Rosyjscy naukowcy ustanowili światowy rekord w dziedzinie obliczeń kwantowych.

Niektórzy wciąż uważają technologie kwantowe za coś zbliżonego do alchemii, a nawet ezoteryki, i generalnie w nie nie wierzą. Tymczasem technologie kwantowe, obok mikroelektroniki, nowych materiałów i eksploracji kosmosu, są jednym z głównych tematów rozmów głowy państwa z szefami korporacji państwowych i Rosyjską Akademią Nauk. Oznacza to, że mają one pewne zalety i musimy zrozumieć, przynajmniej w dość uproszczonym sensie, czym są.

Niepodzielna „cząstka-fala”

W podręcznikach czytamy, że kwant to najmniejsza, niepodzielna część wielkości fizycznej, takiej jak energia czy światło. Oznacza to, że kwant światła to pojedynczy foton, kwant materii to atom, a kwant ładunku to ładunek elektronu... Kwanty zachowują się zarówno jak cząstki, jak i fale, posiadając właściwość jednoczesnego występowania w kilku stanach. Na przykład elektron w atomie nie ma ustalonej trajektorii obrotu wokół jądra, jak planeta wokół Słońca. Możemy zmierzyć jego energię lub prędkość, ale nie możemy precyzyjnie określić jego położenia bez zmiany jego stanu.

Ten stan niepewności nazywa się superpozycją. Aby zilustrować tę zasadę, austriacki fizyk Erwin Schrödinger zaproponował w połowie lat 30. XX wieku eksperyment myślowy: kota umieszczono w ciemnym pudełku ze śmiertelną trucizną, która z pewnym prawdopodobieństwem mogła zadziałać lub nie. Zatem dopóki pudełko nie zostanie otwarte (czyli system nie zostanie zatrzymany), nie wiemy, czy kot jest martwy, czy żywy, a zatem znajduje się on w superpozycji „żywy-martwy”.

Kolejną fundamentalną cechą mechaniki kwantowej jest splątanie kwantowe. Oznacza to, że stany dwóch lub więcej cząstek mogą być tak ściśle ze sobą powiązane, że nie da się ich opisać oddzielnie, niezależnie od odległości między nimi. „Wyczuwają” się wzajemnie, że tak powiem, z dużej odległości, a zmiana stanu jednej cząstki natychmiast pociąga za sobą zmianę stanu drugiej. Bardzo prostym przykładem tej zasady są skarpetki. Wyobraź sobie, że kupiłeś w sklepie nową parę nieodróżnialnych skarpetek. Dajesz jedną skarpetkę znajomemu, który jedzie do Władywostoku, a drugą zatrzymujesz. Skąd wiesz, która skarpetka trafiła do Władywostoku – lewa czy prawa? Nigdy się tego nie dowiesz, dopóki nie wykonasz określonej czynności ze swoją skarpetką – czyli jej nie założysz. Jeśli założysz skarpetkę na prawą stopę, to we Władywostoku automatycznie będzie to twoja lewa skarpetka.

Opisane zasady są wykorzystywane do stworzenia komputera kwantowego. Na przykład, w komputerze klasycznym podstawową jednostką informacji jest bit, który może znajdować się tylko w jednym z dwóch stanów – „0” lub „1” („wyłączony” lub „włączony”). W komputerze kwantowym odpowiednikiem bitu jest kubit, który może znajdować się nie tylko w stanie „0” lub „1”, ale także w superpozycji obu, czyli jednocześnie reprezentować obie wartości z określonym prawdopodobieństwem. Wykorzystując superpozycję i splątanie, komputery kwantowe teoretycznie są w stanie rozwiązywać pewne problemy znacznie szybciej niż najpotężniejsze klasyczne superkomputery.

Czy system binarny zniknie?

Chociaż koncepcja komputerów kwantowych została po raz pierwszy zaproponowana w 1980 roku przez radzieckiego naukowca Jurija Manina i Amerykanina Paula Benioffa, wyścig kwantowy rozpoczął się dopiero w 2018 roku (Rosja dołączyła w 2020 roku). Jak twierdzą twórcy, koncepcja „komputera kwantowego” jest wciąż w powijakach i będzie potrzebowała dużo czasu, aby dojrzeć.

Jednak wielu już deklaruje, że po pełnym rozwinięciu ten cud technologii i ludzkiej myśli będzie się bardziej różnił od współczesnej technologii abakusa niż współczesny komputer od... abakusa. O ile drewniany abakus i nasz codzienny komputer osobisty są przecież ogniwami tego samego systemu binarnego, o tyle technologia abakusa kwantowego będzie się znacząco różnić, pozwalając ludziom wejść w zupełnie inny świat problemów i rozwiązań, tak jak stworzenie statku kosmicznego pozwoliło nam kiedyś opuścić Ziemię i wkroczyć w przestrzeń kosmiczną. Przypomnijmy sobie teraz, jaki odsetek ludzi u zarania ery kosmicznej wierzył, że to się kiedykolwiek wydarzy?

Oczekuje się, że „kosmiczne” przyspieszenie obliczeń na komputerze kwantowym pomoże w tworzeniu spersonalizowanych leków, zgłębianiu tajemnic mózgu i tworzeniu najbardziej niezawodnych systemów ochrony danych, czyli szyfrowania. Komputer kwantowy nie zastąpi jednak komputera, o którym napisano ten artykuł. Dlaczego? Ponieważ będzie on miał inne zadania, wykraczające poza możliwości komputera konwencjonalnego, tak jak zadania rakiety kosmicznej wykraczają poza możliwości naszego ziemskiego pociągu dużych prędkości.

Architekci komputerowi

Rozwój komputerów kwantowych opartych jednocześnie na czterech różnych platformach kwantowych jest obecnie uważany za obiecujący: neutralnych atomach, fotonach, nadprzewodnikach i jonach. Rosja, jako lider w tej dziedzinie, również rozwija te obszary. Eksperci są przekonani, że ta różnorodność pozwoli nam osiągnąć maksymalne rezultaty w różnych obszarach informatyki. Możliwe jest również, że z czasem jedno z tych podejść rozwojowych stanie się ślepą uliczką lub że wyłoni się nowy, obiecujący kierunek.

Za najbardziej zaawansowaną technologię uważa się obecnie tworzenie kubitów w oparciu o obwody nadprzewodzące. Rekordzistą w tej klasie jest 1121-kubitowy procesor kwantowy Condor firmy IBM.

Ale sama liczba kubitów, jak twierdzi Ilja Semerikow, twórca rosyjskiego 50-kubitowego komputera kwantowego opartego na jonach, niewiele nam mówi. W komputerze kwantowym jakość obliczeń i minimalizacja błędów są szczególnie ważne i pod tym względem nasz komputer jest niemal tak dobry, jak ten oparty na 1121 kubitach. Osiągnięcie jednak dokładności 56-kubitowego komputera kwantowego opartego na jonach Quantinuum H2-1 będzie wymagało pewnego nakładu pracy.

Według Semerikowa, rosyjski komputer wykorzystuje łańcuch jonów iterbu jako kubity. Technologia kubitów jonowych opiera się na wykorzystaniu pól elektromagnetycznych do uwięzienia pojedynczych jonów w przestrzeni. Cząsteczki te są „zawieszone” w pułapce i pozostają praktycznie nieruchome, co zmniejsza zakłócenia zewnętrzne i pozwala na utrzymanie ich stanu kwantowego przez stosunkowo długi czas. W pułapce jonowej cząstki są chłodzone do temperatury bliskiej zera absolutnego, a ich stanem można manipulować za pomocą impulsów laserowych. Sekwencja tych impulsów stanowi podstawę algorytmów kwantowych.

Rosyjski komputer ma zatem mniej kubitów niż amerykański, ale ta niewielka liczba jednostek informacji jest rekompensowana wysoką niezawodnością działania. Naukowcy z FIAN przetestowali oryginalny pomysł, wykorzystując nie prosty kubit (dwupoziomowy układ kwantowy), lecz czteropoziomowy – układ kuditowy – jako pojedynczą jednostkę obliczeniową, która jest od 2 do 6 razy wydajniejsza, w zależności od zastosowanych algorytmów obliczeniowych.

Mistrzowie subtelnych stanów

W przypadku niektórych algorytmów ta konkretna architektura okazała się korzystniejsza, co skłoniło naszych naukowców do wdrożenia w zeszłym roku tzw. algorytmów Grovera, które oferują znaczne przyspieszenie algorytmów przeszukiwania niesortowanych i nieuporządkowanych baz danych. W ramach eksperymentu wytrenowali sieć neuronową do sortowania odręcznych obrazów cyfr za pomocą komputera kwantowego.

Niedawno naukowcy z Instytutu Fizyki wyróżnili się, jako pierwsi na świecie zademonstrowali operację splątania wielokubitowego, „bramkę Toffoliego”, na swoim komputerze kwantowym, z maksymalną liczbą kubitów. Wyniki opublikowano niedawno w prestiżowym czasopiśmie fizycznym „Physical Review Letters”.

Odniesienie MK: Bramka Toffoliego to element logiki kwantowej, „dźwignia” działająca na trzy kubity (bity kwantowe). Zmienia stan trzeciego kubita tylko wtedy, gdy pierwsze dwa kubity znajdują się w stanie „1” (czyli wyświetlają prawidłową wartość). W przeciwnym razie nie zmienia trzeciego kubita i nie ma wpływu na pierwsze dwa.

„To była uogólniona wielokubitowa operacja logiczna na 10 kubitach” – wyjaśnia Ilja Semerikow. „Do tej pory jest to największa tego typu operacja udokumentowana w światowej literaturze naukowej. Ta bramka (lub „dźwignia”) ma zastosowanie do kilku algorytmów kwantowych jednocześnie, w tym do algorytmu korekcji błędów. To, co zademonstrowaliśmy, jest w dużej mierze zasługą naszych teoretyków z grupy Aleksieja Fiodorowa; opracowali oni sposób wykorzystania wielopoziomowych układów kwantowych do wykonania tej wielocząstkowej operacji, powiedzmy, w 10 krokach zamiast 100.

– Jaką wydajność wykazały już komputery kwantowe w porównaniu do komputerów konwencjonalnych?

– Wcale nie… Nie ma jeszcze żadnych użytecznych zadań, w których komputery kwantowe przewyższałyby komputery klasyczne. Do takiego rezultatu dążą dziś naukowcy na całym świecie.

– Ale czytałem na przykład o nowych lekach na raka, które już są odkrywane przy użyciu komputerów kwantowych...

Na razie mówimy o komputerach kwantowych wykonujących określone obliczenia w celu osiągnięcia celu końcowego. Na razie są to projekty pilotażowe, mające na celu nauczenie się pracy z komputerami kwantowymi. Pozwólcie, że podam wam analogię: macie maszynę, która dobrze liczy od 1 do 100, a ja przychodzę do was z inną, która potrafi liczyć tylko do 3, ale bardzo szybko. Mówią: „Dobrze, zwiększcie jej moc 30 razy, a wtedy zobaczymy, czy będzie liczyć do 100”. To jest poziom naszych dzisiejszych komputerów kwantowych.

Sztuczna inteligencja, kolejna obiecująca technologia, wydaje się być znacznie bardziej zaawansowana. Czy wysiłki mające na celu stworzenie „dojrzałego” komputera kwantowego pójdą na marne?

„Z pewnością sztuczna inteligencja przynosi obecnie bardzo dobre rezultaty. Jeśli chodzi o tworzenie leków i złożonych związków chemicznych, sieci neuronowe osiągają obecnie znacznie lepsze rezultaty. Wykorzystujemy je również do optymalizacji naszego komputera kwantowego. Jest jednak pewna różnica: sztuczna inteligencja działa tylko wtedy, gdy mamy do czynienia z dużą próbką, konkretną bazą danych, a jej zadaniem jest jedynie „odgadnięcie” i „uzupełnienie” obrazu, jakiego oczekuje klient – ​​człowiek. Komputer kwantowy może jednak działać bez żadnych danych początkowych ani wcześniejszego szkolenia.

– Ale co pozwala nam wierzyć w jego przyszłe możliwości?

„Ogólnie rzecz biorąc, komputer kwantowy sam w sobie wciąż zaskakuje. Wielu, nawet wśród programistów, wciąż nie rozumie, jak może on wykonywać nawet proste obliczenia! Światowy rekord, który zademonstrowaliśmy dzięki algorytmowi Toffoliego, to ważny wynik na drodze do rzeczywistych, praktycznych zastosowań w przyszłości. Komputer kwantowy powinien wspomagać komputer klasyczny w rozwiązywaniu potencjalnie bardziej złożonych problemów, takich jak modelowanie fundamentalnie nowych materiałów i związków chemicznych, złożona logistyka i energia. Algorytmy dla takich problemów są znane, ale aby działały, komputer kwantowy musi stać się o kilka rzędów wielkości potężniejszy niż obecnie. Teoretycy kwantowi i algorytmicy również kontynuują swoje prace i mam nadzieję, że wkrótce zobaczymy nowe klasy algorytmów kwantowych”.