Какво е квантов компютър и от какво се състои? Не всички компютри имат право на такова име. Защо това е така и защо са необходими такива инсталации, обяснява Кристофър Монро, професор от Университета в Мериленд и един от водещите участници в глобалната „квантова надпревара“.
Руският квантов център редовно провежда големи международни конференции в Москва за развитието на квантовите технологии и тяхното приложение на практика. В работата му участват не само водещи изследователи, но и представители на голям руски и чуждестранен бизнес и държавни служители.
Тази година в конференцията участваха ръководителите на три научни екипа, водещи в създаването на сложни квантови изчислителни системи. В допълнение към Михаил Лукин, професор от Харвардския университет (САЩ), който първи обяви създаването на рекорден 51-кубитен компютър на предишната конференция, в него взеха участие професорите Кристофър Монро и Хармут Невен.
Монро, който днес работи в Университета в Мериленд (САЩ), създаде машина със сходна сила почти едновременно с руско-американския си колега, използвайки подобни, но малко по-различни принципи.
Той говори за посоката, в която се развива тази система, как се различава от „конкурентите“и къде границата е между реални квантови компютри, които напълно съответстват на този термин, и изчислителни системи, които са изградени на базата на класическите принципи.
Квантово превъзходство
Квантовите компютри са специални изчислителни устройства, чиято мощност нараства експоненциално поради използването на законите на квантовата механика в тяхната работа. Всички такива устройства се състоят от кубити - клетки от паметта и в същото време примитивни изчислителни модули, способни да съхраняват диапазон от стойности между нула и едно.
Промоционално видео:
Днес има два основни подхода към развитието на такива устройства - класически и адиабатен. Привържениците на първия от тях се опитват да създадат универсален квантов компютър, в който кубитите да се подчиняват на правилата, по които работят обикновените цифрови устройства. Работата с такова изчислително устройство в идеалния случай не би се различавала много от това как инженерите и програмистите работят с конвенционални компютри.
Един адиабатен компютър е по-лесен за създаване, но той е по-близък в своите принципи на работа с добавяне на машини, правило за слайдове и аналогови компютри от началото на 20 век, а не към цифрови устройства на нашето време. Съществуват и хибридни подходи, които комбинират характеристиките на двете машини. Сред тях, според Монро, може да се причисли към компютъра на Михаил Лукин.
Според Монро, това се дължи на факта, че клетките на паметта в неговата машина са изградени на базата на йони на редкоземния метален итербиум, чието състояние не се променя при манипулиране с лазерни лъчи. Квантовият компютър на Лукин от своя страна е построен на базата на така наречените атоми на Райдберг, които не са защитени от подобни влияния.
Те са атоми на рубидий-87 или други алкални метали, чийто свободен електрон е „избутан“на голямо разстояние от ядрото, използвайки специални лазерни или радиовълнови импулси. Поради това размерът на атома се увеличава с около милион пъти, което го превръща в кубит, но, както обясни Монро, не позволява той да бъде преместен, без да деформира тази структура и да унищожи квантовите състояния.
Отсъствието на подобни проблеми в йони, според американския физик, позволи на екипа му да създаде не хибриден, а напълно контролиран квантов компютър, чиито кубити учените могат да манипулират директно в процеса на изчисляване.
Например, преди три години, много преди създаването на по-големи машини, Монро и неговият екип обявиха, че са успели да създадат първия препрограмируем квантов компютър, който се състои от пет клетки памет. Тази скромна машина, благодарение на високата си гъвкавост, позволи на физиците да изпълняват няколко квантови програми върху нея наведнъж.
По-специално, те успяха да стартират алгоритмите на Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani на този мини-компютър, както и да създадат квантова версия на преобразуванията на Фурие, крайъгълен камък на криптографията и нейното разбиване.
Тези успехи, както и трудностите при задържането на голям брой йони в капаните, отбелязва Монро, го подтикват да мисли, че квантовите изчислителни системи трябва да бъдат изградени модулни, а не монолитни. С други думи, "сериозните" квантови компютри няма да представляват едно цяло, а вид мрежа, състояща се от много подобни и доста прости модули.
Несъвършен вакуум
Такива системи, както отбеляза американският професор, вече съществуват, но все още не се използват в прототипите на квантовите компютри по една проста причина - те работят около сто пъти по-бавно от самите кубити. Въпреки това той смята, че този проблем е напълно разрешим, тъй като има инженерно, а не научно естество.
Друг потенциален проблем, който ще попречи на работата на монолитни или просто големи квантови компютри е, че вакуумът, както го каза Монро, не е съвършен. Винаги съдържа малък брой молекули, всяка от които може да се сблъска с атомни кубити и да попречи на тяхната работа.
Единственият начин да се преодолее това е допълнително охлаждане на квантовия компютър, възможно най-близо до абсолютна нула. Екипът на Монро все още не се занимава с това, тъй като броят на кубитите в тяхната машина е малък, но в бъдеще този проблем определено ще трябва да бъде решен.
Модулният подход, предложен от американския професор, ще бъде друг начин за решаване на този проблем, тъй като ще позволи разбиването на компютъра на много независими части, съдържащи сравнително малък брой кубити. На теория той няма да работи толкова бързо, колкото монолитна машина, но ще заобиколи проблема с "несъвършения вакуум", тъй като модулите ще бъдат по-лесни за охлаждане и контрол.
Кога ще дойде това време? Както предполага Монро, през следващите три до пет години ще бъдат създадени машини, които включват няколкостотин кубита. Те ще могат да извършват няколко десетки хиляди операции и няма да изискват екстремни системи за охлаждане или коригиране на грешки, за да работят.
Такива машини ще могат да решат много сложни практически проблеми, но те няма да бъдат пълноценни компютри в класическия смисъл на думата. За целта ще трябва да увеличите броя на кубитите и да ги „научите“да поправят самостоятелно грешки в работата си. Според физика това ще отнеме още пет години.
Финален участък от състезанието
Първите сложни квантови компютри, според Монро, ще бъдат изградени на базата на йонни или атомни технологии, тъй като всички други версии на кубитите, включително обещаващи клетки с полупроводникова памет, все още не са достигнали подобно ниво на развитие.
„Засега това са все университетски лабораторни експерименти. Тези кубити не могат да се използват за създаване на пълни логически порти. Затова съм съгласен с Михаил, че нашите колеги от Австралия, Intel и други екипи ще трябва да решат много практически проблеми, преди да могат да създадат пълноценна изчислителна система “, отбелязва физикът.
Как да определим победителя в тази „квантова надпревара“? Преди две години Монро и неговите колеги се опитаха да отговорят на този въпрос, като организираха първото сравнително тестване на квантовите компютри. Те избраха IBM квантов компютър, базиран на свръхпроводящи кубити, като конкурент за първата версия на своята машина.
За да ги сравнят, физиците и програмистите от университета в Мериленд подготвиха първия набор от „квантови показатели“- прости алгоритми, които измерват както точността, така и скоростта на тези компютри. Тестът не разкри директен победител - компютърът на Монро и неговия екип спечели точно, но загуби в бързината на машината на IBM.
В същото време Монро вярва, че така нареченото квантово превъзходство - създаването на квантов компютър, чието поведение не може да бъде изчислено с други методи - няма да бъде сериозно научно или практическо постижение.
„Проблемът се крие в самата концепция. От една страна, нашите експерименти с пет дузини кубита, като експериментите на Михаил, помогнаха да се изчислят онези неща, които иначе не могат да бъдат изчислени. От друга страна, това не може да се нарече превъзходство, тъй като не можем да докажем, че наистина не може да бъде изчислено по други начини. Квантовото превъзходство ще се появи рано или късно, но лично аз няма да гоня след това “, подчерта ученият.
Друга трудност се състои във факта, че все още не можем да кажем със сигурност кои проблеми могат да решат квантовите компютри и къде тяхното приложение ще бъде най-оправдано и полезно. За това е необходимо както научната среда, така и цялото общество да започнат да възприемат такива машини като достъпно и универсално средство.
Квантови мистерии на Вселената
Поради тази причина американският професор не вярва, че адиабатните изчислителни системи като устройствата D-Wave могат да бъдат наречени квантови компютри. Работата им, според физика, се основава на напълно класически физически принципи, които нямат нищо общо с реалната квантова механика.
„Въпреки това аналоговите компютри като тези са изключително интересни от практическа гледна точка. Можете просто да вземете няколко магнита, да ги прикрепите към триъгълна мрежа и да проследите поведението им. Тези експерименти няма да имат нищо общо с квантовата физика, но ще позволят някои сложни изчисления за оптимизация. Инвеститорите се интересуват от тях, което означава, че това не се прави напразно “, продължава професорът.
Какви задачи може да реши един „истински“квантов компютър? Както отбеляза Монро, през последните години много други екипи физици се свързват с неговия екип. Те планират да използват своята машина за решаване на много важни научни проблеми, които не могат да бъдат изчислени на конвенционален компютър.
Засега същите експерименти, както призна физикът, могат да се извършват и на обикновени суперкомпютри. От друга страна, през следващите години броят на кубитите в квантовите машини ще нарасне значително, което ще направи работата им безчетлива.
Това ще разшири тяхната приложимост и ще направи такива експерименти един от най-интересните и уникални начини за изучаване на най-големите и най-загадъчни обекти във Вселената, както и за решаване на много ежедневни задачи, като намиране на маршрути или управление на икономиката, заключава изследователят.
