndate alguses, on reaalse arvutuse jaoks võimelised seadmed loodud alles nüüd.
Kvantvead
On ka teine peamine põhjus, miks kvantarvuti ehitamine on nii keeruline. Nagu iga teine protsess maailmas, teeb see müra. Juhuslikud kõikumised, mis tekivad näiteks kvbitite temperatuuri või fundamentaalsete kvantmehaaniliste protsesside iseärasuste tõttu, võivad muuta kvbi suunda või olekut, mis põhjustab ebatäpseid arvutusi. Selline oht on klassikaliste arvutitega töötamisel olemas, kuid seda on üsna lihtne lahendada. Peate lihtsalt looma igast bitist kaks või enam varukoopiat, nii et kogemata libistatud bitti ei arvestataks.
Kvantarvuti loomisega tegelevad teadlased on probleemi lahendamiseks välja töötanud mitu viisi, kuid kõik strateegiad viivad liiga paljude täiendavate arvutuskulude ilmnemiseni, kuna kogu arvutusvõimsus kulub vigade parandamiseks, mitte antud algoritmide täitmiseks. "Praegune veamäär piirab märkimisväärselt aega, mille jooksul arvutamine võib kesta," selgitab Marylandi ülikooli kvantteabe ja arvutusteaduste ühise keskuse kaasdirektor Andrew Childs. "Peame tulemusi märkimisväärselt parandama, kui tahame midagi huvitavat luua."
Suured teadusuuringud fundamentaalses kvantarvutuses keskenduvad veaparanduse tehnikatele. Osa probleemi keerukusest tuleneb veel ühest kvantsüsteemi peamistest omadustest: ülipositsioone saab säilitada ainult seni, kuni te ei mõõda kvabiti väärtust. Mõõtmine hävitab superpositsiooni ja annab teatud väärtuse: 1 või 0. Kuidas saate teada, kas qubitti töös oli viga, kui te ei tea, mis olekus see oli?
Üks nutikas skeem soovitab kasutada kaudset arvutamist, ühendades kvoodi teise abijupiga. Viimast ei arvestata arvutamisel, nii et selle mõõtmine ei mõjuta põhikvibti olekut. Kuid seda on üsna keeruline rakendada. See lahendus tähendab, et tõelise "loogilise kvadiidi" loomiseks, mis on vigade suhtes immuunne, on vaja palju füüsilisi vikte.
Kui palju? Harvardi ülikooli kvantteoreetik Alan Aspuru-Guzik usub, et ühe loogilise qubitti loomiseks kulub umbes kümme tuhat füüsilist vatti, mis pole praegu võimalik. Tema sõnul väheneb see arv mitme tuhandeni või isegi sadadeni, kui kõik hästi läheb. Aisert pole nii pessimistlik ja usub, et umbes kaheksasajast füüsilisest vutist piisab, kuid tunnistab, et isegi sellises olukorras on "arvutusvõimsuse lisakulud ikkagi suured". Peate leidma vigade käsitlemise viisi.
Vea parandamiseks on olemas alternatiiv. Nende esinemist saab vältida vigade leevendamisel või ära hoida. IBMi projekteerimisahelate teadlased arvutavad vea tõenäosuse matemaatiliselt ja võtavad tulemuse nullmürana.
Mõne uurija arvates jääb veaparanduse probleem lahendamata ja takistab kvantarvutitel ennustatud kõrguste saavutamist. “Kvantveaparanduskoodide loomine on palju keerulisem kui kvantvee paremuse demonstreerimine,” selgitab Iisraeli Heebrea ülikooli matemaatik Gil Kalai. Ta lisab ka, et "veaparanduseta seadmed on nende arvutustes väga primitiivsed ja paremuse üle ei saa lähtuda primitiivsusest". Teisisõnu, kvantarvutid ei ületa klassikalisi arvuteid, kui vigu ei kõrvaldata.
Teiste teadlaste arvates lahendatakse probleem lõpuks. Üks neist on IBMi kvantarvutustehnika keskuse kvantarvuti teadlane Jay Gambetta. Thomas J. Watson. "Meie hiljutised katsed on näidanud väikestes seadmetes veaparanduse põhielemente, mis omakorda sillutab teed suurematele seadmetele, mis saavad müra olemasolul kvantteavet usaldusväärselt säilitada pikema aja jooksul," ütleb ta. Kuid tõdeb ka Gambetta, et isegi praeguse olukorraga "on loogiliste vuttide abil universaalse, veakindla kvantarvuti loomiseni veel pikk tee minna". Tänu sellistele uuringutele on Childs optimistlik. "Olen kindel, et näeme veelgi edukamate vigade parandamise katseid, kuid,tõenäoliselt võtab veel kaua aega, enne kui hakkame kvantarvuteid reaalainete jaoks kasutama.”
Vigadega elamine
Lähitulevikus on kvantarvutite talitlushäired. Tekib küsimus: kuidas sellega elada? IBM-i teadlased väidavad, et lähitulevikus keskendub "ligikaudne kvantarvutus" -uuringute valdkond müraga kohanemise võimaluste leidmisele.
See nõuab selliste algoritmide loomist, mis annavad õige tulemuse, ignoreerides vigu. Protsessi saab võrrelda valimistulemuste loendamisega, mis ei arvesta rikutud hääletussedelid. "Isegi kui see teeb mõningaid vigu, peaks piisavalt suur ja kvaliteetne kvantarvutus olema tõhusam kui [klassikaline]," ütleb Gambetta.
Tundub, et tehnoloogia üks hiljutisemaid tõrketaluvuse rakendusi on teadlastele suurem kui kogu maailmale: materjalide modelleerimine aatomi tasandil. (Tegelikult oli see motivatsioon, mis viis Feynmani kvantarvutite ideeni.) Kvantmehaanika võrrandid kirjeldavad, kuidas arvutatakse stabiilsus või keemiline reaktsioonivõime (näiteks ravimimolekulides). Kuid neid võrrandeid ei saa lahendada ilma palju lihtsustusi kasutamata.
Childsi sõnul on elektronide ja aatomite kvantkäitumine "siiski suhteliselt lähedal kvantarvuti loomulikule käitumisele". See tähendab, et molekuli saab luua täpse arvutimudeli. “Paljud teadusringkondade liikmed, sealhulgas mina, usuvad, et kvantarvuti esimene edukas rakendamine on seotud kvantkeemia ja materjaliteadusega,” ütleb Aspuru-Guzik: ta oli üks esimesi, kes hakkas kvantarvutust selles suunas lükkama.
Kvantmodelleerimine on osutunud kasulikuks ka kõige väiksemates kvantarvutites, mis meile tänapäeval saadaval on. Teadlaste meeskond, kuhu kuulub Aspuru-Guzik, töötas välja algoritmi, mida nad nimetasid "Variatsioonimeetod probleemide lahendamiseks kvantmehaanikas" (edaspidi - VMR). See algoritm võimaldab teil leida molekuli kõige vähem energiat tarbivat olekut isegi mürarikastes vutites. Praegu saab see hakkama ainult väga väikeste, vähese elektroniga molekulidega. Klassikalised arvutid täidavad seda ülesannet hästi. Kuid kvantjõud kasvab pidevalt, nagu näitasid Gambetta ja tema kolleegid eelmise aasta septembris, kui nad kasutasid kuue-kbitist seadet selliste molekulide nagu liitiumhüdriid ja berülliumhüdriid elektroonilise struktuuri arvutamiseks. Teos oli "kvantteaduste jaoks oluline läbimurre"nagu keemiafüüsik Markus Reicher Zürichi Šveitsi Kõrgemast Tehnikakoolist ütles. "BMP kasutamine väikeste molekulide modelleerimiseks on suurepärane näide lühiajaliste heuristiliste algoritmide rakendamisest," ütleb Gambetta.
Kuid Aspuru-Guziku sõnul on vaja juba enne kvantarvutite klassikalisest ületamist loogikavigu, mis suudavad vigu parandada. "Ma ei saa oodata, kuni veaparanduslik kvantarvutamine reaalsuseks saab," kommenteeris ta.
"Kui meil oleks rohkem kui kakssada vuti, saaksime teha tõesti uuenduslikke asju," lisas Reicher. "Ja 5000 vutiga võib kvantarvuti teadusele suurt mõju avaldada."
Milline on teie maht?
Neid eesmärke on uskumatult raske saavutada. Kõigist raskustest hoolimata on kvantarvutid viis-bitist kuni 50-bitisele vaid aastaga - see asjaolu annab lootust. Ärge aga nendele numbritele liiga üles riputage, sest need räägivad ainult väikese osa loost. Nüüd pole tähtis, mitu vatti on teil olulisem, vaid see, kui hästi need töötavad ja kui tõhusad on teie välja töötatud algoritmid.
Igasugune kvantarvutamine lõppeb dekoherentsusega, mis segab kvite. Tavaliselt on vuttide grupi deherentsiaeg mitu mikrosekundit. Loogiliste toimingute arv, mida saab nii lühikese aja jooksul läbi viia, sõltub kvantvärava lülituskiirusest. Kui kiirus on liiga madal, pole vahet, mitu vatti on teie käsutuses. Antud arvutamiseks vajalike operatsioonide arvu nimetatakse arvutuse sügavuseks: madala sügavusega algoritmid on tõhusamad kui sügavad algoritmid. Kuid pole kindlalt teada, kas need on arvutustes kasulikud.
Pealegi pole kõik jupid võrdselt lärmakad. Teoreetiliselt on võimalik luua madala müratasemega vutte materjalidest, mis on niinimetatud "topoloogilises elektroonilises olekus": kui selles olekus osakesi kasutatakse binaarse teabe kodeerimiseks, on see juhusliku müra eest kaitstud. Püüdes leida osakesi topoloogilises olekus, uurivad Microsofti teadlased peamiselt eksootilisi kvantmaterjale. Siiski ei ole mingit garantiid, et nende uurimistöö oleks edukas.
Kvantarvutite võimsuse tähistamiseks konkreetses seadmes lõid IBM-i teadlased mõiste "kvantmaht". See on arv, mis ühendab kõiki olulisi tegureid: algoritmi sügavust, kvittide arvu ja ühenduvust, aga ka muid kvantväravate kvaliteedi näitajaid (näiteks müra). Üldiselt iseloomustab see "kvantmaht" kvantarvutuste võimsust. Gambetta sõnul on nüüd vaja välja töötada kvantarvutusseadmed, mis suurendavad saadaolevat kvantmahtu.
See on üks põhjusi, miks kiuslik kvantülemus on üsna ebamäärane idee. Idee, et 50-bitine kvantarvuti edestab tänapäevaseid superarvuteid, kõlab küll ahvatlevalt, kuid paljud lahendamata küsimused jäävad alles. Milliste probleemide korral edestab kvantarvuti täpselt superarvuteid? Kuidas saab kindlaks teha, kas kvantarvuti on saanud õige vastuse, kui seda ei saa klassikalise seadmega kontrollida? Mis siis, kui klassikaline arvuti on tõhusam kui kvantarvuti, kui leitakse parem algoritm?
Seega on kvant ülemvõim mõiste, mis nõuab ettevaatust. Mõned teadlased eelistavad rääkida "kvantieelisest", hüppest kvanttehnoloogiate arendamisel, mitte kvantarvutite lõplikust võidust tavaliste ees. Pealegi püüab enamus mitte kasutada sõna "üleolek", kuna see sisaldab negatiivseid poliitilisi ja rassistlikke varjundit.
Sõltumata nimest, kui teadlased suudavad näidata, et kvantarvutid suudavad täita ülesandeid, mida klassikalised seadmed ei suuda, siis on see selle valdkonna jaoks äärmiselt oluline psühholoogiline hetk. “Vaieldamatu kvantieelise demonstreerimine läheb ajalukku. See tõestab, et kvantarvutid saavad meie tehnoloogilisi võimalusi tõesti laiendada,”ütleb Aizert.
Võib-olla on see pigem sümboolne sündmus, mitte radikaalne muudatus arvutustehnika valdkonnas. Sellele vaatamata tasub tähelepanu pöörata. Kui kvantarvutid edestavad tavapäraseid arvuteid, ei juhtu see seetõttu, et IBM ja Google viivad nad äkki turule. Kvantkvaliteedi saavutamiseks peate looma arendajate ja kasutajate vahelise keeruka interaktsioonisüsteemi. Ja viimane peab olema kindlalt veendunud, et uudsus on proovimist väärt. Selle koostöö nimel üritavad IBM ja Google kasutajatele võimalikult kiiresti oma arenguid pakkuda. Kui varem pakkus IBM kõikidele registreerumistele saidil juurdepääsu oma 16-baidisele IBM Q arvutile, siis nüüd on ettevõte välja töötanud 20-bbitise versiooni äriklientidele, sealhulgas JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung ja Oxfordi ülikool. Selline koostöö mitte ainult ei aita kliente leidma midagi kasulikku ja huvitavat, vaid loob ka kvantkirjaoskusega programmeerijate kogukonna, kes töötab välja uusi funktsioone ja lahendab probleeme, mida ühe ettevõtte raames pole võimalik lahendada.
"Kvantarvutuste valdkonna aktiivseks arenguks peate andma inimestele võimaluse kvantarvuteid kasutada ja õppida, - ütleb Gambetta. "Kogu teadus- ja tööstusmaailm peab nüüd keskenduma ühele ülesandele - kvantarvutite ajastu ettevalmistamiseks."
Projekti tõlge Uus
Philip Ball
