Kvantová fyzika řídí vše, co nás obklopuje. Je možné proměnit celý vesmír v kvantový počítač, všimne si to cizinců a proč jsou takové stroje vůbec zapotřebí - Jacob Biamonte, profesor Skoltech, jeden z předních odborníků v této oblasti, odpovídá na tyto otázky a říká, jak skončil v Rusku.
Zářná budoucnost
"Poprvé jsem do Ruska přišel před více než deseti lety a vůbec ne na fyziku." Mám rád bojová umění, včetně samba, a přišel jsem sem studovat a vyměňovat si zkušenosti. Později jsem se dozvěděl, že zde jsou všechny podmínky pro provádění pokročilé vědy, přilákání vědců z celého světa ke spolupráci, “říká vědec.
Dnes vede Deep kvantové laboratoře, vytvořené před dvěma lety v rámci Skoltechu, aby sjednotil úsilí ruských a zahraničních fyziků, matematiků, programátorů a inženýrů studujících problémy spojené s vývojem kvantových počítačových systémů.
„Nezabýváme se praxí, ale všemi teoretickými a„ softwarovými “aspekty kvantového zpracování dat a spolupracujeme s experimentátory, včetně vědců z Skoltech a specialistů z Moskevské státní univerzity, RCC a ITMO. Jsme otevřeni ke spolupráci a jsme připraveni pomoci experimentátorům studujícím tyto problémy, “pokračuje profesor.
Co je to kvantový počítač? Ze své podstaty se radikálně liší od klasických výpočetních zařízení, která umožňují jednoduché nebo složité matematické operace s čísly nebo datovými množinami vyjádřenými jako nuly a ty.
V kvantových bratrancích klasických počítačů, jejichž principy byly formulovány před více než 30 lety sovětským fyzikem Jurijem Maninem, jsou informace zakódovány zásadně odlišným způsobem. Buňky elementární paměti, takzvané qubity, nemohou obsahovat ani nulu, ani jednu, ale celé spektrum hodnot v intervalu mezi nimi.
Propagační video:
Výsledkem je, že výkon takových počítačů exponenciálně roste: chování kvantového procesoru s několika desítkami qubits nelze vypočítat ani pomocí nejsilnějších klasických superpočítačů.
Po dlouhou dobu zůstaly tyto stroje předmětem sci-fi a teoretického výzkumu fyziků, ale za posledních 15 let vědci udělali průlom ve vytváření qubits a jejich kombinování do složitějších systémů. Nejpokročilejší verze kvantových počítačů vyvinutých společností Google, IBM a na Harvardské univerzitě skupinou Michaila Lukina obsahují 20 až 50 qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fyziky na Skolkovo institutu vědy a techniky.
I přes tyto pokroky vývojáři těchto strojů předpokládají, že plnohodnotné výpočetní systémy schopné vyřešit jakýkoli problém se neobjeví brzy, za 10-20 let. Je zajímavé, že tento odhad se od konce 90. let nezměnil, ale neustále se objevují některé nové problémy, které pokaždé tlačí stranou nikdy nepřicházející „jasnou kvantovou budoucnost“.
Jak poznamenal Biamonte ve svých populárních přednáškách o vědě, zaujímá zvláštní postavení: podle jeho názoru se „užitečné“kvantové počítačové systémy objeví mnohem dříve, ale nebudou vůbec představovat, jak si je představí veřejnost a média.
„Ve fyzice je dnes jeden velký problém, který je zároveň jeho hlavní výhodou. Experti provozují vše. Z nějakého důvodu si myslí, že experimenty jsou pro vědu důležitější než teorie. Díky penězům investovaným do této oblasti byla teoretická fyzika prakticky zničena, “říká Biamonte.
Sám profesor se označuje jako zástupce klasické teoretické fyziky, jejíž myšlenky dominovaly vědě před sto lety, v prvních fázích narození kvantové mechaniky a moderní Einsteinovy fyziky. V posledních desetiletích se lidé jako on museli přestěhovat do matematických oddělení, kde jsou mnohem pohodlnější.
"Experimentátoři, včetně tvůrců kvantových počítačů, se zajímají pouze o své vlastní návrhy." Až na několik výjimek se nezajímají o to, co je obecně známo o schopnosti takových zařízení. To ovlivňuje jejich mentalitu a nutí je ne racionálně, ale emocionálně, “vysvětluje výzkumník.
Například stále neexistuje jediný jasný důkaz, že kvantové počítače mohou překonat své klasické protějšky ve výpočetní rychlosti. Zároveň Biamonte stanoví, že pokud zobecníme všechny zjednodušené modely prokazující některé aspekty této nadřazenosti, získáme docela přesvědčivé důkazy ve prospěch nadřazenosti kvantových kalkulaček.
"Na jedné straně Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin a další vůdci v této oblasti mají pravdu: kvantový počítač opravdu brzy nepřijde." Na druhé straně v tomto případě mluvíme o univerzálních strojích, které dokážou napravit své vlastní chyby, “poznamenává fyzik.
Nedostatek takové schopnosti v počítači, zdůrazňuje Biamonte, neznamená, že je to naprosto zbytečné nebo podřadné.
Atomový sčítací stroj
„Existuje nespočet příkladů různých kvantových systémů v přírodě, které tuto schopnost nemají. Jejich chování je velmi obtížné spočítat pomocí běžných počítačů. Vytvoření kvantového systému, který simuluje takové procesy, nám tedy umožní provádět příslušné výpočty a získat něco užitečného, “říká vědec.
Tato myšlenka není zdaleka nová - vyslovil ji slavný americký fyzik Richard Feynman pouhé dva roky po vydání prvních článků Manina. Jak poznamenal Biamonte, experimentátoři v posledních letech tyto systémy aktivně vyvíjejí a teoretici uvažují o tom, kde je lze aplikovat.
Taková analogová výpočetní zařízení, tzv. Adiabatické počítače nebo „žíhání“ve žargonu fyziků, nemusí používat kvantové efekty - pro mnoho problémů postačují klasické interakce mezi atomy.
„Existují tři typy počítačů tohoto druhu - klasické žíhací stroje, jejich kvantově akcelerované protějšky a plnohodnotné kvantové procesory založené na kvantově logických branách. Ty byly vytvořeny v laboratořích IBM, první - ve Fujitsu, druhé - v D-Wave, “říká vědec.
Biamonte a jeho kolegové ze Skoltechu se nejvíce zajímají o stroje třetí třídy. Taková zařízení, řekl, jsou docela obtížné vytvořit, ale mohou být použity k řešení nejsložitějších optimalizačních problémů: od strojového učení k vývoji nových léků.
„Tyto stroje jsou velmi zajímavé, ale první skutečná zařízení tohoto typu se objeví až za několik let. Na druhou stranu je možné vytvořit klasické a kvantové žíhače právě teď. A nyní v praxi zůstávají nejužitečnější z kvantových počítačů, “dodává Biamonte.
Výzkumník pokračuje, že mnoho procesů ve fyzice částic je naprogramováno od přírody tak, že se optimalizují a snaží se dosáhnout energetického minima. Pokud se tedy naučíme tyto procesy ovládat, můžeme pro nás tyto výpočty vytvořit skupinu atomů nebo jiných objektů.
"Proč ztrácet obrovské množství času CPU na takovou optimalizaci, pokud je to možné pomocí klasického žíhacího zařízení nebo kvantového zařízení podobného D-Wave?" Obrazně řečeno, proč při studiu větru používat virtuální větrný tunel, pokud již máme skutečný tunel? Mnoho ruských společností o tom přemýšlí a my s nimi aktivně spolupracujeme, “zdůrazňuje vědec.
Úspěšné dokončení těchto experimentů připraví cestu pro vytvoření kvantových žíhacích činidel, které využívají principů kvantové fyziky k urychlení interakcí mezi atomy a jinými částicemi. Některé vědecké úkoly jim samozřejmě nebudou k dispozici, ale budou schopny vyřešit mnoho každodenních problémů, jako je optimalizace provozu nebo správa portfolia akcií.
Většina pozorovatelů, poznamenává profesor Skoltech, věří, že Google v kvantové rase vyhraje. Biamonte s tím nesouhlasí: zástupci kalifornské společnosti velmi rádi mluví o svých úspěších, ale téměř nikdy nezveřejňují vědecké články a neodhalují tajemství zařízení svých kvantových strojů.
Podle jeho názoru jsou inženýři IBM nejblíže k cíli - počítače této společnosti skutečně fungují a mohou být kdykoli zkontrolovány pomocí speciálních cloudových systémů. Měřítko je však stále velmi omezené a tyto stroje zatím nelze použít k řešení složitých problémů.
Myšlení galaxií
Pokud se takové „vážné“systémy vytvoří v blízké budoucnosti, vyvstane přirozená otázka: z čeho mohou být vyrobeny, z jaké velikosti mohou dosáhnout a jak ovlivní náš život?
Podle samotného Biamonteho neexistují žádná zásadní fyzická omezení pro kvantové počítače (nebo žíhací zařízení) s miliony qubits. Na druhou stranu je zcela nepochopitelné, kolik qubitů bude ve skutečnosti, protože jsme nyní ve velmi raných fázích vývoje kvantových technologií.
„Zatím se snažíme přizpůsobit technologie, které jsou již v elektronickém průmyslu dostupné, pro práci s kvantovými počítači. Nikdo si však není jistý, že je to správná cesta. Existují systémy, které jsou mnohem vhodnější pro stavbu kvantových strojů. Spravují je však mnohem těžší, “vysvětluje vědec.
Například speciální defekty uvnitř diamantů jsou téměř stejně dobře izolovány od vnějšího světa jako jednotlivé atomy ve vakuu prostoru. Kolik takových bodů se vejde do jednoho diamantu a jak blízko mohou být k sobě, aniž by zasahovaly do práce sousedů, je stále nejasné. Odpověď na tyto otázky určuje, zda budou diamanty použity v kvantových počítačích.
Skutečně velké kvantové stroje, jak poznamenal profesor Skoltech, vyřeší nejen praktické problémy spojené s každodenním lidským životem, ale také nejzajímavější vědecké hádanky.
Možná odhalí kvantovou podstatu gravitace a vyzkouší Biamonteovy teorie časové symetrie pozorováním, zda jsou zvláště narušeni, když se pokoušejí tuto symetrii prolomit nebo obrátit čas při provádění výpočtů na takových strojích.
Když se lidstvo vypořádá s těmito úkoly, co bude věda dělat dál? Tato otázka, říká Biamonte, paradoxně souvisí s hledáním mimozemského života a s tím, jak mohou představitelé mimozemských civilizací signalizovat jejich existenci.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte a jeho kolegové v hlubokých kvantových laboratořích.
"Představte si, že podrobíme veškerou energii a sílu vesmíru." Co uděláme první? Samozřejmě se můžeme zničit, ale je tu ještě zajímavější scénář. Například budeme mít příležitost urychlit pohyb Země na velmi vysoké rychlosti a nechat počítač na oběžné dráze, “říká fyzik.
Podle teorie relativity se čas na planetě zpomalí. Pokud v tomto stavu strávíme desítky let, bude kvantový počítač nebo obyčejný počítač v „vnějším světě“fungovat několik tisíciletí. Navíc to nemusí být nutně počítač vytvořený člověkem, jeho roli mohou hrát různé vesmírné objekty - například obrovské mraky plynu.
"Jak často to dokážete?" Neexistuje žádné explicitní omezení pro takovou „urychlení výpočtů“, ale všichni víme, že pozdní vesmír pro nás nebude velmi zajímavým místem. Hvězdy se postupně začnou vytrácet a galaxie se budou navzájem neviditelné kvůli expanzi vesmíru, “poznamenává profesor.
Podobné úvahy vyvolávají přirozenou otázku: pokud to dokáže lidstvo, co brání mimozemšťanům v tom, aby dělali totéž? V souladu s tím musí být ve vesmíru přítomny některé stopy takového „vesmírného“kvantového výpočtu nebo jejich klasických protějšků. Co by to naznačovalo, obrovské kvantové počítače mimozemšťanů?
"Nemohu dát přesnou odpověď na otázku, co to může být, ani navrhnout, jak je hledat." Současně se mi zdá, že existence takových „univerzálních kalkulaček“je mnohem pravděpodobnější než spontánní vznik „inteligentních planet“a dalších kosmických objektů, které si mohou být samy o sobě vědomy, o nichž často diskutují „kvantové“filozofové, “uzavírá Biamonte.