Sacensības rit pilnā sparā. Pasaules vadošie uzņēmumi mēģina izveidot pirmo kvantu datoru, kura pamatā ir tehnoloģija, kas jau sen ir solījusi zinātniekiem palīdzēt attīstīt brīnumainus jaunus materiālus, perfektu datu šifrēšanu un precīzi prognozēt izmaiņas Zemes klimatā. Iespējams, ka šāda mašīna parādīsies ne agrāk kā pēc desmit gadiem, taču tas neaptur IBM, Microsoft, Google, Intel un citus. Viņi burtiski procesora mikroshēmā sadala kvantu bitus - vai kvbitus -. Bet ceļš uz kvantu skaitļošanu ir saistīts ne tikai ar subatomisko daļiņu manipulēšanu.
Kvadīts vienlaikus var attēlot 0 un 1, pateicoties unikālajai superpozīcijas kvantu parādībai. Tas ļauj kvitēm vienlaikus veikt milzīgu daudzumu aprēķinu, ievērojami palielinot skaitļošanas ātrumu un ietilpību. Bet ir dažādi kvestu veidi, un ne visi no tiem ir izveidoti vienādi. Piemēram, programmējamā silīcija kvantu mikroshēmā bita vērtību (1 vai 0) nosaka ar tā elektrona rotācijas virzienu. Tomēr kvesti ir ārkārtīgi trausli, un dažos gadījumos temperatūra ir tikpat augsta kā 20 milikelvini - 250 reizes aukstāka nekā dziļi kosmosā -, lai tā būtu stabila.
Protams, kvantu dators nav tikai procesors. Šīm nākamās paaudzes sistēmām būs nepieciešami jauni algoritmi, jauna programmatūra, savienojumi un vēl daudzas vēl izgudrotas tehnoloģijas, kas gūst labumu no kolosālās skaitļošanas jaudas. Turklāt aprēķinu rezultāti būs kaut kur jāuzglabā.
"Ja nebūtu bijis tik grūti, mēs to jau būtu izdarījuši," saka Džims Klarks, Intel Labs kvantu aparatūras direktors. Šogad CES Intel iepazīstināja ar 49 jaudu bitu procesoru, kura nosaukums ir Tangle Lake. Pirms dažiem gadiem uzņēmums izveidoja virtuālu vidi kvantu programmatūras testēšanai; tas izmanto jaudīgo Stampede superdatoru (Teksasas Universitātē), lai simulētu 42 kbit lielu procesoru. Tomēr, lai patiesībā saprastu, kā rakstīt programmatūru kvantu datoriem, ir jāimitē simtiem vai pat tūkstošiem kvītu, saka Klarks.
Amerikāņu zinātniskajā intervijā Klārks par dažādām pieejām kvantu datora būvēšanai, kāpēc tās ir tik trauslas un kāpēc visa šī prasība prasa tik ilgu laiku. Jums tas būs interesanti.
Kā kvantu skaitļošana atšķiras no tradicionālās skaitļošanas?
Reklāmas video:
Kopēja metafora, ko izmanto, lai salīdzinātu divu veidu aprēķinus, ir monēta. Tradicionālajā datoru procesorā tranzistors ir vai nu galva, vai aste. Bet, ja jautāsit, uz kuru pusi monēta vēršas, kad tā griežas, jūs atbildēsit, ka atbilde var būt abpusēja. Tā darbojas kvantu skaitļošana. Parasto bitu vietā, kas apzīmē 0 vai 1, jums ir kvantu bits, kas apzīmē gan 0, gan 1 vienlaicīgi, līdz kvants pārstāj griezties un nonāk miera stāvoklī.
Stāvokļa telpa - vai spēja atkārtot milzīgu skaitu iespējamo kombināciju - ir kvantu datora gadījumā eksponenciāla. Iedomājieties, ka man rokā ir divas monētas, un es vienlaikus tās mētāju gaisā. Rotējot, tie attēlo četrus iespējamos stāvokļus. Ja es metos gaisā trīs monētas, tās attēlo astoņus iespējamos stāvokļus. Ja es izmetu gaisā piecdesmit monētas un vaicāju, cik stāvokļus tās pārstāv, atbilde ir tāda, kuru nevar aprēķināt pat visspēcīgākais superdators pasaulē. Trīs simti monētu - joprojām ir salīdzinoši neliels skaits - pārstāvēs vairāk stāvokļu nekā atomu Visumā.
Kāpēc kvadrāti ir tik trausli?
Realitāte ir tāda, ka monētas vai kvadrāti galu galā pārstāj griezties un sabrūk noteiktā stāvoklī, neatkarīgi no tā, vai tās ir galvas vai astes. Kvantu skaitļošanas mērķis ir ilgstoši saglabāt tā vērpšanu superpozīcijā stāvokļu komplektā. Iedomājieties, ka uz mana galda griežas monēta un kāds spiež galdu. Monēta var nokrist ātrāk. Troksnis, temperatūras izmaiņas, elektriskās svārstības vai vibrācija var traucēt kvadrāta darbību un izraisīt tā datu zaudēšanu. Viens no veidiem, kā stabilizēt noteikta veida kvestu, ir turēt tos auksti. Mūsu kvīti darbojas 55 galonu mucas lieluma ledusskapī un, lai tos atdzesētu līdz absolūtai nullei, izmanto īpašu hēlija izotopu.
Kā dažādu veidu kvesti atšķiras viens no otra?
Ir ne mazāk kā seši vai septiņi dažādi kvestu veidi, un apmēram trīs vai četri no tiem tiek aktīvi apsvērti izmantošanai kvantu datoros. Atšķirība ir tā, kā manipulēt ar kvadrātiņiem un likt viņiem sazināties savā starpā. Lai veiktu lielus "iepinušos" aprēķinus, ir vajadzīgas divas kvintes, lai sazinātos viena ar otru, un dažāda veida kvinīti tiek savīti dažādos veidos. Manis aprakstīto veidu, kam nepieciešama ārkārtēja dzesēšana, sauc par supravadošu sistēmu, kurā ietilpst mūsu Tangle Lake procesors un kvantu datori, kurus būvējuši Google, IBM un citi. Citās pieejās tiek izmantoti ieslodzīto jonu svārstīgie lādiņi, kurus vakuuma kamerā tur ar lāzera stariem un kas darbojas kā kvadrāti. Intel neveido ieslodzīto jonu sistēmas, jo tas prasa dziļas zināšanas par lāzeriem un optiku,mēs to nevaram izdarīt.
Tomēr mēs pētām trešo veidu, ko mēs saucam par silīcija spin qubits. Tie izskatās tieši tāpat kā tradicionālie silīcija tranzistori, bet darbojas ar vienu elektronu. Spin qubits izmanto mikroviļņu impulsus, lai kontrolētu elektronu griešanos un atbrīvotu tā kvantu spēku. Mūsdienās šī tehnoloģija ir mazāk nobriedusi nekā supravadošā kvadrātu tehnoloģija, taču, domājams, tās mērogošana un komerciāla veiksme ir daudz lielāka.
Kā no šejienes nokļūt šajā punktā?
Pirmais solis ir padarīt šīs kvantu mikroshēmas. Tajā pašā laikā mēs esam veikuši simulācijas superdatorā. Lai palaistu Intel kvantu simulatoru, ir nepieciešami apmēram pieci triljoni tranzistoru, lai simulētu 42 kvitus. Lai sasniegtu komerciālu sasniedzamību, nepieciešams miljons vai vairāk kvadrātu, bet, sākot ar tādu simulatoru, var izveidot pamata arhitektūru, kompilatorus un algoritmus. Kamēr mums nav fizisku sistēmu, kurās būs no dažiem simtiem līdz tūkstoš kvestu, nav skaidrs, kāda veida programmatūru mēs varam darbināt ar tām. Ir divi veidi, kā palielināt šādas sistēmas izmērus: viens ir pievienot vairāk kvitu, kas prasīs vairāk fiziskās vietas. Problēma ir tāda, ka, ja mūsu mērķis ir izveidot datorus ar miljons kvitēm, matemātika neļaus tiem labi mērogot. Vēl viens veids ir saspiest integrētās shēmas iekšējos izmērus, taču šī pieeja prasītu supravadošu sistēmu, kurai jābūt milzīgai. Apgriezienu skaits ir miljons reižu mazāks, tāpēc mēs meklējam citus risinājumus.
Turklāt mēs vēlamies uzlabot kvītu kvalitāti, kas mums palīdzēs pārbaudīt algoritmus un izveidot mūsu sistēmu. Kvalitāte ir precizitāte, ar kādu informācija tiek paziņota laika gaitā. Kaut arī daudzas šādas sistēmas daļas uzlabos kvalitāti, vislielāko labumu gūs jaunu materiālu izstrāde un mikroviļņu impulsu un citas vadības elektronikas precizitātes uzlabošana.
Nesen ASV digitālās tirdzniecības un patērētāju aizsardzības apakškomiteja rīkoja uzklausīšanu par kvantu skaitļošanu. Ko likumdevēji vēlas uzzināt par šo tehnoloģiju?
Ir vairākas uzklausīšanas, kas saistītas ar dažādām komitejām. Ja mēs ņemam vērā kvantu skaitļošanu, mēs varam teikt, ka šīs ir skaitļošanas tehnoloģijas nākamajiem 100 gadiem. Tas ir tikai dabiski, ka ASV un citas valdības interesējas par savu iespēju. Eiropas Savienībai ir vairāku miljardu dolāru plāns kvantu pētījumu finansēšanai visā Eiropā. Ķīna pagājušā gada rudenī paziņoja par 10 miljardu dolāru lielu pētījumu bāzi, kas koncentrēsies uz kvantu informātiku. Jautājums ir, ko mēs kā valsts varam darīt valsts līmenī? Valsts kvantu skaitļošanas stratēģija būtu jāvada universitātēm, valdībai un rūpniecībai, kopīgi strādājot pie dažādiem tehnoloģijas aspektiem. Standarti noteikti ir nepieciešami komunikāciju vai programmatūras arhitektūras ziņā. Problēma ir arī darbaspēks. Tagad, ja es atveru vakanci kvantu skaitļošanas ekspertam, visticamāk, divas trešdaļas pretendentu atradīsies ārpus ASV.
Kā kvantu skaitļošana var ietekmēt mākslīgā intelekta attīstību?
Parasti pirmie piedāvātie kvantu algoritmi koncentrēsies uz drošību (piemēram, kriptogrāfiju) vai ķīmiju un materiālu modelēšanu. Tās ir problēmas, kuras tradicionālajiem datoriem būtībā nav atrisināmas. Tomēr ir daudz jaunu uzņēmumu un zinātnieku grupu, kas strādā ar mašīnmācību un AI, ieviešot kvantu datorus, pat teorētiskus. Ņemot vērā laika grafiku, kas nepieciešams AI izstrādei, es sagaidītu tradicionālās mikroshēmas, kas optimizētas speciāli AI algoritmiem, kas savukārt ietekmēs kvantu mikroshēmu attīstību. Jebkurā gadījumā AI noteikti iegūs stimulu no kvantu skaitļošanas.
Kad mēs redzēsim, ka strādājošie kvantu datori risina reālās pasaules problēmas?
Pirmais tranzistors tika izveidots 1947. gadā. Pirmā integrētā shēma bija 1958. gadā. Pirmais Intel mikroprocesors - kas saturēja apmēram 2500 tranzistorus - iznāca tikai 1971. gadā. Katru no šiem pagrieziena punktiem atdala vairāk nekā desmit gadu laikā. Cilvēki domā, ka kvantu datori atrodas tepat aiz stūra, taču vēsture rāda, ka sasniegumi prasa laiku. Ja 10 gadu laikā mums būs kvantu dators ar dažiem tūkstošiem kvitīšu, tas noteikti mainīs pasauli tāpat kā pirmais mikroprocesors.
Iļja Khel