Važiavimas D banga

Kompiuteriai apdoroja informaciją suskaidydami ją į kuo mažesnius gabalus, vadinamus bitais. Šiek tiek parodo dviejų galimybių skirtumą: tiesa ir klaidinga, taip ir ne, arba, kaip įprasta, 1 ir 0.

Puikus kompiuteris: Įrenginys, žinomas kaip skiedimo šaldytuvas (parodytas aukščiau), naudojamas D Wave kvantiniam kompiuteriui inicijuoti, atvėsinant iki beveik absoliutaus nulio.

Moore'o dėsnio (kuris teigia, kad kompiuteriai paspartėja du kartus kas pusantrų metų) galutinis taškas yra toks galingas kompiuteris, kad informacijos bitams saugoti naudoja atskirus atomus: vieną atomą, vieną bitą. Jei galėtume dirbti subatominėmis svarstyklėmis ir kaupti bitus ant elektronų ar kvarkų, galėtume eiti toliau. Bet laikykimės to, ką turime žinoti galime padaryti.

Ši istorija buvo mūsų 2008 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Jei dabartinis miniatiūrizavimo tempas išliks, jūsų kompiuteris išsaugos vieną bitą viename atome maždaug 2050 m. Tačiau natūralu paklausti, ar iš tikrųjų galime pasiekti bitų ir atomų atitiktį. Pažymėtina, kad laboratorijoje jau yra kompiuterių prototipų, kuriuose saugomi atskirų atomų bitai. Šie kompiuteriai vadinami kvantiniais kompiuteriais, nes jie kaupia ir apdoroja informaciją tokiomis skalėmis, kuriose galioja kvantinės mechanikos dėsniai.

Kvantinė mechanika yra fizikos šaka, valdanti tai, kas vyksta labai mažu mastu. Jo principai yra labai keisti, todėl natūralu, kad kvantiniai kompiuteriai taip pat turėtų būti nelygūs. Įprastas elektroninis kompiuteris, kuriame kiekvienas bitas registruoja 0 arba 1, yra pavergtas dvejetainės logikos; bet kvantinis bitas arba kubitas vienu metu gali registruoti 0 ir 1 – reiškinys, žinomas kaip superpozicija. Ką reiškia, kad kvantinis bitas vienu metu registruoja 0 ir 1? Tikslus atsakymas yra, niekas tiksliai nežino. Prieštaringas kvantinės mechanikos pobūdis neleidžia mūsų protui suvokti, kaip elgiasi kvantiniai bitai. Nepaisant to, kadangi kvantinės mechanikos dėsniai yra tiksliai suformuluoti, galime numatyti, ką darys kvantiniai kompiuteriai.

Ir tai, ką jie daro, yra nuostabu. Kadangi vienas kubitas vienu metu gali reikšti dvi skirtingas reikšmes, du kubitai vienu metu gali reikšti keturias (00, 01, 10 ir 11 dvejetainiu žymėjimu); keturi kubitai gali reikšti 16 reikšmių; aštuoni kubitai 256 reikšmės; ir taip toliau. Net santykinai mažas kvantinis kompiuteris, turintis kelias dešimtis tūkstančių kubitų, vienu metu galėtų atsižvelgti į tiek daug skirtingų reikšmių, kad galėtų sulaužyti visus žinomus kodus, paprastai naudojamus saugiam interneto ryšiui. Kvantiniai kompiuteriai taip pat gali būti naudojami greitesnėms duomenų bazių paieškoms arba sudėtingoms problemoms, kurių klasikiniai kompiuteriai negalėjo išspręsti visatoje, išspręsti. Mano kolegos iš MIT ir aš, kaip ir kiti mokslininkai visame pasaulyje, kuriame paprastus kvantinius kompiuterius ir vykdome kvantinius algoritmus nuo 1996 m. Kvantiniai kompiuteriai veikia taip, kaip žadėta. Jei juos galima padidinti iki tūkstančių ar dešimčių tūkstančių kubitų nuo dabartinio maždaug keliolikos dydžio, saugokitės!

Atsižvelgiant į jų galią perimti ir sutrikdyti slaptą ryšį, nenuostabu, kad kvantiniai kompiuteriai sulaukia įvairių JAV vyriausybinių agentūrų dėmesio. Nacionalinė saugumo agentūra, remianti kvantinių kompiuterių tyrimus, atvirai pareiškia, kad, atsižvelgiant į jos suinteresuotumą užtikrinti JAV vyriausybės ryšių saugumą, jai nepatinka, kai statomi kvantiniai kompiuteriai. Kita vertus, jei jas galima pastatyti, tai nori turėti pirmąjį.

Kvantinis skaičiavimas taip pat sulaukė komercinio susidomėjimo. Esant dabartiniam progreso tempui, iki didelių, kodus laužančių kvantinių kompiuterių liko mažiausiai dešimt metų, todėl privatus sektorius daugiausia dėmesio skiria dviem kvantinio skaičiavimo rūšims, kurios yra paprastesnės. Pirmąjį netrivialų kvantinio skaičiavimo tipą 1981 m. pasiūlė Nobelio premijos laureatas Richardas Feynmanas. Feynmanas tyrinėjo, kaip būtų galima imituoti kvantinius procesus didelės energijos fizikoje. Jis pažymėjo, kad klasikiniai kompiuteriai buvo prasti savo darbe dėl tos pačios priežasties, dėl kurios žmonėms kvantinė mechanika atrodo priešinga: nėra lengvo būdo pateikti bitą, kuris tuo pačiu metu registruoja 0 ir 1. Feynmanas pasiūlė, kad jei kompiuteris būtų kvantinis mechaninis, jam būtų lengviau susidoroti su kvantiniais procesais. 1996 m. parodžiau, kad Feynmanas buvo teisus ir sukūriau algoritmus, kurie leistų kvantiniam kompiuteriui imituoti kietojo kūno, chemines ir didelės energijos sistemas. Tokiam treniruokliui prireiktų vos šimto kubitų, kad jis galėtų pranokti visus įprastus superkompiuterius.

Antrasis kvantinio skaičiavimo tipas, žinomas kaip adiabatinis kvantinis skaičiavimas, yra ne tik lengvesnis nei kodų laužymas, bet ir potencialiai daug galingesnis. Adiabatinis kvantinis skaičiavimas yra ypač fizinis būdas išspręsti sudėtingas problemas.

Kaip ir visos fizinės sistemos, elektronai mieliau apsigyventų žemesnės nei didesnės energijos būsenose, ypač esant žemai temperatūrai. Fizinės sistemos, tokios kaip elektronas, energija priklauso nuo jos kaimynų būsenų. Vienas elektronas gali pasakyti savo besisukantiems kaimynams: Norėdami gauti mažesnę energiją, sukkitės pagal laikrodžio rodyklę. Kitas elektronas gali pasakyti: norėdami gauti mažesnę energiją, sukkitės prieš laikrodžio rodyklę. Mažiausia besisukančių elektronų, kaip bendruomenės, energijos būsena yra ta, kuri sumažina bendrą konfliktų tarp gretimų sukinių skaičių. Kad elektronų grupė rastų savo bendrąją žemiausios energijos būseną arba pagrindinę būseną, jie turi rasti būdų susitarti, kaip suderinti savo sukimus. Lygiai taip pat, kaip sudėtingą skaičiavimo problemą galima suskaidyti į apvertimo bitus, ją galima pateikti kaip tinkamos fizinės sistemos pagrindinę būseną.

Adiabatinis kvantinis skaičiavimas bando vaizduoti problemas kaip kvantinės sistemos sutrikimą, kad atsakymas būtų pateiktas sistemos prielaida apie naują pagrindinę būseną. Sukūrė Eddie Farhi ir Jeffrey Goldstone iš MIT ir Samas Gutmannas iš Šiaurės rytų universiteto. Jis veikia inicijuodamas kvantinę sistemą į paprastą pagrindinę būseną (pvz., visi sukasi pagal laikrodžio rodyklę), o tada palaipsniui arba adiabatiškai įjungia koduojančias sąveikas. problema. Jei šis įjungimo procesas yra pakankamai lėtas, sistema iš paprastos pradinės būsenos palaipsniui pereis į sudėtingą galutinę būseną.

Įdomiausias adiabatinio kvantinio skaičiavimo aspektas yra tai, kad niekas tiksliai nežino, ar jis veikia praktiškai. Gali būti, kad iškilus bet kokiai reikšmingai problemai, sistema turėtų išsipūsti taip lėtai, kad prireiktų visatos amžiaus, kad gautų atsakymą. Ir atvirkščiai, gali būti, kad net sunkiausia problema pasiduos adiabatiniam kvantiniam kompiuteriui. Nepaisant bendro fizikų ir matematikų būrio dėmesio, klausimas, ar adiabatinis kvantinis skaičiavimas veikia, lieka atviras. Dauguma ekspertų įtaria, kad jis negali išspręsti pačių sunkiausių skaičiavimo problemų. Tačiau įtarimas nėra įrodymas.

Kai teoretikai negali susitarti, eksperimentatoriai veržiasi į priekį. Kadangi visa adiabatinio kvantinio skaičiavimo esmė yra lėtas, o ne greitas, adiabatinius kvantinius kompiuterius iš principo sukurti yra daug lengviau nei bendrosios paskirties kodus laužančius kvantinius kompiuterius. Suprasdami šį pagrindinį dalyką, 2002 m. mano absolventas Billas Kaminsky ir aš sukūrėme adiabatinio kvantinio kompiuterio, pagrįsto superlaidžia technologija, projektą. Praėjusiais metais D-Wave Systems, kvantinių skaičiavimų startuolis Burnaby mieste, Britų Kolumbijoje, paskelbė, kad pagal mūsų dizainą sukūrė adiabatinį kvantinį kompiuterį. Tuo metu viskas pasidarė įdomu.

„D-Wave“ buvo įkurta šiek tiek mažiau nei prieš dešimtmetį, siekiant aiškaus tikslo sukurti komercinį kvantinį kompiuterį. Žaisdami su idėja sukurti kvantinį kompiuterį, kad būtų galima apskaičiuoti didelius skaičius, jo tyrinėtojai protingai apsisprendė ties paprastesnėmis ir vis dar potencialiai pelningomis kvantinio modeliavimo ir adiabatinio kvantinio skaičiavimo užduotimis. 2007 m. vasario mėn. Silicio slėnio kompiuterių istorijos muziejuje bendrovė pademonstravo 16 kubitų įrenginį, kuris, jos teigimu, gali išspręsti pakankamai sudėtingas optimizavimo problemas. Tai netgi gali padaryti Sudoku galvosūkius!

„D-Wave“ surinko apie 60 mln. USD finansavimą iš rizikos kapitalistų, tokių kaip Draper Fisher Jurvetson. Kaip privati ​​įmonė, ji pirmiausia yra atsakinga investuotojams, o ne mokslo bendruomenei. Taigi nenuostabu, kad paskelbdama savo sėkmę kuriant adiabatinį kvantinį kompiuterį, D-Wave daugiausia dėmesio skyrė komercinėms programoms, o ne mokslinėms detalėms. Nors rizikos kapitalo investuotojai buvo sužavėti pranešimo, kad bendrovė gavo dar vieną finansavimo etapą, mokslininkai buvo mažiau susijaudinę. Pranešime spaudai nebuvo pateikta jokių prietaiso specifikacijų, kurios leistų įvertinti jo teiginių mokslinį tikslumą. Atrodė, kad kompiuteris paprasčiausiai randa sprendimus atšaldydamas iki pradinės būsenos, tai yra gana nuobodus ir ne toks kvantinis mechaninis procesas, o ne atlikdamas aukščiau aprašytą subtilesnę adiabatinę procedūrą. Kai D-Wave nepateikė jokių konkrečių įrodymų, kad prietaisas iš tikrųjų atlieka kvantinį skaičiavimą, net patys labdaringiausi mokslo stebėtojai tiesiog manė, kad jo mokslininkai nežino, ar tai buvo, ar ne. (Žr. „Nesudėtinga D banga“) Mažiau labdaringi stebėtojai ištarė žodžius, kurių negaliu pasakyti šiame leidinyje. Savo ruožtu aš konfliktavau. Labai norėčiau sužinoti, ar adiabatinis kvantinis skaičiavimas veikia. Net jei šis metodas negali išspręsti pačių sunkiausių problemų, jei D-Wave sistema kai kuriais paprastais atvejais galėtų tiksliai parodyti adiabatinį kvantinį skaičiavimą, tai būtų Kaminskio ir mano projekto patvirtinimas. Vis dėlto atrodė, kad D-Wave ieško pinigų.

Praėjusį rudenį vandenys tapo skaidresni. D-Wave vyriausiasis teoretikas Mohammadas Aminas ir vyriausiasis eksperimentatorius Andrew Berkley lankėsi MIT kvantinių skaičiavimų bendruomenėje. Jie atvirai aptarinėjo mokslinius klausimus. Ne, jie pripažino, jie negalėjo įrodyti, kad tai, ką jie darė, buvo tikras adiabatinis kvantinis skaičiavimas, bet atrodė, kad tikriausiai taip yra. Kaip jie galėtų įtikinamai atsakyti į klausimą?

Superlaidaus kvantinio skaičiavimo pradininkai sugebėjo parodyti savo prietaisų kvantinį pobūdį, sujungdami juos greitais mikrobangų impulsais ir žiūrėdami į jų atsakymus. Tačiau tie įrenginiai nebuvo adiabatiški; jie veikė greičiu, panašiu į įprasto kompiuterio greitį. Priešingai, „D-Wave“ įrenginys yra tikslingai lėtas: todėl joks perjungimas neįmanomas. Dėl to yra ribotas skaičius eksperimentų, kurie gali parodyti, ar įrenginys tikrai atlieka kvantinį skaičiavimą. Tačiau vienas iš jų yra keisti įrenginio lėtumą nuo pradinės būsenos iki galutinės būsenos. Įpusėjus tekėjimo procesui, kompiuteris pasiekia tašką, kai jis turi pradėti daryti sunkius sprendimus, kurie veda į problemos sprendimą. Čia kompiuteris yra keistoje kvantinėje būsenoje, kai kiekvienas bitas registruoja 0 ir 1 tuo pačiu metu. Raginau D-Wave tyrėjus ištirti šį kritinį tašką ir ieškoti įspėjamųjų ženklų.

Visai neseniai kalbėjausi su Herbu Martinu, „D-Wave“ generaliniu direktoriumi, ir Geordie Rose, bendrovės vyriausiuoju technologijų pareigūnu ir įkūrėju, ir pabrėžiau, kad jie turi tęsti šiuos eksperimentus, jei jie tikrai nori paaiškinti, kaip veikia jų įrenginiai. Vienas eksperimentas, kurį rekomendavau Rose, yra specialus protokolas, skirtas sukurti ir patikrinti, ar yra vadinamoji Šriodingerio katės būsena, konkretus būsenos pavyzdys, kai visi kubitai vienu metu registruoja ir 0, ir 1. (Pavadinimas kilęs iš minties eksperimento, kurį pasiūlė vienas iš kvantinės mechanikos įkūrėjų Erwinas Schrödingeris, kuris įsivaizdavo kvantinę katę, kuri gali būti ir mirusi, ir gyva tuo pačiu metu.) Tiek Martinas, tiek Rose atrodo entuziastingai: jie puikiai žino. kad jei jie negalės įrodyti, kad jų prietaisas tikrai daro kažką kvantinio mechaninio, tada jų vardas mokslo bendruomenėje liks purvas.

Praėjusių metų lapkritį „D-Wave“ pademonstravo, kaip teigė, 28 kubitų adiabatinį kvantinį kompiuterį. Dabar bendrovės mokslininkai bando parodyti iš esmės kvantinį-mechaninį savo prietaiso pobūdį. Egzistuoja stipri motyvacija atlikti mokslą ir tai daryti teisingai. Inžinerija yra mokslas taip gerai žinomas, kad net tokie inžinieriai kaip aš gali tai padaryti. Jei negalite teisingai suprasti 16 kubitų kvantinio kompiuterio mokslo, tada jūsų tikimybė sukurti 512 kubitų ir 1 024 kubitų įrenginius (kiti planuojami D-Wave žingsniai) yra nuliniai. Kita vertus, jei „D-Wave“ gali patvirtinti, kad jos dabartinė sistema patenka į būseną, kai visi jos kubitai yra 0 ir 1 tuo pačiu metu, tada ji puikiai sugeba kurti sudėtingesnius kvantinius įrenginius.

Ir 16 kubitų superlaidus Schrödingerio katinas būtų gana šaunus.

Sethas Lloydas yra mechanikos inžinerijos profesorius ir MIT Ekstremalios kvantinės informacijos teorijos centro direktorius.

paslėpti