Pēc gadu desmitiem ilga smaga darba bez lielām cerībām uz panākumiem pēkšņi ap kvantu skaitļošanu attīstījās drudžains darbs. Gandrīz pirms diviem gadiem IBM parādīja pasaulei kvantu datoru ar pieciem kvantu bitiem (kbitiem), kurus viņi tagad (kas izklausās mazliet dīvaini) sauc par IBM Q Experience. Toreiz ierīce pētniekiem bija drīzāk kā rotaļlieta nekā nopietnas datu apstrādes rīks. Tomēr projektā ir reģistrējušies 70 tūkstoši lietotāju visā pasaulē, un tagad čehu skaits ir četrkāršojies. Pirms dažiem mēnešiem IBM un Intel paziņoja par kvantu datoru izveidi ar 50 un 49 kbitiem. Ir arī zināms, ka Google sienās spārnos gaida vēl viens dators. "Kopiena ir enerģijas pilna, un nesenie atklājumi ir pārsteidzoši."- saka fiziķis Jenss Eiserts no Berlīnes Brīvās universitātes.
Pašlaik tiek runāts par gaidāmo "kvantu pārākumu": laiku, kad kvantu dators var veikt uzdevumu, kas pārsniedz pat visspēcīgāko klasisko superdatoru spējas. Ja salīdzinām tikai skaitļus, tad šāds apgalvojums var šķist smieklīgs: 50 kviti pret miljardiem klasisko bitu jebkurā klēpjdatorā. Bet viss kvantu skaitļošanas punkts ir tāds, ka kvantu bits ir spējīgs uz daudz vairāk nekā klasiskais. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka, lai veiktu aprēķinus, ko parastais dators veiks bezgalīgi, pietiks ar 50 kvitēm. 2017. gada vidū Google pētnieki paziņoja, ka līdz decembrim viņi demonstrēs kvantu pārākumu. (Uz nesenu jaunu datu pieprasījumu uzņēmuma pārstāvis atbildēja: “Mēs paziņosim rezultātus,tiklīdz tie ir pietiekami pamatoti, bet tagad tiek veikta rūpīga esošo notikumu analīze. ")
Es gribētu secināt, ka visas galvenās problēmas var atrisināt un nākotne, kurā kvantu datori ir visuresoša parādība, ir tikai tehniskā aprīkojuma jautājums. Bet viņš kļūdīsies. Fiziskie jautājumi, kas ir kvantu skaitļošanas pamatā, joprojām nav tālu atrisināti.
Pat ja mēs drīz iesim kvantu pārākuma laikmetā, nākamais vai divi gadi varētu būt izšķirīgi - vai kvantu datori tiešām pilnībā mainīs mūsu skaitļošanas veidu? Likmes joprojām ir augstas, un nav garantijas, ka mērķis tiks sasniegts.
Aizveries un aprēķini
Gan kvantu skaitļošanas priekšrocības, gan izaicinājumi ir raksturīgi fizikai, kas to ļauj. Pamati jau ir teikti vairāk nekā vienu reizi, lai gan ne vienmēr ir ticis noskaidrots, kas nepieciešams kvantu mehānikā. Klasiskie datori glabā informāciju un apstrādā to binārā kodā (0 vai 1). Kvantu datoros situācija ir gandrīz vienāda, tikai katrs bits atrodas tā saucamajā superpozīcijā, tas ir, tas var būt gan 0, gan 1 vienlaikus. Tas nozīmē, ka qubit stāvokli var noteikt tikai ar noteiktu varbūtības pakāpi.
Lai veiktu aprēķinu ar lielu skaitu kvītu, visiem tiem jābūt savstarpēji atkarīgos superpozīcijās - "kvantu koherences" stāvoklī, kurā visi kvīti tiek uzskatīti par sapinušies. Šajā gadījumā mazākās izmaiņas vienā kvadrātā var ietekmēt visas pārējās. Tas ir, skaitļošanas operācijām, kurās izmanto kvītis, ir augstāka veiktspēja nekā klasiskajiem bitiem. Klasiskā ierīcē skaitļošanas iespējas ir vienkārši atkarīgas no bitu skaita, bet katras jaunās kvittes pievienošana palielina kvantu datora iespējas 2 reizes. Tāpēc atšķirība starp 5 un 40 kvadrātmetru ierīci ir tik ievērojama.
Reklāmas video:
Ņemiet vērā, ka es neteicu, kā tas bieži tiek darīts, ka kvantu datora priekšrocība salīdzinājumā ar klasisko ir tā, ka pastāv superpozīcijas, kas ievērojami palielina kodētās informācijas iespējamo stāvokļu skaitu. Kā es neteicu, sapīšanās ļauj daudzus aprēķinus veikt vienlaicīgi. (Patiesībā, augsts kvintu sapīšanas līmenis nav priekšnoteikums.) Tajā ir zināma patiesība, taču neviens no apgalvojumiem neapraksta kvantu aprēķināšanas būtību.
Kvantu mehānikas izpratnes sarežģītības dēļ ir sarežģīts izskaidrot, kāpēc kvantu aprēķināšana ir tik spēcīga. Kvantu teorijas vienādojumi noteikti parāda, ka tā darbosies - vismaz ar dažiem aprēķinu veidiem: faktorings vai datu bāzes meklēšana paātrina procesu ārkārtīgi. Bet cik tieši?
Varbūt drošākais veids, kā aprakstīt kvantu skaitļošanu, ir pateikt, ka kvantu mehānika kaut kādā veidā rada aprēķināšanas "iespējas", kas nav pieejamas klasiskajās ierīcēs. Kā atzīmēja fiziķis Daniels Gottesmans no Teorētiskās fizikas perimetra institūta (Perimetra institūts) Vaterlo: "Ja ir pieejama pietiekami daudz kvantu mehānikas, tad zināmā mērā process paātrinās, un ja nē, tad tā nav."
Lai gan daži punkti joprojām ir skaidri. Kvantu skaitļošanai ir nepieciešams, lai visas kvotas būtu saskaņotas, ko ir ārkārtīgi grūti īstenot. Koherento kvbītu sistēmas mijiedarbība ar vidi rada kanālus, caur kuriem saskaņotība ātri "noplūst". Šo procesu sauc par decoherence. Zinātniekiem, kas plāno būvēt kvantu datoru, ir jānovērš dekoherence. Tagad viņiem izdodas viņu apturēt tikai uz sekundi. Situācija kļūst sarežģītāka, kad palielinās kvestu skaits un attiecīgi spēja mijiedarboties ar vidi. Tāpēc, kaut arī kvantu datoru ideju pirmo reizi ierosināja Ričards Feinmans jau 1982. gadā, un teorija tika izstrādāta 1990. gadu sākumā, ierīces, kas spēj veikt reālu aprēķinu, ir izveidotas tikai tagad.
Kvantu kļūdas
Ir otrs galvenais iemesls, kāpēc kvantu datora būve ir tik sarežģīta. Tāpat kā jebkurš cits process pasaulē, tas rada troksni. Nejaušas svārstības, kas rodas, teiksim, qubitu temperatūras dēļ vai fundamentālu kvantu mehānisko procesu īpatnību dēļ, var mainīt qubit virzienu vai stāvokli, kas noved pie kļūdainiem aprēķiniem. Šādi draudi pastāv darbā ar klasiskajiem datoriem, taču tos ir diezgan viegli novērst. Jums vienkārši jāizveido divi vai vairāki katra bita dublējumi, lai netiktu ieskaitīts nejauši apgriezts bits.
Zinātnieki, kas strādā pie kvantu datora izveidošanas, ir izstrādājuši vairākus problēmas risināšanas veidus, taču visas stratēģijas noved pie pārāk daudz papildu aprēķina izmaksu parādīšanās, jo visa skaitļošanas jauda tiek tērēta kļūdu labošanai, nevis doto algoritmu izpildei. "Pašreizējais kļūdu līmenis ievērojami ierobežo aprēķinu veikšanas laiku," skaidro Endrjū Čilds, Merilendas Universitātes Kvantu informācijas un skaitļošanas zinātņu apvienotā centra līdzdirektors. "Mums ir ievērojami jāuzlabo rezultāti, ja vēlamies radīt kaut ko interesantu."
Liela daļa pētījumu fundamentālajā kvantu skaitļošanā koncentrējas uz kļūdu korekcijas paņēmieniem. Daļa no problēmas sarežģītības izriet no citām kvantu sistēmu galvenajām īpašībām: superpozīcijas var saglabāt tikai tik ilgi, kamēr nemērīsit kvadrāta vērtību. Mērījums iznīcinās superpozīciju un novedīs pie noteiktas vērtības: 1 vai 0. Kā jūs varat noteikt, vai kvadrāta darbībā bija kļūda, ja nezināt, kādā stāvoklī tas bija?
Viena gudra shēma ierosina izmantot netiešu aprēķinu, apvienojot kvadrātu ar otro palīgkvartītu. Pēdējais nav iesaistīts aprēķinos, tāpēc tā mērīšana neietekmē galvenās kvadrāta stāvokli. Bet to ir diezgan grūti īstenot. Šis risinājums nozīmē, ka, lai izveidotu patiesu "loģisko kvadrātu", kas ir imūns pret kļūdām, ir vajadzīgas daudzas fiziskās kvbītas.
Cik daudz? Kvantu teorētiķis Alans Aspuru-Gužiks no Hārvardas universitātes uzskata, ka vienas loģiskās kvadrāta izveidei vajadzēs apmēram desmit tūkstošus fizisko kvitu, kas šobrīd nav iespējams. Pēc viņa teiktā, ja viss noritēs labi, šis skaits samazināsies līdz vairākiem tūkstošiem vai pat simtiem. Aiserts nav tik pesimistisks un uzskata, ka pietiks ar aptuveni astoņiem simtiem fizisku kvestu, taču atzīst, ka pat šajā situācijā "skaitļošanas jaudas papildu izmaksas joprojām būs lielas". Jums jāatrod veids, kā tikt galā ar kļūdām.
Kļūdu novēršanai ir alternatīva. To novēršanu vai novēršanu var saukt par kļūdu mazināšanu. IBM projektēšanas shēmu pētnieki matemātiski aprēķina kļūdas iespējamību un pēc tam rezultātu uztver kā nulles troksni.
Daži pētnieki uzskata, ka kļūdu labošanas problēma paliks neatrisināta un neļaus kvantu datoriem sasniegt paredzētos augstumus. “Kvantu kļūdu labojošu kodu izveidošana ir daudz grūtāka nekā kvantu pārākuma demonstrēšana,” skaidro Izraēlas Ebreju universitātes matemātiķis Gils Kalai. Viņš arī piebilst, ka "ierīces, kas neizlabo kļūdas, savos aprēķinos ir ļoti primitīvas, un pārākumu nevar balstīt uz primitivitāti". Citiem vārdiem sakot, kvantu datori nepārspēs klasiskos datorus, ja kļūdas netiks novērstas.
Citi zinātnieki uzskata, ka problēma galu galā tiks atrisināta. Viens no tiem ir Džejs Gambetta, kvantu datoru zinātnieks IBM Kvantu skaitļošanas centrā. Tomass Dž. Vatsons. "Mūsu nesenie eksperimenti ir parādījuši kļūdu labošanas pamatelementus mazās ierīcēs, kas savukārt paver ceļu lielākām ierīcēm, kuras trokšņa klātbūtnē ilgstoši var droši saglabāt kvantu informāciju," viņš saka. Tomēr Gambetta arī atzīst, ka, pat ņemot vērā pašreizējo situāciju, "vēl ir tāls ceļš ejams, lai izveidotu universālu, pret kļūdām izturīgu kvantu datoru, izmantojot loģiskās kvintes". Pateicoties šādiem pētījumiem, Childs ir optimistisks. “Esmu pārliecināts, ka mēs redzēsim vēl veiksmīgākus [kļūdu novēršanas] eksperimentus, taču,iespējams, būs vajadzīgs ilgs laiks, pirms mēs sāksim izmantot kvantu datorus reālai skaitļošanai.”
Dzīvo ar kļūdām
Tuvākajā nākotnē kvantu datori darbosies nepareizi. Rodas jautājums: kā ar to dzīvot? IBM zinātnieki saka, ka pārskatāmā nākotnē "aptuvenās kvantu skaitļošanas" pētījumu joma koncentrēsies uz to, kā atrast veidus, kā pielāgoties troksnim.
Tas prasa izveidot šādus algoritmus, kas radīs pareizu rezultātu, ignorējot kļūdas. Procesu var salīdzināt ar vēlēšanu rezultātu saskaitīšanu, kurā netiek ņemtas vērā sabojātās balsošanas zīmes. "Pat ja tas pieļauj dažas kļūdas, pietiekami lielam, augstas kvalitātes kvantu aprēķinam jābūt efektīvākam nekā [klasiskajam]," saka Gambetta.
Šķiet, ka viens no jaunākajiem tehnoloģiju pieļaujamajiem kļūdām ir lielāks zinātniekiem nekā visai pasaulei: materiālu modelēšana atomu līmenī. (Faktiski šī bija motivācija, kas lika Feinmanam nākt klajā ar ideju par kvantu datoriem.) Kvantu mehānikas vienādojumi apraksta stabilitātes vai ķīmiskās reaktivitātes aprēķināšanu (piemēram, zāļu molekulās). Bet šos vienādojumus nevar atrisināt, neizmantojot daudz vienkāršojumu.
Tomēr, pēc Childs teiktā, elektronu un atomu kvantu izturēšanās "ir salīdzinoši tuvu dabiskajai kvantu datora uzvedībai". Tas nozīmē, ka varētu izveidot precīzu molekulas datora modeli. “Daudzi zinātniskās kopienas locekļi, arī es, uzskata, ka pirmā veiksmīgā kvantu datora lietošana būs saistīta ar kvantu ķīmiju un materiālu zinātni,” saka Aspuru-Gužiks: viņš bija viens no pirmajiem, kurš sāka virzīt kvantu skaitļošanu šajā virzienā.
Kvantu modelēšana ir izrādījusies noderīga pat mazākajos kvantu datoros, kas mums šodien pieejami. Pētnieku grupa, kurā ietilpst Aspuru-Guzik, izstrādāja algoritmu, ko viņi sauca par "Variācijas metodi kvantu mehānikas problēmu risināšanai" (turpmāk - VMR). Šis algoritms ļauj jums atrast vismazāk enerģijas patērējošo molekulas stāvokli pat trokšņainās kvadrātā. Pašlaik tas var rīkoties tikai ar ļoti mazām molekulām, kurās ir maz elektronu. Klasiskie datori šo uzdevumu veic labi. Bet kvantu jauda nepārtraukti pieaug, kā Gambetta un kolēģi parādīja pagājušā gada septembrī, kad viņi izmantoja sešu kbitu ierīci, lai aprēķinātu tādu molekulu elektronisko struktūru kā litija hidrīds un berilija hidrīds. Darbs bija "nozīmīgs sasniegums kvantu zinātnēs"kā to izteicis ķīmiskais fiziķis Markuss Reičers no Cīrihes Šveices augstākās tehniskās skolas. “BMP izmantošana mazu molekulu modelēšanai ir lielisks piemērs īstermiņa heiristisko algoritmu izmantošanai,” saka Gambetta.
Bet, pēc Aspuru-Guzik teiktā, loģiskas kvesti, kas var labot kļūdas, būs nepieciešami pat pirms kvantu datoriem, ja tie pārņems klasiskos. "Es nevaru gaidīt, kamēr kļūdu labojošā kvantu skaitļošana kļūs par realitāti," viņš komentēja.
“Ja mums būtu vairāk nekā divi simti kvbitu, mēs varētu darīt patiešām inovatīvas lietas,” piebilda Reičers. "Un ar 5000 kvbitiem kvantu datoram varētu būt liela ietekme uz zinātni."
Kāds ir jūsu apjoms?
Šos mērķus ir neticami grūti sasniegt. Neskatoties uz visām grūtībām, kvantu datori no piecu kbitu līdz 50 bitu tikai gada laikā - šis fakts dod cerību. Tomēr pārāk neaizraujieties ar šiem numuriem, jo tie stāsta tikai nelielu stāsta daļu. Tagad svarīgākais nav tas, cik kvbtu jums ir, bet gan tas, cik labi viņi strādā un cik efektīvi ir jūsu izstrādātie algoritmi.
Jebkura kvantu aprēķināšana beidzas ar dekoherenci, kas pārmaina kvadrātus. Parasti kvotu grupas novājināšanas laiks ir vairākas mikrosekundi. Loģisko operāciju skaits, ko var veikt tik īsā laikā, ir atkarīgs no kvantu vārtu pārslēgšanās ātruma. Ja ātrums ir pārāk mazs, nav nozīmes tam, cik vutīšu ir jūsu rīcībā. Dotajam aprēķinam nepieciešamo operāciju skaitu sauc par aprēķina dziļumu: maza dziļuma algoritmi ir efektīvāki nekā dziļie algoritmi. Tomēr nav precīzi zināms, vai tie ir noderīgi aprēķinos.
Turklāt ne visi kvesti ir vienlīdz skaļi. Teorētiski ir iespējams izveidot zema trokšņa līmeņa kvotas no materiāliem, kas atrodas tā sauktajā "topoloģiskā elektroniskā stāvoklī": ja daļiņas šajā stāvoklī tiek izmantotas bināras informācijas kodēšanai, tā tiks aizsargāta no nejauša trokšņa. Mēģinot atrast daļiņas topoloģiskā stāvoklī, Microsoft pētnieki galvenokārt pēta eksotiskus kvantu materiālus. Tomēr nav garantijas, ka viņu pētījumi būs veiksmīgi.
Lai apzīmētu kvantu skaitļošanas jaudu noteiktā ierīcē, IBM pētnieki izveidoja terminu “kvantu tilpums”. Tas ir skaitlis, kas apvieno visus svarīgos faktorus: algoritma dziļumu, kvitu skaitu un savienojamību, kā arī citus kvantu vārtu kvalitātes rādītājus (piemēram, troksni). Kopumā šis "kvantu tilpums" raksturo kvantu skaitļošanas jaudu. Pēc Gambetta teiktā, tagad ir jāizstrādā kvantu skaitļošanas iekārtas, kas palielinās pieejamo kvantu tilpumu.
Tas ir viens no iemesliem, kāpēc vaimanātā kvantu pārākums ir diezgan neskaidra ideja. Ideja, ka 50 kvadrātu kvantu dators pārspēs mūsdienu superdatorus, izklausās pievilcīgi, taču joprojām paliek daudz neatrisinātu jautājumu. Kad tieši tiek atrisināts, kādas problēmas kvantu dators pārspēj superdatorus? Kā var noteikt, vai kvantu dators ir saņēmis pareizo atbildi, ja to nevar pārbaudīt ar klasisku ierīci? Ko darīt, ja klasiskais dators ir efektīvāks nekā kvantu dators, ja ir atrasts labāks algoritms?
Tādējādi kvantu pārākums ir jēdziens, kam nepieciešama piesardzība. Daži pētnieki dod priekšroku runāt par "kvantu priekšrocību", par lēcienu kvantu tehnoloģiju attīstībā, nevis par kvantu datoru galīgo uzvaru pār parastajiem. Turklāt vairākums cenšas nelietot vārdu "pārākums", jo tas satur negatīvas politiskas un rasistiskas konotācijas.
Neatkarīgi no nosaukuma, ja zinātnieki var pierādīt, ka kvantu datori var veikt uzdevumus, kurus klasiskās ierīces nevar veikt, tad tas būs ārkārtīgi svarīgs psiholoģiskais brīdis šajā jomā. “Nenoliedzamas kvantu priekšrocības demonstrēšana ieies vēsturē. Tas pierādīs, ka kvantu datori patiešām var paplašināt mūsu tehnoloģiskās iespējas,”saka Aizerts.
Varbūt tas būs simbolisks notikums, nevis radikālas izmaiņas skaitļošanas jomā. Neskatoties uz to, tas ir vērts pievērst uzmanību. Ja kvantu datori pārspēj tradicionālos datorus, tas nav tāpēc, ka IBM un Google pēkšņi tos laiž tirgū. Lai sasniegtu kvantu pārākumu, jums jāizveido sarežģīta mijiedarbības sistēma starp izstrādātājiem un lietotājiem. Un pēdējiem jābūt stingri pārliecinātiem, ka jaunums ir vērts izmēģināt. Īstenojot šo sadarbību, IBM un Google cenšas lietotājiem pēc iespējas ātrāk sniegt informāciju par to attīstību. Iepriekš IBM piedāvāja visiem reģistrēšanās gadījumiem piekļuvi vietnei savam 16-bitu IBM Q datoram. Tagad uzņēmums ir izstrādājis 20-bitu versiju korporatīvajiem klientiem, ieskaitot JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung un Oksfordas universitāti. Šāda sadarbība ne tikai palīdz klientiem atrast kaut ko noderīgu un interesantu, bet arī rada kvantu lietotprasmes programmētāju kopienu, kas izstrādās jaunas funkcijas un atrisinās problēmas, kuras nevar atrisināt viena uzņēmuma ietvaros.
“Lai kvantu skaitļošanas joma aktīvi attīstītos, jums jādod cilvēkiem iespēja izmantot un studēt kvantu datorus, - saka Gambetta. "Visai zinātnes un rūpniecības pasaulei tagad jākoncentrējas uz vienu uzdevumu - gatavošanos kvantu datoru laikmetam."
Projekta tulkojums Jauns
Filips Ballis