Rimti kvantiniai kompiuteriai pagaliau čia. Ką mes su jais darysime?

Jeremy'is Liebmanas

Mažoje laboratorijoje vešliame kaime, maždaug 50 mylių į šiaurę nuo Niujorko, nuo lubų kabo sudėtingas vamzdžių ir elektronikos raizginys. Ši įrangos netvarka yra kompiuteris. Ne bet koks kompiuteris, o tas, kuris, ko gero, bus vienas svarbiausių šios srities istorijos etapų.

Kvantiniai kompiuteriai žada atlikti skaičiavimus toli už bet kurio įprastinio superkompiuterio. Jie gali sukelti revoliuciją naujų medžiagų atradime, suteikdami galimybę imituoti materijos elgesį iki atominio lygio. Arba jie gali pakenkti kriptografijai ir saugumui nulauždami kitaip neįveikiamus kodus. Yra net vilčių, kad jie padidins dirbtinį intelektą efektyviau skraidydami duomenis.

Ši istorija buvo mūsų 2018 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau tik dabar, po dešimtmečius trukusios laipsniškos pažangos, mokslininkai pagaliau priartėjo prie kvantinių kompiuterių, pakankamai galingų, kad padarytų tai, ko negali įprasti kompiuteriai. Tai orientyras, šiek tiek teatrališkai pavadintas kvantine viršenybe. „Google“ pirmauja siekdama šio etapo, o „Intel“ ir „Microsoft“ taip pat deda daug pastangų. Ir tada yra gerai finansuojamos naujos įmonės, įskaitant „Rigetti Computing“, „IonQ“ ir „Quantum Circuits“.

Gamta yra kvantinė, po velnių! Taigi, jei norime tai imituoti, mums reikia kvantinio kompiuterio.

Tačiau joks kitas varžovas negali prilygti IBM kilmei šioje srityje. Prieš 50 metų įmonė sukūrė medžiagų mokslo pažangą, kuri padėjo pagrindus kompiuterių revoliucijai. Štai kodėl praėjusį spalį atsidūriau IBM Thomaso J. Watsono tyrimų centre ir bandžiau atsakyti į šiuos klausimus: kam kvantinis kompiuteris bus naudingas? O ar išvis galima pastatyti praktišką, patikimą?

Kodėl manome, kad mums reikia kvantinio kompiuterio

Tyrimų centras, esantis Yorktown Heights, atrodo kaip skraidanti lėkštė, kaip įsivaizduota 1961 m. Jį suprojektavo architektas neofuturistas Eero Saarinenas ir pastatytas IBM klestėjimo laikais, kai gamino didelius pagrindinius verslo įrenginius. IBM buvo didžiausia pasaulyje kompiuterių įmonė, o per dešimtmetį nuo tyrimų centro statybos ji tapo penkta pagal dydį bet kokio tipo įmone pasaulyje, iškart po „Ford“ ir „General Electric“.

Nors iš pastato koridorių atsiveria vaizdas į kaimą, dizainas toks, kad jokiame biure nėra langų. Viename iš šių vienuolyno kambarių sutikau Charlesą Bennettą. Dabar jam per 70 metų jis turi didelius baltus šoniukus, mūvi juodas kojines su sandalais ir netgi nešioja kišeninę apsaugą su rašikliais. Apsuptas senų kompiuterių monitorių, chemijos modelių ir, keista, mažo disko kamuoliuko, jis prisiminė kvantinio skaičiavimo gimimą tarsi vakar.

Charlesas Bennettas iš IBM tyrimų yra vienas iš kvantinės informacijos teorijos pradininkų. Jo darbas IBM padėjo sukurti teorinį kvantinio skaičiavimo pagrindą. bartekas sadovskis

Kai Bennettas prisijungė prie IBM 1972 m., kvantinei fizikai jau buvo pusė amžiaus, tačiau kompiuterija vis dar rėmėsi klasikine fizika ir matematine informacijos teorija, kurią Claude'as Shannonas sukūrė MIT šeštajame dešimtmetyje. Būtent Šenonas apibrėžė informacijos kiekį pagal bitų skaičių (šis terminas jį išpopuliarino, bet nesugalvojo), reikalingo jai saugoti. Tie bitai, 0 smėlis vienas s dvejetainio kodo, yra visų įprastų skaičiavimų pagrindas.

Praėjus metams po atvykimo į Yorktown Heights, Bennettas padėjo pamatus kvantinės informacijos teorijai, kuri prieštarautų visam tam. Jis remiasi savotiško objektų elgesio atominiu mastu išnaudojimu. Tokio dydžio dalelė vienu metu gali egzistuoti daugelyje būsenų (pvz., daug skirtingų padėčių). Dvi dalelės taip pat gali susipainioti, todėl vienos būsenos pasikeitimas gali akimirksniu paveikti kitą.

Bennettas ir kiti suprato, kad kai kurie skaičiavimai, kurie eksponentiškai užima daug laiko ar net neįmanomi, gali būti efektyviai atlikti naudojant kvantinius reiškinius. Kvantinis kompiuteris saugotų informaciją kvantiniais bitais arba kubitais. Kubitai gali egzistuoti superpozicijose vienas ir 0 , o įsipainiojimas ir triukas, vadinamas trukdžiais, gali būti naudojami norint rasti skaičiavimo sprendimą eksponentiškai daugybei būsenų. Varginančiai sunku lyginti kvantinius ir klasikinius kompiuterius, tačiau grubiai tariant, vos kelis šimtus kubitų turintis kvantinis kompiuteris vienu metu galėtų atlikti daugiau skaičiavimų nei žinomoje visatoje yra atomų.

1981 m. vasarą IBM ir MIT surengė reikšmingą renginį, pavadintą Pirmoji skaičiavimo fizikos konferencija. Tai vyko Endicott House, prancūziško stiliaus dvare, esančiame netoli MIT universiteto.

Nuotraukoje, kurią Bennettas padarė konferencijos metu, ant pievelės galima pamatyti keletą įtakingiausių figūrų iš skaičiavimo ir kvantinės fizikos istorijos, įskaitant Konradą Zuse'ą, kuris sukūrė pirmąjį programuojamą kompiuterį, ir Richardą Feynmaną, svarbų bendradarbį kvantinė teorija. Feynmanas pasakė pagrindinę konferencijos kalbą, kurioje iškėlė idėją apie skaičiavimus naudojant kvantinius efektus. Bennettas man pasakė, kad didžiausią kvantinės informacijos teorijos postūmį suteikė Feynmanas. Jis pasakė: „Gamta yra kvantinė, po velnių! Taigi, jei norime tai imituoti, mums reikia kvantinio kompiuterio.

IBM kvantinis kompiuteris – vienas perspektyviausių egzistuojančių – yra visai šalia Bennetto biuro. Mašina skirta sukurti ir valdyti esminį kvantinio kompiuterio elementą: kubitus, kurie saugo informaciją.

Šioje IBM laboratorijoje yra kvantinės mašinos, prijungtos prie debesies. Džeremis Liebmanas

Atotrūkis tarp svajonės ir realybės

IBM mašina išnaudoja kvantinius reiškinius, atsirandančius superlaidžiose medžiagose. Pavyzdžiui, kartais srovė tekės pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę tuo pačiu metu. IBM kompiuteris naudoja superlaidžias grandines, kuriose dvi skirtingos elektromagnetinės energijos būsenos sudaro kubitą.

Superlaidumo metodas turi pagrindinių privalumų. Techninė įranga gali būti pagaminta naudojant nusistovėjusius gamybos metodus, o sistemai valdyti galima naudoti įprastą kompiuterį. Superlaidžios grandinės kubitais taip pat lengviau manipuliuoti ir jie yra mažiau subtilūs nei atskiri fotonai ar jonai.

IBM kvantinėje laboratorijoje inžinieriai kuria kompiuterio versiją su 50 kubitų. Galite paleisti paprasto kvantinio kompiuterio modeliavimą įprastame kompiuteryje, tačiau esant maždaug 50 kubitų, tai tampa beveik neįmanoma. Tai reiškia, kad IBM teoriškai artėja prie taško, kai kvantinis kompiuteris gali išspręsti problemas, kurių negali išspręsti klasikinis kompiuteris: kitaip tariant, kvantinis kompiuteris.

Tačiau, kaip pasakys IBM tyrinėtojai, kvantinė viršenybė yra sunkiai suprantama sąvoka. Jums prireiktų visų 50 kubitų, kad jie veiktų nepriekaištingai, o iš tikrųjų kvantiniai kompiuteriai turi klaidų, kurias reikia ištaisyti. Taip pat velniškai sunku išlaikyti kubitus bet kurį laiką; jie linkę išsiskirti arba praranda savo subtilią kvantinę prigimtį, panašiai kaip dūmų žiedas suyra nuo menkiausios oro srovės. Ir kuo daugiau kubitų, tuo abu iššūkiai tampa sunkesni.

Jei turėtumėte 50 ar 100 kubitų ir jie tikrai veiktų pakankamai gerai ir būtų visiškai ištaisytos klaidos – galėtumėte atlikti nesuvokiamus skaičiavimus, kurių negalima atkartoti jokiu klasikiniu aparatu, dabar ar kada nors, sako Jeilio profesorius ir įkūrėjas Robertas Schoelkopfas. bendrovės Quantum Circuits. Kita kvantinio skaičiavimo pusė yra ta, kad yra eksponentinių būdų, kaip jis gali suklysti.

Lustai IBM kvantinio kompiuterio viduje (apačioje) atšaldomi iki 15 milikelvinų. Džeremis Liebmanas

Kita atsargumo priežastis yra ta, kad nėra akivaizdu, koks naudingas būtų net puikiai veikiantis kvantinis kompiuteris. Tai ne tik pagreitina bet kokią jūsų atliekamą užduotį; Tiesą sakant, daugeliu skaičiavimų jis iš tikrųjų būtų lėtesnis nei klasikinės mašinos. Iki šiol buvo sukurta tik keletas algoritmų, kuriuose kvantinis kompiuteris aiškiai turėtų pranašumą. Ir net tiems tas kraštas gali būti trumpalaikis. Garsiausias kvantinis algoritmas, sukurtas Peterio Šoro MIT, skirtas pirminiams sveikojo skaičiaus veiksniams rasti. Daugelis įprastų kriptografinių schemų remiasi tuo, kad įprastam kompiuteriui tai padaryti sunku. Tačiau kriptografija gali prisitaikyti ir sukurti naujų rūšių kodus, kurie nepriklauso nuo faktorizavimo.

Ažiotažą skatina suvokimas, kad kvantinė kompiuterija iš tikrųjų yra reali. Tai nebėra fiziko svajonė – tai inžinieriaus košmaras.

Štai kodėl, net ir artėdami prie 50 kubitų etapo, patys IBM tyrinėtojai nori išsklaidyti apie jį kilusią ažiotažą. Prie staliuko koridoriuje, iš kurio matyti vešli lauko pievelė, sutikau aukštą, ramų australą Jay Gambetta, kuris tyrinėja kvantinius algoritmus ir galimas IBM aparatinės įrangos pritaikymas. Esame šiame unikaliame etape, sakė jis, atsargiai rinkdamas žodžius. Turime šį įrenginį, kuris yra sudėtingesnis nei galite imituoti klasikiniame kompiuteryje, tačiau jis dar nėra valdomas tokiu tikslumu, kad galėtumėte atlikti žinomus algoritmus.

IBMeriams suteikia vilties, kad net netobulas kvantinis kompiuteris vis tiek gali būti naudingas.

Susijusi istorija

Susijusi istorija

Gambetta ir kiti tyrinėtojai pradėjo taikyti taikymą, kurį Feynmanas numatė dar 1981 m. Chemines reakcijas ir medžiagų savybes lemia atomų ir molekulių sąveika. Tą sąveiką valdo kvantiniai reiškiniai. Kvantinis kompiuteris gali – bent jau teoriškai – juos modeliuoti taip, kaip įprastas.

Praėjusiais metais Gambetta ir kolegos iš IBM naudojo septynių kubitų mašiną, kad imituotų tikslią berilio hidrido struktūrą. Tik trys atomai yra sudėtingiausia molekulė, kada nors modeliuota naudojant kvantinę sistemą. Galiausiai mokslininkai gali panaudoti kvantinius kompiuterius, kad sukurtų efektyvesnius saulės elementus, veiksmingesnius vaistus ar katalizatorius, kurie saulės šviesą paverčia švariu kuru.

Iki tų tikslų dar toli. Tačiau Gambetta sako, kad gali būti įmanoma gauti vertingų rezultatų naudojant kvantinę mašiną, kuriai būdingos klaidos, suporuotos su klasikiniu kompiuteriu.

Nuo fiziko sapno iki inžinieriaus košmaro

Ažiotažą skatina suvokimas, kad kvantinė kompiuterija iš tikrųjų yra tikra, sako Isaacas Chuangas, liesas, švelnus MIT profesorius. Tai nebėra fiziko svajonė – tai inžinieriaus košmaras.

Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje ir 2000-ųjų pradžioje Chuangas vadovavo kai kurių ankstyviausių kvantinių kompiuterių kūrimui, dirbdamas IBM Almaden mieste, Kalifornijoje. Nors jis jau nedirba su jais, jis mano, kad esame kažko labai didelio pradžioje – kad kvantinis skaičiavimas ilgainiui net suvaidins vaidmenį dirbtiniame intelekte.

Tačiau jis taip pat įtaria, kad revoliucija tikrai neprasidės tol, kol nauja studentų ir įsilaužėlių karta nežais su praktiškomis mašinomis. Kvantiniams kompiuteriams reikia ne tik skirtingų programavimo kalbų, bet ir iš esmės kitokio mąstymo apie tai, kas yra programavimas. Kaip sako Gambetta: Mes iš tikrųjų nežinome, koks yra „Sveiki, pasauli“ atitikmuo kvantiniame kompiuteryje.

Mes pradedame išsiaiškinti. 2016 m. IBM prijungė nedidelį kvantinį kompiuterį prie debesies. Naudodami programavimo įrankių rinkinį, vadinamą QISKit, galite paleisti paprastas programas; tūkstančiai žmonių, nuo akademinių tyrėjų iki moksleivių, sukūrė QISKit programas, kuriose vykdomi pagrindiniai kvantiniai algoritmai. Dabar „Google“ ir kitos įmonės savo kuriamus kvantinius kompiuterius taip pat pateikia internete. Negalite daug nuveikti su jais, bet bent jau jie suteikia žmonėms, nepriklausantiems pirmaujančioms laboratorijoms, skonį, kas gali ateiti.

Startuolių bendruomenė taip pat jaudinasi. Netrukus po to, kai pamačiau IBM kvantinį kompiuterį, nuėjau į Toronto universiteto verslo mokyklą dalyvauti kvantinių įmonių startuolių konkurse. Verslininkų komandos nervingai pakilo ir pristatė savo idėjas grupei profesorių ir investuotojų. Viena įmonė tikėjosi panaudoti kvantinius kompiuterius finansų rinkoms modeliuoti. Kitas planavo, kad jie sukurtų naujus baltymus. Dar vienas norėjo sukurti pažangesnes AI sistemas. Kambaryje nebuvo pripažinta, kad kiekviena komanda pasiūlė verslą, paremtą tokia revoliucine technologija, kad ji beveik neegzistuoja. Nedaugelis atrodė gąsdinami dėl šio fakto.

Šis entuziazmas gali suirti, jei pirmieji kvantiniai kompiuteriai bus lėtai naudojami praktiškai. Geriausias spėjimas iš tų, kurie tikrai žino sunkumus, pavyzdžiui, Bennettas ir Chuangas, yra tai, kad pirmosios naudingos mašinos dar liko kelerių metų. Ir tai darant prielaidą, kad didelės kubitų kolekcijos valdymo ir manipuliavimo problema galiausiai nepasirodys neįveikiama.

Vis dėlto ekspertai tikisi. Kai paklausiau, koks gali būti pasaulis, kai užaugs mano dvejų metų sūnus, Chuangas, kuris išmoko naudotis kompiuteriais žaisdamas su mikroschemomis, atsakė šypsodamasis. Galbūt jūsų vaikas turės rinkinį kvantiniam kompiuteriui sukurti, sakė jis.

paslėpti