Квантовата физика управлява всичко, което ни заобикаля. Възможно ли е да превърнем цялата Вселена в квантов компютър, извънземните ли ще я забележат и защо изобщо са нужни такива машини - Джейкъб Биамонте, професор на Skoltech, един от водещите експерти в тази област, отговаря на тези въпроси и разказва как се озова в Русия.
Светло бъдеще
„За първи път дойдох в Русия преди повече от десет години и въобще не се занимавах с физика. Аз съм любител на бойните изкуства, включително самбо, и дойдох тук да уча и да обменя опит. По-късно научих, че тук има всички условия за правене на напреднала наука, привличане на учени от цял свят към сътрудничество “, казва ученият.
Днес той ръководи квантовите лаборатории Deep, създадени преди две години в рамките на Skoltech, за да обедини усилията на руски и чуждестранни физици, математици, програмисти и инженери, изучаващи проблемите, свързани с развитието на квантовите изчислителни системи.
„Ние не се занимаваме с практика, а с всички теоретични и„ софтуерни “аспекти на квантовите изчисления и взаимодействаме с експериментатори, включително учени от Skoltech и специалисти от Московския държавен университет, RCC и ITMO. Ние сме отворени за сътрудничество и сме готови да помогнем на всички експериментатори, изучаващи подобни проблеми “, продължава професорът.
Какво е квантов компютър? По своята същност той коренно се различава от класическите изчислителни устройства, които позволяват прости или сложни математически операции върху числа или набори от данни, изразени като нули и единици.
В квантовите братовчеди на класическите компютри, принципите на които са формулирани преди повече от 30 години от съветския физик Юрий Манин, информацията е кодирана по коренно различен начин. Елементарните клетки от паметта, така наречените кубити, могат да съдържат не нула или единица, а цял спектър от стойности в интервала между тях.
Промоционално видео:
В резултат на това силата на такива компютри нараства експоненциално: поведението на квантов процесор с няколко десетки кубита не може да бъде изчислено дори с помощта на най-мощните класически суперкомпютри.
Дълго време подобни машини остават обект на научна фантастика и теоретични изследвания на физиците, но през последните 15 години учените са направили пробив в създаването на кубити и при комбинирането им в по-сложни системи. Най-модерните версии на квантовите компютри, разработени в Google, IBM и в университета в Харвард от групата на Михаил Лукин, съдържат 20 до 50 кубита.
Тимур Сабиров (Skoltech). Яков Биамонте, професор по физика в Института за наука и технологии в Сколково.
Въпреки този напредък, разработчиците на тези машини приемат, че пълноценните изчислителни системи, способни да разрешат всеки проблем, няма да се появят скоро, след 10-20 години. Интересното е, че тази оценка не се е променила от края на 90-те, но постоянно възникват някои нови проблеми, всеки път отблъскващи настрана „светлото квантово бъдеще“.
Както Биамонте отбеляза в своите научно-популярни лекции, той заема специално положение: според него „полезните“квантови изчислителни системи ще се появят много по-рано, но изобщо няма да бъдат такива, каквито ги представя широката общественост и медиите.
„Днес има един голям проблем във физиката, който в същото време е неговото основно предимство. Експериментаторите управляват всичко. По някаква причина те смятат, че експериментите са по-важни за науката от теорията. Благодарение на инвестираните средства в тази област теоретичната физика е практически унищожена “, казва Биамонте.
Самият професор се отнася като представител на класическата теоретична физика, чиито идеи доминират в науката преди век, на първите етапи от раждането на квантовата механика и съвременната физика на Айнщайн. През последните десетилетия хора като него трябваше да се преместят в математически катедри, където им е много по-удобно.
„Експериментаторите, включително създателите на квантови компютри, се грижат само за собствения си дизайн. С малки изключения те не се интересуват от това, което се знае за способността на подобни устройства като цяло. Това се отразява на манталитета им и ги кара да дават не рационални, а емоционални оценки”, обяснява изследователят.
Например, все още няма единични ясни доказателства, че квантовите компютри могат да превъзхождат класическите си колеги по изчислителна скорост. В същото време Биамонте уточнява, ако обобщим всички опростени модели, демонстриращи някои аспекти на това превъзходство, ще получим доста убедителни доказателства в полза на превъзходството на квантовите калкулатори.
„От една страна, Алексей Устинов, Александър Загоскин и други лидери в тази област са прави: квантовият компютър наистина не идва скоро. От друга страна, в случая говорим за универсални машини, способни да поправят собствените си грешки “, отбелязва физикът.
Липсата на такава способност в компютър, подчертава Биамонте, не го прави абсолютно безполезен или по-долен.
Атомно добавяне машина
„Има безброй примери за различни квантови системи в природата, които нямат тази способност. Поведението им е много трудно да се изчисли, като се използват обикновени компютри. Следователно създаването на квантова система, симулираща такива процеси, ще ни позволи да извършим съответните изчисления и да получим нещо полезно “, казва ученият.
Тази идея далеч не е нова - тя беше изразена от известния американски физик Ричард Фейнман само две години след публикуването на първите статии на Манин. Както Биамонте отбеляза, през последните няколко години експериментаторите активно разработват такива системи и теоретиците обмислят къде могат да бъдат приложени.
Такива аналогови изчислителни устройства, така наречените адиабатни компютри или "отгряване" в жаргона на физиците, не трябва да използват квантови ефекти - за много проблеми класическите взаимодействия между атомите са достатъчни.
„Има три типа компютри от този вид - класически машини за отгряване, техните квантово ускорени колеги и пълноценни квантови процесори, базирани на квантови логически порти. Последните са създадени в лаборатории на IBM, първата - във Fujitsu, втората - в D-Wave “, казва ученият.
Биамонте и неговите колеги по Skoltech се интересуват най-много от третокласните машини. Подобни устройства според него са доста трудни за създаване, но те могат да се използват за решаване на най-сложните проблеми с оптимизацията: от машинно обучение до разработване на нови лекарства.
„Тези машини са много интересни, но първите истински устройства от този тип ще се появят едва след няколко години. От друга страна, е възможно в момента да се създадат класически и квантови дилъри. И сега на практика те остават най-полезните от квантовите компютри “, добавя Биамонте.
Много процеси във физиката на частиците, продължава изследователят, са програмирани от природата по такъв начин, че да се оптимизират, като се стремят да достигнат енергиен минимум. Съответно, ако се научим да контролираме тези процеси, можем да накараме набор от атоми или някои други обекти да направят тези изчисления вместо нас.
„Защо да губите огромно количество процесорно време за подобна оптимизация, когато класическо устройство за отгряване или квантово устройство, подобно на D-Wave, могат да го направят? Образно казано, защо, когато изучаваме вятъра, използваме виртуален тунел, ако вече имаме истински? Много руски компании мислят за това и ние активно си сътрудничим с тях “, подчертава ученият.
Успешното приключване на тези експерименти ще проправи пътя за създаването на квантови отгряващи агенти, при които принципите на квантовата физика се използват за ускоряване на взаимодействията между атомите и другите частици. Разбира се, някои научни задачи няма да им бъдат достъпни, но те могат да решат много ежедневни проблеми, като например оптимизация на трафика или управление на портфейла.
Повечето наблюдатели, отбелязва професорът Skoltech, вярват, че Google ще спечели в квантовата надпревара. Биамонте не е съгласен с това: представители на калифорнийската компания много обичат да говорят за своите успехи, но почти никога не публикуват научни статии и не разкриват тайните на своите квантови машини.
Според него инженерите на IBM са най-близо до целта - компютрите на тази компания наистина работят и те могат да бъдат проверявани по всяко време чрез специални облачни системи. Но мащабът все още е доста ограничен и тези машини все още не могат да се използват за решаване на сложни проблеми.
Мислещи галактики
Ако в близко бъдеще се създадат такива "сериозни" системи, възниква естествен въпрос: от какво могат да бъдат направени, какви размери могат да достигнат и как ще повлияят на живота ни?
Според самия Биамонте няма фундаментални физически ограничения за квантовите компютри (или устройства за отгряване) с милиони кубити. От друга страна е напълно неразбираемо колко кубита ще има в действителност, тъй като сега сме в най-ранните етапи на развитието на квантовите технологии.
„Засега се опитваме да адаптираме технологиите, които вече са налични в електронната индустрия, за да работят с квантовите компютри. Никой обаче не е сигурен, че това е правилният начин. Има системи, които са много по-подходящи за изграждане на квантови машини. Те обаче са много по-трудни за управление “, обяснява ученият.
Например, специални дефекти вътре в диамантите са почти толкова добре изолирани от външния свят, колкото единични атоми във вакуума на космоса. Колко такива точки могат да се поберат в един диамант и колко близо могат да бъдат една до друга, без да се намесват в работата на съседите, все още не е ясно. Отговорът на тези въпроси определя дали диамантите ще бъдат използвани в квантовите компютри.
Наистина големи квантови машини, както отбеляза професорът „Сколтех“, ще решат не само практически проблеми, свързани с ежедневния човешки живот, но и най-интересните научни загадки.
Може би те ще разкрият квантовата природа на гравитацията и ще изпробват теориите на Биамонте за симетрия на времето, като наблюдават дали те са особено нарушени, когато се опитват да нарушат тази симетрия или да обърнат времето, когато извършват изчисления на такива машини.
Когато човечеството се справи с тези задачи, какво ще прави науката след това? Този въпрос, според Биамонте, е парадоксално свързан с търсенето на извънземен живот и как представителите на извънземните цивилизации могат да сигнализират за тяхното съществуване.
Имур Сабиров (Skoltech). Джейкъб Биамонте и неговите колеги в квантовите лаборатории на Deep.
„Представете си, че ще покорим цялата енергия и сила на Вселената. Какво ще направим първо? Разбира се, можем да се унищожим, но има по-интересен сценарий. Например, ще имаме възможността да ускорим движението на Земята до свръхвисоки скорости и да оставим компютър в орбита “, казва физикът.
Според теорията на относителността времето на планетата ще се забави. Ако прекараме десетки години в това състояние, квантова изчислителна машина или обикновен компютър във „външния свят“ще работи няколко хилядолетия. Освен това, това не е непременно компютър, създаден от човека, неговата роля може да играе различни космически обекти - гигантски облаци от газ, например.
„Колко често можете да правите това? Няма изрично ограничение за такова „ускоряване на изчисленията“, но всички знаем, че късната Вселена няма да бъде много интересно място за нас. Звездите постепенно ще започнат да избледняват и галактиките ще станат невидими една за друга поради разширяването на Вселената “, отбелязва професорът.
Подобни размишления повдигат естествен въпрос: ако човечеството може да го направи, какво пречи на извънземните да правят същото? Съответно, някои следи от такива "космически" квантови изчисления или техните класически колеги трябва да присъстват в пространството. Какво би означавало това, гигантските квантови компютри на извънземни?
„Не мога да дам точен отговор на въпроса какво може да е или да предложа как да ги търся. В същото време съществуването на такива „универсални калкулатори“ми се струва много по-вероятно от спонтанното появяване на „интелигентни планети“и други космически обекти, способни да осъзнаят себе си, което често се обсъжда от „квантовите“философи “, заключава Биамонте.