Kvantu fizika pārvalda visu, kas mūs ieskauj. Vai ir iespējams pārvērst visu Visumu kvantu datorā, vai citplanētieši to pamanīs un kāpēc šādas mašīnas vispār ir vajadzīgas - Jēkabs Biamonte, Skoltech profesors, viens no vadošajiem šīs jomas ekspertiem, atbild uz šiem jautājumiem un stāsta, kā viņš nonācis Krievijā.
Gaiša nākotne
“Es pirmo reizi ierados Krievijā pirms vairāk nekā desmit gadiem un nepavisam neveicu fiziku. Man patīk cīņas mākslas, tai skaitā sambo, un ierados šeit mācīties un apmainīties ar pieredzi. Vēlāk es uzzināju, ka šeit ir visi nosacījumi, lai veiktu progresīvu zinātni, piesaistot zinātniekus no visas pasaules sadarbībai,”saka zinātnieks.
Šodien viņš vada Dziļo kvantu laboratoriju, kas pirms diviem gadiem tika izveidota Skoltech ietvaros, lai apvienotu krievu un ārvalstu fiziķu, matemātiķu, programmētāju un inženieru centienus, pētot problēmas, kas saistītas ar kvantu skaitļošanas sistēmu attīstību.
“Mēs nenodarbojamies ar praksi, bet gan ar visiem kvantu skaitļošanas teorētiskajiem un“programmatūras”aspektiem, un mēs sadarbojamies ar eksperimentētājiem, ieskaitot zinātniekus no Skoltech un speciālistiem no Maskavas Valsts universitātes, RCC un ITMO. Mēs esam atvērti sadarbībai un esam gatavi palīdzēt ikvienam eksperimentētājam, kurš pēta šādus jautājumus,”turpina profesore.
Kas ir kvantu dators? Pēc savas būtības tas kardināli atšķiras no klasiskajām skaitļošanas ierīcēm, kas ļauj veikt vienkāršas vai sarežģītas matemātiskas operācijas ar cipariem vai datu kopām, kas izteiktas kā nulle un viena.
Klasisko datoru kvantu brālēnos, kuru principus pirms vairāk nekā 30 gadiem formulēja padomju fiziķis Jurijs Manins, informācija tiek kodēta principiāli atšķirīgā veidā. Elementāras atmiņas šūnas, tā saucamās kvotas, var saturēt ne nulli, ne vienu, bet veselu vērtību spektru intervālā starp tām.
Reklāmas video:
Rezultātā šādu datoru jauda palielinās eksponenciāli: kvantu procesora ar vairākiem desmitiem kvitu uzvedību nevar aprēķināt pat ar visspēcīgāko klasisko superdatoru palīdzību.
Ilgu laiku šādas mašīnas palika fiziķu zinātniskās fantastikas un teorētisko pētījumu objekts, taču pēdējos 15 gados zinātnieki ir izdarījuši atklājumu, veidojot kvestu un apvienojot tos sarežģītākās sistēmās. Mihaila Lukina grupas vismodernākās kvantu datoru versijas, kas izstrādātas uzņēmumos Google, IBM un Hārvarda universitātē, satur no 20 līdz 50 kvitēm.
Timurs Sabirovs (Skoltech). Jēkabs Biamonte, Skolkovo Zinātnes un tehnoloģijas institūta fizikas profesors.
Neskatoties uz šiem sasniegumiem, šo mašīnu izstrādātāji pieņem, ka pilnvērtīgas skaitļošanas sistēmas, kas spēj atrisināt jebkuru problēmu, drīz neparādīsies, 10-20 gadu laikā. Interesanti, ka šī aplēse nav mainījusies kopš deviņdesmito gadu beigām, taču pastāvīgi rodas dažas jaunas problēmas, katru reizi izslēdzot nekad neredzamo “gaišo kvantu nākotni”.
Kā Biamonte atzīmēja savās populārzinātniskajās lekcijās, viņš ieņem īpašu pozīciju: pēc viņa domām, "noderīgas" kvantu skaitļošanas sistēmas parādīsies daudz agrāk, taču tās nepavisam nebūs tādas, ko plaša sabiedrība un plašsaziņas līdzekļi iedomājas.
“Mūsdienās fizikā ir viena liela problēma, kas vienlaikus ir arī tās galvenā priekšrocība. Eksperimenti vada visu. Kādu iemeslu dēļ viņi domā, ka eksperimenti zinātnei ir svarīgāki nekā teorija. Pateicoties šajā jomā ieguldītajiem līdzekļiem, teorētiskā fizika ir praktiski iznīcināta,”saka Biamonte.
Pats profesors sevi dēvē par klasiskās teorētiskās fizikas pārstāvi, kura idejas zinātnē dominēja pirms gadsimta, pirmajos kvantu mehānikas un mūsdienu Einšteina fizikas dzimšanas posmos. Pēdējās desmitgadēs tādiem cilvēkiem kā viņš bija jāpārceļas uz matemātikas nodaļām, kur viņiem ir daudz ērtāk.
“Eksperimentantiem, ieskaitot kvantu datoru veidotājus, rūp tikai viņu pašu dizains. Ar dažiem izņēmumiem viņus neinteresē, kas vispār ir zināms par šādu ierīču iespējām. Tas ietekmē viņu mentalitāti un liek viņiem sniegt nevis racionālus, bet emocionālus novērtējumus,”skaidro pētnieks.
Piemēram, joprojām nav vienotu skaidru pierādījumu tam, ka kvantu datori skaitļošanas ātrumā varētu pārspēt savus klasiskos kolēģus. Tajā pašā laikā Biamonte norāda, ja mēs vispārināsim visus vienkāršotos modeļus, kas demonstrē dažus šī pārākuma aspektus, mēs iegūsim diezgan pārliecinošus pierādījumus par labu kvantu kalkulatoru pārākumam.
“No vienas puses, Aleksejam Ustinovam, Aleksandram Zagoskinam un citiem šīs jomas līderiem ir taisnība: kvantu dators drīz vairs nenāks. No otras puses, šajā gadījumā mēs runājam par universālām mašīnām, kuras spēj labot savas kļūdas,”atzīmē fiziķis.
Šādas spējas trūkums datorā, uzsver Biamonte, nepadara to absolūti bezjēdzīgu vai zemāku.
Atomu pievienošanas mašīna
“Dabā ir neskaitāmi piemēri dažādām kvantu sistēmām, kurām nav šo spēju. Viņu uzvedību ir ļoti grūti aprēķināt, izmantojot parastos datorus. Tāpēc kvantu sistēmas izveidošana, kas imitē šādus procesus, ļaus mums veikt atbilstošus aprēķinus un iegūt kaut ko noderīgu,”saka zinātnieks.
Šī ideja nav tālu no jauna - to izteica slavenais amerikāņu fiziķis Ričards Feinmans tikai divus gadus pēc Maninas pirmo rakstu publicēšanas. Kā atzīmēja Biamonte, eksperimentētāji pēdējos gados aktīvi izstrādā šādas sistēmas, un teorētiķi domā, kur tās varētu pielietot.
Šādām analogām skaitļošanas ierīcēm, tā saucamajiem adiabātiskajiem datoriem vai fizikāļu žargonā "atkvēlinātai" nav jāizmanto kvantu efekti - daudzām problēmām pietiek ar klasisko mijiedarbību starp atomiem.
“Pastāv trīs šāda veida datoru veidi - klasiskās rūdīšanas mašīnas, to kvantu paātrinātie kolēģi un pilnvērtīgi kvantu procesori, kuru pamatā ir kvantu loģikas vārti. Pēdējie tika izveidoti IBM laboratorijās, pirmie - Fujitsu, otrie - D-Wave,”stāsta zinātnieks.
Biamonte un viņa kolēģi Skoltech visvairāk interesējas par trešās klases mašīnām. Šādas ierīces, pēc viņa teiktā, ir diezgan grūti izveidot, taču tās var izmantot, lai atrisinātu vissarežģītākās optimizācijas problēmas: no mašīnmācības līdz jaunu zāļu izstrādei.
“Šīs mašīnas ir ļoti interesantas, taču pirmās reālās šāda veida ierīces parādīsies tikai pēc dažiem gadiem. No otras puses, šobrīd ir iespējams izveidot klasiskās un kvantu anneles. Un tagad praksē tie joprojām ir visnoderīgākie no kvantu datoriem,”piebilst Biamonte.
Daudzi procesi daļiņu fizikā, turpina pētnieks, ir ieprogrammēti pēc dabas, lai tie optimizētu sevi, cenšoties sasniegt enerģijas minimumu. Attiecīgi, ja mēs iemācīsimies kontrolēt šos procesus, mēs varam izveidot atomu kopumu vai kādus citus objektus veikt šos aprēķinus mūsu vietā.
“Kāpēc gan šādai optimizācijai tērēt milzīgu CPU laiku, ja to var izdarīt ar klasisko atkvēlināšanas ierīci vai kvantu ierīci, kas līdzīga D-Wave? Tēlaini izsakoties, kāpēc, pētot vēju, izmantot virtuālu vēja tuneli, ja tāds jau ir? Daudzi Krievijas uzņēmumi par to domā, un mēs ar tiem aktīvi sadarbojamies,”uzsver zinātnieks.
Veiksmīga šo eksperimentu pabeigšana pavērs ceļu kvantu atkvēlināšanas līdzekļu izstrādei, kurā kvantu fizikas principi tiek izmantoti, lai paātrinātu mijiedarbību starp atomiem un citām daļiņām. Protams, daži zinātniskie uzdevumi viņiem nebūs pieejami, taču viņi spēs atrisināt daudzas ikdienas problēmas, piemēram, trafika optimizāciju vai akciju portfeļa pārvaldību.
Lielākā daļa novērotāju, atzīmē Skoltech profesors, uzskata, ka kvantu sacensībās uzvarēs Google. Biamonte tam nepiekrīt: Kalifornijas uzņēmuma pārstāvjiem ļoti patīk runāt par viņu panākumiem, taču viņi gandrīz nepublicē zinātniskus rakstus un neatklāj savu kvantu mašīnu ierīces noslēpumus.
Viņaprāt, vistuvāk mērķim ir IBM inženieri - šī uzņēmuma datori tiešām darbojas, un tos jebkurā laikā var pārbaudīt, izmantojot īpašas mākoņu sistēmas. Bet mērogs joprojām ir diezgan ierobežots, un šīs mašīnas vēl nevar izmantot sarežģītu problēmu risināšanai.
Domājošas galaktikas
Ja šādas "nopietnas" sistēmas tiek izveidotas tuvākajā nākotnē, rodas dabisks jautājums: no kā tās var izgatavot, kāda izmēra tās var sasniegt un kā tās ietekmēs mūsu dzīvi?
Pēc paša Biamonte teiktā, kvantu datoriem (vai atkvēlināšanas ierīcēm) ar miljoniem kvitu nav būtisku fizisku ierobežojumu. No otras puses, ir pilnīgi nesaprotami, cik kvestu būs patiesībā, jo mēs šobrīd atrodamies ļoti agrīnā kvantu tehnoloģiju attīstības stadijā.
“Pagaidām mēs cenšamies pielāgot elektronikas nozarē jau pieejamās tehnoloģijas darbam ar kvantu datoriem. Tomēr neviens nav pārliecināts, ka tas ir pareizais ceļš. Ir sistēmas, kuras ir daudz labāk piemērotas kvantu mašīnu būvei. Tos tomēr ir daudz grūtāk pārvaldīt,”skaidro zinātnieks.
Piemēram, īpašie defekti dimantos ir gandrīz tikpat labi izolēti no ārpasaules kā atsevišķi atomi kosmosa vakuumā. Cik daudz šādu punktu var ietilpt vienā dimantā un cik tuvu tie var atrasties viens otram, netraucējot kaimiņu darbu, joprojām nav skaidrs. Atbilde uz šiem jautājumiem nosaka, vai dimanti tiks izmantoti kvantu datoros.
Tiešām lielas kvantu mašīnas, kā atzīmēja Skoltehas profesors, atrisinās ne tikai praktiskas problēmas, kas saistītas ar cilvēka ikdienas dzīvi, bet arī interesantākās zinātniskās mīklas.
Varbūt viņi atklās gravitācijas kvantu raksturu un pārbaudīs Biamontes laika simetrijas teorijas, novērojot, vai, veicot aprēķinus šādām mašīnām, viņi ir īpaši traucēti, mēģinot izjaukt šo simetriju, vai apgriezt laiku atpakaļ.
Kad cilvēce tiks galā ar šiem uzdevumiem, ko zinātne darīs tālāk? Šis jautājums, saka Biamonte, paradoksālā veidā ir saistīts ar ārpuszemes dzīves meklējumiem un to, kā svešu civilizāciju pārstāvji var signalizēt par viņu eksistenci.
Imūrs Sabirovs (Skoltech). Jēkabs Biamonte un viņa kolēģi Deep kvantu laboratorijās.
“Iedomājieties, ka mēs pakļausim visu Visuma enerģiju un spēku. Ko mēs darīsim vispirms? Protams, mēs varam sevi iznīcināt, taču ir interesantāks scenārijs. Piemēram, mums būs iespēja paātrināt Zemes kustību līdz īpaši lieliem ātrumiem un atstāt datoru orbītā,”saka fiziķis.
Saskaņā ar relativitātes teoriju laiks uz planētas palēnināsies. Ja šajā stāvoklī pavadīsim desmitiem gadu, kvantu skaitļošanas mašīna vai parasts dators “ārējā pasaulē” darbosies vairākus gadu tūkstošus. Turklāt tas nebūt nav cilvēka veidots dators, tā lomu var spēlēt dažādi kosmosa objekti - piemēram, milzu gāzes mākoņi.
“Cik bieži jūs to varat darīt? Šādam "aprēķinu paātrinājumam" nav skaidru ierobežojumu, taču mēs visi zinām, ka vēlais Visums mums nebūs ļoti interesanta vieta. Zvaigznes pamazām sāks izgaist, un galaktikas kļūs neredzamas viena otrai Visuma paplašināšanās dēļ,”atzīmē profesors.
Līdzīgas pārdomas rada dabisku jautājumu: ja cilvēce to var izdarīt, kas liedz citplanētiešiem rīkoties tāpat? Attiecīgi dažām šādas "kosmosa" kvantu skaitļošanas vai klasisko ekvivalentu pēdām ir jābūt telpā. Kas to norādītu, citplanētiešu milzu kvantu datori?
“Es nevaru sniegt precīzu atbildi uz jautājumu, kas tas varētu būt, vai arī ieteikt, kā tos meklēt. Tajā pašā laikā šādu “universālo kalkulatoru” esamība man šķiet daudz ticamāka nekā “inteliģento planētu” un citu sevi apzinātu kosmisko objektu spontāna parādīšanās, ko bieži apspriež “kvantu” filozofi,”secina Biamonte.