Braukšana ar D-viļņu

Datori apstrādā informāciju, sadalot to pēc iespējas mazākos gabalos, ko sauc par bitiem. Nedaudz atspoguļo atšķirību starp divām iespējām: patiesa un nepatiesa, jā un nē, vai, kā tos parasti attēlo, 1 un 0.

Foršs dators: Ierīce, kas pazīstama kā atšķaidīšanas ledusskapis (parādīts iepriekš), tiek izmantota, lai inicializētu D Wave kvantu datoru, nogādājot to sākotnējā stāvoklī, atdzesējot līdz gandrīz absolūtai nullei.

Mūra likuma (kurā noteikts, ka datori kļūst ātrāki par diviem koeficientiem ik pēc pusotra gada) beigu punkts ir dators, kas ir tik spēcīgs, ka informācijas bitu glabāšanai izmanto atsevišķus atomus: vienu atomu, vienu bitu. Ja mēs varētu strādāt subatomiskos mērogos un uzglabāt bitus uz elektroniem vai kvarkiem, mēs varētu iet tālāk. Bet paliksim pie tā, ko mēs zināt mēs varam izdarīt.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2008. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Ja pašreizējais miniaturizācijas temps saglabāsies, jūsu dators aptuveni 2050. gadā saglabās vienu bitu vienā atomā. Taču ir dabiski jautāt, vai mēs patiešām varam panākt bitu–atomu korespondenci. Jāatzīmē, ka laboratorijā jau pastāv datoru prototipi, kas glabā bitus uz atsevišķiem atomiem. Šos datorus sauc par kvantu datoriem, jo ​​tie uzglabā un apstrādā informāciju mērogos, kuros valda kvantu mehānikas likumi.

Kvantu mehānika ir fizikas nozare, kas regulē to, kas notiek ļoti mazos mērogos. Tās principi ir ļoti dīvaini, tāpēc ir dabiski, ka arī kvantu datoriem jābūt dīvainiem. Parastais elektroniskais dators, kurā katrs bits reģistrē 0 vai 1, ir paverdzināts ar bināro loģiku; bet kvantu bits jeb kubits var reģistrēt 0 un 1 vienlaicīgi, parādība, kas pazīstama kā superpozīcija. Ko nozīmē, ka kvantu bits vienlaikus reģistrē 0 un 1? Precīza atbilde ir tāda, ka neviens to nezina. Kvantu mehānikas pretintuitīvais raksturs neļauj mūsu prātam saprast, kā darbojas kvantu biti. Tomēr, tā kā kvantu mehānikas likumi ir precīzi formulēti, mēs varam paredzēt, ko darīs kvantu datori.

Un tas, ko viņi dara, ir ievērojams. Tā kā viens kubits vienlaikus var attēlot divas dažādas vērtības, divi kubiti vienlaikus var attēlot četras (00, 01, 10 un 11 binārajā apzīmējumā); četri kubiti var attēlot 16 vērtības; astoņi kubiti 256 vērtības; un tā tālāk. Pat salīdzinoši mazs kvantu dators, kurā bija daži desmiti tūkstošu kubitu, varētu vienlaikus ņemt vērā tik daudz dažādu vērtību, ka tas varētu izjaukt visus zināmos kodus, ko parasti izmanto drošai interneta saziņai. Kvantu datorus var izmantot arī ātrākai datu bāzu meklēšanai vai sarežģītu problēmu risināšanai, kuras klasiskie datori visu laiku nevarēja atrisināt. Mani kolēģi MIT un es esam veidojuši vienkāršus kvantu datorus un izpildām kvantu algoritmus kopš 1996. gada, tāpat kā citi zinātnieki visā pasaulē. Kvantu datori darbojas, kā solīts. Ja tos var palielināt līdz tūkstošiem vai desmitiem tūkstošu kubitu no to pašreizējā lieluma apmēram desmitiem, uzmanieties!

Ņemot vērā to spēju pārtvert un izjaukt slepenos sakarus, nav pārsteidzoši, ka kvantu datoriem ir pievērsta dažādu ASV valdības aģentūru uzmanība. Nacionālā drošības aģentūra, kas atbalsta pētījumus kvantu skaitļošanas jomā, atklāti paziņo, ka, ņemot vērā tās interesi nodrošināt ASV valdības sakaru drošību, ir pretīgi redzēt kvantu datoru būvniecību. No otras puses, ja tos var uzbūvēt, tad tā grib pirmo.

Kvantu aprēķini ir arī piesaistījuši komerciālu interesi. Pašreizējos progresa tempos lieli, kodu sadaloši kvantu datori ir vismaz desmit gadu attālumā, tāpēc privātais sektors koncentrējas uz diviem kvantu skaitļošanas veidiem, kas ir vienkāršāki. Pirmo netriviālo kvantu skaitļošanas veidu ierosināja Nobela prēmijas laureāts Ričards Feinmens 1981. gadā. Feinmens pētīja, kā varētu simulēt kvantu procesus augstas enerģijas fizikā. Viņš atzīmēja, ka klasiskie datori bija slikti savā darbā tā paša iemesla dēļ, kāpēc cilvēkiem kvantu mehānika šķiet pretrunīga: nav vienkārša veida, kā attēlot bitu, kas vienlaikus reģistrē 0 un 1. Feinmens ierosināja, ka, ja dators būtu kvantu mehānisks, tam varētu būt vieglāk tikt galā ar kvantu procesiem. 1996. gadā es parādīju, ka Feinmens ir pareizs, un izveidoju algoritmus, kas ļautu kvantu datoram simulēt cietvielu, ķīmiskās un augstas enerģijas sistēmas. Šādam simulatoram būtu nepieciešami tikai simts kubiti, lai tas spētu pārspēt visus parastos superdatorus.

Otrs kvantu skaitļošanas veids, kas pazīstams kā adiabātiskā kvantu skaitļošana, ir ne tikai vienkāršāks nekā koda sadalīšana, bet arī potenciāli daudz jaudīgāks. Adiabātiskā kvantu skaitļošana ir īpaši fizisks veids, kā mēģināt atrisināt smagas problēmas.

Tāpat kā visas fiziskās sistēmas, elektroni labprātāk apdzīvotu zemākas enerģijas stāvokļus, nevis augstākus enerģijas stāvokļus, īpaši zemās temperatūrās. Fiziskās sistēmas, piemēram, elektrona, enerģija ir atkarīga no tās kaimiņu stāvokļiem. Viens elektrons varētu pateikt saviem rotējošiem kaimiņiem: Lai iegūtu mazāku enerģiju, grieziet pulksteņrādītāja virzienā. Cits elektrons varētu teikt: Lai iegūtu mazāku enerģiju, grieziet pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Zemākais enerģijas stāvoklis rotējošajiem elektroniem kā kopienai ir tāds, kas samazina kopējo konfliktu skaitu starp blakus esošajiem spiniem. Lai elektronu grupa atrastu savu komunālo zemākās enerģijas stāvokli vai pamatstāvokli, viņiem ir jāatrod veidi, kā vienoties par to, kā saskaņot savus griezienus. Tādā pašā veidā, kā sarežģītu skaitļošanas problēmu var sadalīt pagriešanas bitos, to var izvirzīt kā piemērotas fiziskās sistēmas pamatstāvokļa atrašanu.

Adiabātiskais kvantu aprēķins mēģina attēlot problēmas kā kvantu sistēmas traucējumus, lai atbildi attēlotu sistēmas pieņēmums par jaunu pamatstāvokli. To izstrādāja Edijs Farhi un Džefrijs Goldstouns no MIT un Sems Gūtmans Ziemeļaustrumu universitātē, tas darbojas, inicializējot kvantu sistēmu vienkāršā pamatstāvoklī (piemēram, visi griežas pulksteņrādītāja virzienā) un pēc tam pakāpeniski vai adiabātiski ieslēdzot kodējošo mijiedarbību. problēma. Ja šis ieslēgšanas process ir pietiekami lēns, sistēma pakāpeniski pāries no vienkāršā sākuma stāvokļa uz sarežģīto gala stāvokli.

Interesantākais adiabātiskā kvantu skaitļošanas aspekts ir tas, ka neviens droši nezina, vai tas darbojas praksē. Var gadīties, ka jebkuras nozīmīgas problēmas gadījumā sistēmai vajadzētu izplūst tik lēni, ka atbildes sniegšanai būtu vajadzīgs Visuma vecums. Un otrādi, var gadīties, ka pat vissmagākā problēma padosies adiabātiskajam kvantu datoram. Neskatoties uz fiziķu un matemātiķu saskaņoto uzmanību, jautājums par to, vai adiabātiskā kvantu skaitļošana darbojas, joprojām ir atklāts. Lielākajai daļai ekspertu ir aizdomas, ka tas nevar atrisināt visgrūtākās skaitļošanas problēmas. Bet aizdomas nav pierādījums.

Kad teorētiķi nevar vienoties, eksperimentālisti virzās uz priekšu. Tā kā visa adiabātiskā kvantu skaitļošanas jēga ir darboties lēni, nevis ātri, adiabātiskos kvantu datorus principā ir ievērojami vieglāk uzbūvēt nekā vispārējas nozīmes kodu sadalīšanas kvantu datorus. Apzinoties šo galveno punktu, 2002. gadā mans absolvents Bils Kaminskis un es izveidojām adiabātiska kvantu datora dizainu, kura pamatā ir supravadīšanas tehnoloģija. Pagājušajā gadā D-Wave Systems, kvantu skaitļošanas starta uzņēmums Bērnabijā, Britu Kolumbijā, paziņoja, ka ir izveidojis adiabātisku kvantu datoru, pamatojoties uz mūsu dizainu. Tajā brīdī lietas kļuva interesantas.

D-Wave tika dibināts nedaudz mazāk nekā pirms desmit gadiem ar nepārprotamu mērķi izveidot komerciālu kvantu datoru. Pēc tam, kad bija izmēģinājis ideju izveidot kvantu datoru, lai faktorētu lielus skaitļus, tā pētnieki saprātīgi apmetās vienkāršākiem un joprojām potenciāli ienesīgākiem kvantu simulācijas un adiabātiskās kvantu skaitļošanas uzdevumiem. 2007. gada februārī Silīcija ielejas Datoru vēstures muzejā uzņēmums demonstrēja 16 kubitu ierīci, kas, pēc tā apgalvojuma, varētu atrisināt samērā sarežģītas optimizācijas problēmas. Tas pat varētu veikt Sudoku mīklas!

D-Wave ir piesaistījis aptuveni 60 miljonus USD finansējumu no riska kapitālistiem, piemēram, Draper Fisher Jurvetson. Kā privāts uzņēmums tas galvenokārt ir atbildīgs saviem investoriem, nevis zinātnieku aprindām. Tāpēc nebija pārsteigums, ka, paziņojot par saviem panākumiem adiabātiskā kvantu datora izveidē, D-Wave koncentrējās uz komerciāliem lietojumiem, nevis uz zinātniskām detaļām. Lai gan riska kapitālistus pārsteidza šis paziņojums, pievēršot uzņēmumam vēl vienu finansējuma kārtu, zinātnieki bija mazāk satraukti. Paziņojumā presei netika sniegtas ierīces specifikācijas, kas ļautu novērtēt tās apgalvojumu zinātnisko precizitāti. Šķita iespējams, ka dators vienkārši atrod risinājumus, to atdzesējot līdz pamatstāvoklim, kas ir diezgan blāvs un ne pārāk kvantu mehānisks process, nevis veicot iepriekš aprakstīto smalkāko adiabātisko procedūru. Kad D-Wave nesniedza nekādus konkrētus pierādījumus, ka ierīce patiešām veic kvantu aprēķinus, pat vislabvēlīgākie zinātniskie novērotāji vienkārši pieņēma, ka tā zinātnieki nezina, vai tā ir vai nav. (Skatīt Desultory D-Wave ) Mazāk labdarīgi vērotāji izteica vārdus, par kuriem es nevaru ziņot šajā publikācijā. No savas puses es biju pretrunīgs. Es patiešām vēlētos uzzināt, vai adiabātiskā kvantu aprēķins darbojas. Pat ja šī pieeja nevar atrisināt visgrūtākās problēmas, ja D-Wave sistēma dažos vienkāršos gadījumos varētu veikt precīzi definētu adiabātiskā kvantu skaitļošanas demonstrāciju, tas būtu Kaminska un mana dizaina apstiprinājums. Tomēr pašreizējā situācijā šķita, ka D-Wave lika lietā naudu.

Pagājušajā rudenī ūdeņi kļuva skaidrāki. D-Wave galvenais teorētiķis Mohammads Amins un tā galvenais eksperimentālists Endrjū Bērklijs apmeklēja MIT kvantu skaitļošanas kopienu. Viņi atklāti apsprieda zinātniskos jautājumus. Nē, viņi atzina, ka viņi nevarēja pierādīt, ka tas, ko viņi dara, bija patiesi adiabātiski kvantu aprēķini, taču izskatījās, ka tas tā ir. Kā viņi varēja pārliecinoši atbildēt uz šo jautājumu?

Supravadošo kvantu aprēķinu pionieri bija spējuši demonstrēt savu ierīču kvantu raksturu, pārspējot tās ar ātriem mikroviļņu impulsiem un aplūkojot viņu atbildes. Bet šīs ierīces nebija adiabātiskas; tie darbojās ar ātrumu, kas salīdzināms ar parastā datora ātrumu. Turpretim D-Wave ierīce ir mērķtiecīgi lēna: tāpēc nav iespējama saspiešana. Rezultātā ir ierobežots skaits eksperimentu, kas var norādīt, vai ierīce patiešām veic kvantu aprēķinus. Tomēr viens no tiem ir mainīt lēnumu, ar kādu ierīce izplūst no sākotnējā stāvokļa līdz galīgajam stāvoklim. Pusceļā izplūdes procesam dators nonāk punktā, kurā tam jāsāk izdarīt smagas izvēles, kas noved pie problēmas risinājuma. Šeit dators atrodas dīvainā kvantu stāvoklī, kurā katrs bits vienlaikus reģistrē 0 un 1. Es mudināju D-Wave pētniekus izpētīt šo kritisko punktu un meklēt signālu zīmes.

Pavisam nesen es runāju ar Herb Martin, D-Wave izpilddirektoru, un Džordiju Rouzu, uzņēmuma galveno tehnoloģiju vadītāju un līdzdibinātāju, un uzsvēru, ka viņiem ir jāveic šie eksperimenti, ja viņi patiešām vēlas izskaidrot, kā viņu ierīces darbojas. Viens eksperiments, ko es ieteicu Rouzam, ir īpašs protokols tā sauktā Šrēdingera kaķa stāvokļa izveidošanai un pārbaudei, kas ir īpašs stāvokļa gadījums, kurā visi kubiti vienlaikus reģistrē gan 0, gan 1. (Nosaukums cēlies no domu eksperimenta, ko ierosinājis viens no kvantu mehānikas pamatlicējiem Ervins Šrēdingers, kurš iztēlojās kvantu kaķi, kas vienlaikus varētu būt gan miris, gan dzīvs.) Gan Mārtins, gan Roze šķiet entuziasma pilni: viņi to labi apzinās. ka, ja viņi nevar pierādīt, ka viņu ierīce patiešām dara kaut ko kvantu mehānisku, tad viņu vārds zinātnieku aprindās paliks dubļi.

Pagājušā gada novembrī D-Wave demonstrēja, kā apgalvoja, 28 kubitu adiabātisko kvantu datoru. Tagad uzņēmuma zinātnieki mēģina demonstrēt savas ierīces fundamentāli kvantu mehānisko raksturu. Ir spēcīga motivācija veikt zinātni un iegūt to pareizi. Inženierzinātnes ir tik labi izveidota zinātne, ka pat tādi inženieri kā es to var izdarīt. Ja nevarat pareizi apgūt zinātni par 16 kubitu kvantu datoru, jūsu izredzes izveidot 512 kubitu un 1024 kubitu ierīces (D-Wave nākamās plānotās darbības) ir nulle. No otras puses, ja D-Wave var apstiprināt, ka tā pašreizējā sistēma nonāk stāvoklī, kurā visi tās kubiti vienlaikus ir 0 un 1, tad tai ir laba iespēja izveidot sarežģītākas kvantu ierīces.

Un 16 kubitu supravadošs Šrēdingera kaķis būtu diezgan foršs.

Sets Loids ir mašīnbūves profesors un MIT Ekstrēmas kvantu informācijas teorijas centra direktors.

paslēpties