Kas ir kvantu dators un no kā tas sastāv? Ne visiem datoriem ir tiesības uz šādu vārdu. Kāpēc tas tā ir un kāpēc šādas instalācijas ir vajadzīgas, skaidro Kristofers Monro, Mērilendas universitātes profesors un viens no vadošajiem spēlētājiem globālajā "kvantu skrējienā".
Krievijas Kvantu centrs Maskavā regulāri rīko lielas starptautiskas konferences, kas veltītas kvantu tehnoloģiju izstrādei un to praktiskai izmantošanai. Tās darbā piedalās ne tikai vadošie pētnieki, bet arī lielo Krievijas un ārvalstu biznesa un valdības ierēdņu pārstāvji.
Šogad konferencē piedalījās trīs zinātnisko komandu vadītāji, kas vadīja sarežģītu kvantu skaitļošanas sistēmu izveidi. Papildus Mihailam Lukinam, Hārvardas universitātes (ASV) profesoram, kurš iepriekšējā konferencē pirmo reizi paziņoja par rekordliela 51 kbit datora izveidošanu, tajā piedalījās arī profesori Kristofers Monro un Harmuts Nevens.
Monro, kurš šodien strādā Merilendas universitātē (ASV), gandrīz vienlaicīgi ar savu krievu-amerikāņu kolēģi izveidoja mašīnu, kas ir līdzīga jaudā, izmantojot līdzīgus, bet nedaudz atšķirīgus principus.
Viņš runāja par virzienu, kādā šī sistēma attīstās, kā tā atšķiras no "konkurentiem" un kur robeža atrodas starp reāliem kvantu datoriem, kas pilnībā atbilst šim terminam, un skaitļošanas sistēmām, kuras ir veidotas uz klasisko principu pamata.
Kvantu pārākums
Kvantu datori ir īpašas skaitļošanas ierīces, kuru jauda pieaug eksponenciāli, pateicoties tam, ka savā darbā tiek izmantoti kvantu mehānikas likumi. Visas šādas ierīces sastāv no kvitēm - atmiņas šūnām un vienlaikus primitīviem skaitļošanas moduļiem, kas spēj uzglabāt vērtību diapazonu no nulles līdz vienai.
Reklāmas video:
Mūsdienās šādu ierīču attīstībā ir divas galvenās pieejas - klasiskā un adiabātiskā. Pirmā no tiem atbalstītāji mēģina izveidot universālu kvantu datoru, kurā kvotas ievērotu noteikumus, pēc kuriem darbojas parastās digitālās ierīces. Darbs ar šādu skaitļošanas ierīci ideālā gadījumā īpaši neatšķirtos no tā, kā inženieri un programmētāji darbojas parastajos datoros.
Adiabātisku datoru ir vieglāk izveidot, taču tā darbības principi ir tuvāk 20. gadsimta sākuma mašīnu, slīdēšanas noteikumu un analogo datoru pievienošanai, nevis mūsu laika digitālajām ierīcēm. Ir arī hibrīdas pieejas, kas apvieno abu mašīnu īpašības. Starp tiem, pēc Monro teiktā, var attiecināt uz Mihaila Lukina datoru.
Pēc Monro teiktā, tas ir saistīts ar faktu, ka viņa mašīnā esošās atmiņas šūnas ir veidotas, pamatojoties uz retzemju metāla ytterbium joniem, kuru stāvoklis nemainās, manipulējot ar lāzera stariem. Lukina kvantu dators savukārt ir veidots uz tā saukto Ridberga atomu pamata, kas nav pasargāti no šādām ietekmēm.
Tie ir rubidija-87 vai citu sārmu metālu atomi, kuru brīvais elektrons tika "izspiests" milzīgā attālumā no kodola, izmantojot īpašus lāzera vai radioviļņu impulsus. Sakarā ar to atoma lielums palielinās apmēram miljonu reižu, kas to pārvērš par kvadrātu, bet, kā skaidroja Monro, neļauj to pārvietot, deformējot šo struktūru un neiznīcinot kvantu stāvokļus.
Šādu problēmu neesamība jonos, pēc amerikāņu fiziķa domām, ļāva viņa komandai izveidot nevis hibrīdu, bet gan pilnībā kontrolētu kvantu datoru, ar kura kvitēm zinātnieki var tieši manipulēt skaitļošanas laikā.
Piemēram, pirms trim gadiem, ilgi pirms lielāku mašīnu izveidošanas, Monro un viņa komanda paziņoja, ka viņiem ir izdevies izveidot pirmo pārprogrammējamo kvantu datoru, kas sastāvēja no piecām atmiņas šūnām. Šī pieticīgā mašīna, pateicoties augstajai elastībai, ļāva fiziķiem tajā vienlaikus izpildīt vairākas kvantu programmas.
Īpaši viņiem izdevās palaist Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani algoritmus šajā mini-datorā, kā arī izveidot Furjē transformāciju kvantu versiju, kas ir kriptogrāfijas un tās pārrāvuma stūrakmens.
Šie panākumi, kā arī grūtības noturēt daudz jonu slazdos, Monro piezīmē, pamudināja viņu domāt, ka kvantu skaitļošanas sistēmas jāveido modulāri, nevis monolīti. Citiem vārdiem sakot, "nopietni" kvantu datori nepārstāvēs vienotu veselumu, bet gan sava veida tīklu, kas sastāv no daudziem līdzīgiem un diezgan vienkāršiem moduļiem.
Nepilnīgs vakuums
Šādas sistēmas, kā atzīmēja amerikāņu profesors, jau pastāv, bet vēl netiek izmantotas kvantu datoru prototipos viena vienkārša iemesla dēļ - tās darbojas apmēram simts reizes lēnāk nekā pašas kvintes. Tomēr viņš uzskata, ka šī problēma ir pilnībā risināma, jo tai ir nevis inženiertehnisks, bet zinātnisks raksturs.
Vēl viena iespējamā problēma, kas traucēs monolītu vai vienkārši lielu kvantu datoru darbībai, ir tā, ka vakuums, kā to teica Monro, nav ideāls. Tas vienmēr satur nelielu skaitu molekulu, no kurām katra var sadurties ar atomu kvadrātiem un traucēt viņu darbam.
Vienīgais veids, kā to pārvarēt, ir vēl vairāk atdzesēt kvantu datoru, pēc iespējas tuvāk absolūtajam nullei. Monro komanda ar to vēl nenodarbojas, jo viņu mašīnā ir neliels kvadrātu skaits, taču nākotnē šī problēma noteikti būs jāatrisina.
Modulārā pieeja, kā ieteica amerikāņu profesors, būs vēl viens veids, kā atrisināt šo problēmu, jo tā ļaus sadalīt datoru daudzās neatkarīgās daļās, kurās ir salīdzinoši neliels kvestu skaits. Teorētiski tas nedarbosies tik ātri kā monolīta mašīna, taču tas apies "nepilnīga vakuuma" problēmu, jo moduļus būs vieglāk atdzesēt un vadīt.
Kad pienāks šis laiks? Kā ierosina Monro, nākamo trīs līdz piecu gadu laikā tiks izveidotas mašīnas, kurās ietilpst vairāki simti kvbitu. Tie būs spējīgi veikt vairākus desmitus tūkstošu operāciju, un darbībai nebūs vajadzīgas ārkārtējas dzesēšanas vai kļūdu labošanas sistēmas.
Šādas mašīnas spēs atrisināt daudzas sarežģītas praktiskas problēmas, taču tie nebūs pilnvērtīgi datori šī vārda klasiskajā izpratnē. Lai to izdarītu, jums būs jāpalielina kvestu skaits un “jāmāca” viņiem patstāvīgi labot kļūdas savā darbā. Pēc fiziķa domām, tas prasīs vēl piecus gadus.
Sacensību pēdējais posms
Pirmie sarežģītie kvantu datori, pēc Monro teiktā, tiks būvēti, balstoties uz jonu vai atomu tehnoloģijām, jo visas pārējās kvestu versijas, ieskaitot daudzsološās pusvadītāju atmiņas šūnas, vēl nav sasniegušas līdzīgu attīstības līmeni.
“Līdz šim šie ir visi universitātes laboratorijas eksperimenti. Šīs kvintes nevar izmantot, lai izveidotu pilnīgus loģiskos vārtus. Tāpēc es piekrītu Mihailam, ka mūsu kolēģiem no Austrālijas, Intel un citām komandām būs jāatrisina daudzas praktiskas problēmas, pirms viņi var izveidot pilnvērtīgu skaitļošanas sistēmu,”atzīmē fiziķis.
Kā noteikt uzvarētāju šajā "kvantu skrējienā"? Pirms diviem gadiem Monro un viņa kolēģi mēģināja atbildēt uz šo jautājumu, organizējot pirmo kvantu datoru salīdzinošo testēšanu. Kā konkurentu savai mašīnas pirmajai versijai viņi izvēlējās IBM kvantu datoru, kura pamatā ir supravadošās kvittes.
Lai tos salīdzinātu, Merilendas universitātes fiziķi un programmētāji sagatavoja pirmo "kvantu etalonu" komplektu - vienkāršus algoritmus, kas mēra gan šo datoru precizitāti, gan ātrumu. Pārbaudē netika atklāts tiešs uzvarētājs - Monro un viņa komandas dators uzvarēja precīzi, taču ātrumā zaudēja IBM mašīnai.
Tajā pašā laikā Monro uzskata, ka tā dēvētais kvantu pārākums - kvantu datora izveidošana, kura uzvedību nevar aprēķināt ar citām metodēm - nebūs kaut kas nopietns zinātnisks vai praktisks sasniegums.
“Problēma slēpjas pašā koncepcijā. No vienas puses, mūsu eksperimenti ar pieciem desmitiem qubits, tāpat kā Mihaila eksperimenti, palīdzēja aprēķināt tās lietas, kuras citādi nevar aprēķināt. No otras puses, to nevar saukt par pārākumu, jo mēs nevaram pierādīt, ka to tiešām nevar aprēķināt citādā veidā. Kvantu pārākums parādīsies agrāk vai vēlāk, bet personīgi es negrasos pēc tā dzīties pakaļ,”uzsvēra zinātnieks.
Vēl viena grūtība slēpjas faktā, ka mēs vēl nevaram precīzi pateikt, kuras problēmas kvantu datori var atrisināt un kur to piemērošana būs vispamatotākā un noderīgākā. Šim nolūkam ir nepieciešams, lai gan zinātniskā vide, gan visa sabiedrība sāktu uztvert šādas mašīnas kā pieejamu un universālu instrumentu.
Visuma kvantu noslēpumi
Šī iemesla dēļ amerikāņu profesors neuzskata, ka tādas adiabātiskas skaitļošanas sistēmas kā D-Wave ierīces var saukt par kvantu datoriem. Viņu darbs, pēc fiziķa domām, balstās uz pilnīgi klasiskiem fizikāliem principiem, kuriem nav nekā kopīga ar reālo kvantu mehāniku.
“Neskatoties uz to, tādi analogi datori kā praktiski ir ārkārtīgi interesanti. Jūs varat vienkārši paņemt dažus magnētus, piestiprināt tos trīsstūrveida acij un izsekot viņu uzvedībai. Šiem eksperimentiem nebūs nekā kopīga ar kvantu fiziku, taču tie ļaus veikt dažus sarežģītus optimizācijas aprēķinus. Investori viņus interesē, kas nozīmē, ka tas netiek darīts veltīgi,”turpina profesore.
Kādus uzdevumus var atrisināt “īsts” kvantu dators? Kā atzīmēja Monro, pēdējos gados daudzas citas fiziķu komandas ir sazinājušās ar viņa komandu. Viņi plāno izmantot savu mašīnu, lai atrisinātu daudzas svarīgas zinātniskas problēmas, kuras nevar aprēķināt ar parasto datoru.
Līdz šim tos pašus eksperimentus, kā atzina fiziķis, var veikt arī parastajos superdatoros. No otras puses, nākamajos gados kvotu skaits kvantu mašīnās ievērojami palielināsies, kas padarīs viņu darbu neuzskaitāmu.
Tas paplašinās to piemērojamību un padarīs šādus eksperimentus par vienu no interesantākajiem un unikālākajiem veidiem, kā izpētīt lielākos un noslēpumainākos Visuma objektus, kā arī atrisinās daudzus ikdienas uzdevumus, piemēram, maršrutu atrašanu vai ekonomikas pārvaldību, secina pētnieks.