Beidzot ir klāt nopietni kvantu datori. Ko mēs ar viņiem darīsim?

Džeremijs Lībmans

Nelielā laboratorijā leknajos laukos apmēram 50 jūdzes uz ziemeļiem no Ņujorkas pie griestiem karājas sarežģīts cauruļu un elektronikas mudžeklis. Šis aprīkojuma haoss ir dators. Ne tikai jebkurš dators, bet arī tāds dators, kas, iespējams, tiks pārvarēts kā viens no svarīgākajiem pavērsieniem šīs jomas vēsturē.

Kvantu datori sola veikt aprēķinus, kas tālu pārsniedz jebkuru parasto superdatoru. Tie varētu mainīt jaunu materiālu atklāšanu, ļaujot simulēt matērijas uzvedību līdz atomu līmenim. Vai arī viņi var sabojāt kriptogrāfiju un drošību, uzlaužot citādi neuzvaramus kodus. Ir pat cerība, ka viņi uzlādēs mākslīgo intelektu, efektīvāk izpētot datus.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2018. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Tomēr tikai tagad, pēc gadu desmitiem ilga pakāpeniska progresa, pētnieki beidzot ir tuvu tam, lai izveidotu kvantu datorus, kas ir pietiekami jaudīgi, lai paveiktu lietas, ko parastie datori nespēj. Tas ir orientieris, kas nedaudz teatrāli nodēvēts par kvantu pārākumu. Google ir virzījies uz šo pavērsiena punktu, savukārt Intel un Microsoft arī pieliek ievērojamas pūles. Un tad ir labi finansēti jaunuzņēmumi, tostarp Rigetti Computing, IonQ un Quantum Circuits.

Daba ir kvanta, sasodīts! Tātad, ja mēs vēlamies to simulēt, mums ir nepieciešams kvantu dators.

Tomēr neviens cits pretendents nevar līdzināties IBM ciltsrakstam šajā jomā. Pirms 50 gadiem uzņēmums radīja sasniegumus materiālu zinātnē, kas lika pamatus datoru revolūcijai. Tāpēc pagājušā gada oktobrī es atrados IBM Tomasa J. Vatsona pētniecības centrā, lai mēģinātu atbildēt uz šiem jautājumiem: kam kvantu dators noderēs? Un vai praktisku, uzticamu vispār var uzbūvēt?

Kāpēc mēs domājam, ka mums ir nepieciešams kvantu dators

Pētniecības centrs, kas atrodas Yorktown Heights, nedaudz atgādina lidojošo šķīvīti, kā to iedomājās 1961. gadā. To projektēja neofutūrists arhitekts Ēro Sārinens, un tas tika uzcelts IBM ziedu laikos kā lielu lieldatoru biznesa iekārtu ražotājam. IBM bija pasaulē lielākais datoru uzņēmums, un desmit gadu laikā pēc pētniecības centra izveides tas bija kļuvis par piekto lielāko jebkura veida uzņēmumu pasaulē tūlīt aiz Ford un General Electric.

Lai gan no ēkas gaiteņiem paveras skats uz laukiem, dizains ir tāds, ka nevienam no iekšpuses birojiem nav logu. Vienā no šīm klostera istabām es satiku Čārlzu Benetu. Tagad viņam ir 70 gadi, viņam ir lielas, baltas sāniski, viņš valkā melnas zeķes ar sandalēm un pat valkā kabatas aizsargu ar pildspalvām. Vecu datoru monitoru, ķīmijas modeļu un, dīvainā kārtā, mazas disko bumbiņas ieskauts, viņš atcerējās kvantu skaitļošanas dzimšanu tā, it kā tā būtu vakar.

Čārlzs Benets no IBM Research ir viens no kvantu informācijas teorijas pamatlicējiem. Viņa darbs IBM palīdzēja izveidot teorētisko pamatu kvantu skaitļošanai. barteks sadovskis

Kad Benets 1972. gadā pievienojās IBM, kvantu fizika jau bija pusgadsimtu veca, taču skaitļošana joprojām balstījās uz klasisko fiziku un matemātisko informācijas teoriju, ko Klods Šenons bija izstrādājis MIT 50. gados. Tieši Šenons definēja informācijas daudzumu, ņemot vērā bitu skaitu (terminu viņš popularizēja, bet neieviesa), kas nepieciešams tās glabāšanai. Tie biti, 0 smiltis viens s binārā koda, ir visas parastās skaitļošanas pamatā.

Gadu pēc ierašanās Yorktown Heights Benets palīdzēja likt pamatus kvantu informācijas teorijai, kas to visu apstrīdētu. Tas balstās uz objektu savdabīgās uzvedības izmantošanu atomu mērogā. Šādā izmērā daļiņa var pastāvēt vienlaikus daudzos stāvokļos (piemēram, daudzās dažādās pozīcijās). Divām daļiņām var būt arī sapīšanās, tāpēc vienas stāvokļa maiņa var uzreiz ietekmēt otru.

Benets un citi saprata, ka dažus aprēķinus, kas ir eksponenciāli laikietilpīgi vai pat neiespējami, var efektīvi veikt ar kvantu parādību palīdzību. Kvantu dators informāciju glabātu kvantu bitos vai kubitos. Kubiti var pastāvēt superpozīcijās viens un 0 , un sapīšanos un triku, ko sauc par traucējumiem, var izmantot, lai atrastu risinājumu aprēķinam eksponenciāli lielā skaitā stāvokļu. Ir kaitinoši grūti salīdzināt kvantu un klasiskos datorus, taču rupji runājot, kvantu dators ar tikai dažiem simtiem kubitu spētu vienlaicīgi veikt vairāk aprēķinu, nekā ir atomi zināmajā Visumā.

1981. gada vasarā IBM un MIT organizēja ievērojamu pasākumu, ko sauca par pirmo aprēķinu fizikas konferenci. Tas notika Endicott House, franču stila savrupmājā netālu no MIT universitātes pilsētiņas.

Fotogrāfijā, ko Benets uzņēma konferences laikā, zālienā var redzēt vairākas ietekmīgākās figūras no skaitļošanas un kvantu fizikas vēstures, tostarp Konrāds Zuze, kurš izstrādāja pirmo programmējamo datoru, un Ričards Feinmans, nozīmīgs līdzstrādnieks kvantu teorija. Feinmens teica konferences galveno runu, kurā viņš izvirzīja ideju par skaitļošanu, izmantojot kvantu efektus. Benets man teica, ka lielākais kvantu informācijas teorijas stimuls bija Feinmena. Viņš teica: 'Daba ir kvanta, sasodīts!' Tātad, ja mēs vēlamies to simulēt, mums ir nepieciešams kvantu dators.

IBM kvantu dators — viens no daudzsološākajiem eksistējošajiem — atrodas gaitenī no Beneta biroja. Iekārta ir paredzēta, lai izveidotu un manipulētu ar būtisku kvantu datora elementu: kubitiem, kas glabā informāciju.

Šajā IBM laboratorijā atrodas kvantu mašīnas, kas savienotas ar mākoni. Džeremijs Lībmens

Plaisa starp sapni un realitāti

IBM mašīna izmanto kvantu parādības, kas rodas supravadošos materiālos. Piemēram, dažreiz strāva plūst pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam vienlaikus. IBM dators izmanto supravadošās shēmas, kurās divi atšķirīgi elektromagnētiskās enerģijas stāvokļi veido kubitu.

Supravadīšanas pieejai ir galvenās priekšrocības. Aparatūru var izgatavot, izmantojot vispāratzītas ražošanas metodes, un sistēmas vadīšanai var izmantot parasto datoru. Ar kubitiem supravadītājā ķēdē ir arī vieglāk manipulēt un tie ir mazāk delikāti nekā atsevišķi fotoni vai joni.

IBM kvantu laboratorijā inženieri strādā pie datora versijas ar 50 kubitiem. Jūs varat palaist vienkārša kvantu datora simulāciju parastā datorā, taču ar aptuveni 50 kubitiem tas kļūst gandrīz neiespējami. Tas nozīmē, ka IBM teorētiski tuvojas punktam, kurā kvantu dators var atrisināt problēmas, kuras nevar atrisināt klasiskais dators: citiem vārdiem sakot, kvantu pārākums.

Bet, kā jums pateiks IBM pētnieki, kvantu pārākums ir nenotverams jēdziens. Lai nevainojami darbotos, jums būs nepieciešami visi 50 kubiti, lai gan patiesībā kvantu datori ir pakļauti kļūdām, kas ir jālabo. Ir arī velnišķīgi grūti uzturēt kubitus jebkurā laika periodā; tiem ir tendence atdalīties vai zaudēt savu smalko kvantu dabu, līdzīgi kā dūmu gredzens saplīst pie mazākās gaisa straumes. Un jo vairāk kubitu, jo grūtāk kļūst abi izaicinājumi.

Ja jums būtu 50 vai 100 kubiti un tie patiešām darbotos pietiekami labi un būtu pilnībā izlaboti, jūs varētu veikt neizdibināmus aprēķinus, kurus nevar atkārtot nevienā klasiskajā mašīnā, tagad vai jebkad, saka Roberts Šoelkopfs, Jēlas profesors un dibinātājs. no uzņēmuma Quantum Circuits. Kvantu skaitļošanas otrā puse ir tā, ka pastāv eksponenciāli veidi, kā tā var noiet greizi.

Mikroshēmas IBM kvantu datorā (apakšā) ir atdzesētas līdz 15 milikelviniem. Džeremijs Lībmens

Vēl viens piesardzības iemesls ir tas, ka nav skaidrs, cik noderīgs būtu pat perfekti funkcionējošs kvantu dators. Tas vienkārši nepaātrina jebkuru jūsu uzdevumu; patiesībā daudziem aprēķiniem tas faktiski būtu lēnāks nekā klasiskās mašīnas. Līdz šim ir izstrādāti tikai daži algoritmi, kuros kvantu datoram nepārprotami būtu priekšrocības. Un pat tiem šī mala varētu būt īslaicīga. Slavenākais kvantu algoritms, ko izstrādājis Pīters Šors MIT, ir paredzēts vesela skaitļa galveno faktoru atrašanai. Daudzas izplatītas kriptogrāfijas shēmas balstās uz to, ka parastajam datoram to ir grūti izdarīt. Taču kriptogrāfija varētu pielāgoties, radot jauna veida kodus, kas nav balstīti uz faktorizēšanu.

Ažiotāžu izraisa apziņa, ka kvantu skaitļošana patiesībā ir reāla. Tas vairs nav fiziķa sapnis — tas ir inženiera murgs.

Šī iemesla dēļ, pat tuvojoties 50 kubitu pavērsienam, paši IBM pētnieki vēlas kliedēt ažiotāžu ap to. Pie galdiņa gaitenī, no kura paveras skats uz lekno zālienu ārpusē, es satiku Džeju Gambetu, garu, vieglu austrālieti, kurš pēta kvantu algoritmus un iespējamos IBM aparatūras lietojumus. Mēs esam šajā unikālajā posmā, viņš teica, rūpīgi izvēloties vārdus. Mums ir šī ierīce, kas ir sarežģītāka, nekā jūs varat simulēt klasiskajā datorā, taču tā vēl nav vadāma tik precīzi, lai jūs varētu izpildīt zināmos algoritmus.

IBMeriem dod cerību, ka pat nepilnīgs kvantu dators joprojām varētu būt noderīgs.

Saistīts stāsts

Saistīts stāsts

Gambetta un citi pētnieki ir pievērsušies pielietojumam, ko Feinmens izdomāja 1981. gadā. Ķīmiskās reakcijas un materiālu īpašības nosaka mijiedarbība starp atomiem un molekulām. Šīs mijiedarbības regulē kvantu parādības. Kvantu dators var — vismaz teorētiski — tos modelēt tā, kā parasts dators to nespēj.

Pagājušajā gadā Gambetta un kolēģi no IBM izmantoja septiņu kubitu mašīnu, lai modelētu precīzu berilija hidrīda struktūru. Tikai trīs atomos tā ir vissarežģītākā molekula, kas jebkad modelēta ar kvantu sistēmu. Galu galā pētnieki varētu izmantot kvantu datorus, lai izstrādātu efektīvākas saules baterijas, efektīvākas zāles vai katalizatorus, kas saules gaismu pārvērš tīrā degvielā.

Tie mērķi ir tālu. Bet Gambetta saka, ka var būt iespējams iegūt vērtīgus rezultātus no kļūdām pakļautas kvantu mašīnas, kas savienota pārī ar klasisko datoru.

No fiziķa sapņa līdz inženiera murgam

Ažiotāžu izraisa apziņa, ka kvantu skaitļošana patiesībā ir reāla, saka Īzaks Čuangs, gudrs, maigi runājošs MIT profesors. Tas vairs nav fiziķa sapnis — tas ir inženiera murgs.

Čuangs vadīja dažu senāko kvantu datoru izstrādi, strādājot IBM Almadenā, Kalifornijā, deviņdesmito gadu beigās un 2000. gadu sākumā. Lai gan viņš vairs nestrādā pie tiem, viņš domā, ka esam kaut kā ļoti liela sākumā — kvantu skaitļošanai galu galā pat būs nozīme mākslīgajā intelektā.

Taču viņam ir arī aizdomas, ka revolūcija īsti nesāksies, kamēr jauna studentu un hakeru paaudze nespēlēs ar praktiskām mašīnām. Kvantu datoriem ir vajadzīgas ne tikai dažādas programmēšanas valodas, bet arī principiāli atšķirīgs domāšanas veids par to, kas ir programmēšana. Kā saka Gambetta: mēs īsti nezinām, kas ir ekvivalents vārdam “Sveika, pasaule” kvantu datorā.

Mēs sākam to noskaidrot. 2016. gadā IBM mākonim pievienoja nelielu kvantu datoru. Izmantojot programmēšanas rīku komplektu QISKit, varat tajā palaist vienkāršas programmas; tūkstošiem cilvēku, sākot no akadēmiskiem pētniekiem un beidzot ar skolēniem, ir izveidojuši QISKit programmas, kas darbina pamata kvantu algoritmus. Tagad Google un citi uzņēmumi arī ievieto savus topošos kvantu datorus tiešsaistē. Ar tiem neko daudz nevar izdarīt, taču tie vismaz sniedz cilvēkiem ārpus vadošajām laboratorijām nobaudīt gaidāmo.

Jaunuzņēmumu kopiena arī kļūst sajūsmā. Īsu brīdi pēc IBM kvantu datora apskatīšanas es devos uz Toronto Universitātes biznesa skolu, lai piedalītos kvantu jaunuzņēmumu prezentācijas konkursā. Uzņēmēju komandas nervozi piecēlās un prezentēja savas idejas profesoru un investoru grupai. Viens uzņēmums cerēja izmantot kvantu datorus, lai modelētu finanšu tirgus. Cits plānoja likt viņiem izstrādāt jaunas olbaltumvielas. Vēl viens vēlējās izveidot progresīvākas AI sistēmas. Istabā netika atzīts, ka katra komanda piedāvāja biznesu, kura pamatā ir tik revolucionāra tehnoloģija, ka tā tik tikko pastāv. Tikai daži šķita, ka šis fakts bija nobiedēts.

Šis entuziasms varētu izzust, ja pirmie kvantu datori lēnām atradīs praktisku pielietojumu. Labākais minējums no tiem, kuri patiešām zina grūtības, piemēram, Benets un Čuangs, ir tāds, ka pirmās noderīgas mašīnas vēl ir pēc vairākiem gadiem. Un tas ir, pieņemot, ka lielas kubitu kolekcijas pārvaldības un manipulācijas problēma galu galā neizrādīsies neatrisināma.

Tomēr eksperti tur cerības. Kad jautāju, kāda varētu būt pasaule, kad izaugs mans divus gadus vecais dēls, Čuangs, kurš mācījās lietot datorus, spēlējoties ar mikroshēmām, atbildēja ar smaidu. Varbūt jūsu bērnam būs komplekts kvantu datora izveidei, viņš teica.

paslēpties