Apa itu komputer kuantum dan dari mana ia terdiri? Tidak semua komputer berhak mendapat nama sedemikian. Mengapa begitu dan mengapa pemasangan sedemikian diperlukan, jelas Christopher Monroe, profesor di University of Maryland dan salah satu pemain utama dalam "perlumbaan kuantum" global.
Pusat Kuantum Rusia kerap mengadakan persidangan antarabangsa utama di Moscow yang dikhaskan untuk pengembangan teknologi kuantum dan aplikasi praktikalnya. Bukan hanya penyelidik terkemuka yang mengambil bahagian dalam kerjanya, tetapi juga wakil-wakil dari perniagaan dan pegawai kerajaan Rusia dan asing yang besar.
Tahun ini, persidangan ini dihadiri oleh pemimpin tiga pasukan saintifik yang memimpin dalam penciptaan sistem pengkomputeran kuantum yang kompleks. Selain Mikhail Lukin, seorang profesor di Universiti Harvard (AS), yang pertama kali mengumumkan penciptaan komputer 51-qubit yang memecahkan rekod pada persidangan sebelumnya, Profesor Christopher Monroe dan Harmut Neven turut serta di dalamnya.
Monroe, yang bekerja hari ini di University of Maryland (Amerika Syarikat), mencipta mesin yang berkuasa hampir sama dengan rakan sejawatannya dari Rusia-Amerika, menggunakan prinsip yang serupa, tetapi sedikit berbeza.
Dia berbicara mengenai arah di mana sistem ini berkembang, bagaimana ia berbeza dari "pesaing" dan di mana sempadan terletak di antara komputer kuantum sebenar yang sepenuhnya sesuai dengan istilah ini, dan sistem pengkomputeran yang dibangun berdasarkan prinsip-prinsip klasik.
Keunggulan kuantum
Komputer kuantum adalah alat pengkomputeran khas yang kekuatannya berkembang secara eksponensial kerana penggunaan undang-undang mekanik kuantum dalam karya mereka. Semua peranti tersebut terdiri daripada qubit - sel memori dan pada masa yang sama modul pengkomputeran primitif yang mampu menyimpan pelbagai nilai antara sifar dan satu.
Video promosi:
Hari ini, terdapat dua pendekatan utama untuk pengembangan peranti sedemikian - klasik dan adiabatik. Penyokong yang pertama dari mereka berusaha untuk membuat komputer kuantum universal, di mana qubit akan mematuhi peraturan yang digunakan oleh peranti digital biasa. Bekerja dengan peranti pengkomputeran seperti ini, idealnya, tidak akan jauh berbeza dengan bagaimana jurutera dan pengaturcara mengendalikan komputer konvensional.
Komputer adiabatik lebih mudah dibuat, tetapi lebih dekat dalam prinsip operasinya dengan menambahkan mesin, peraturan slaid dan komputer analog pada awal abad ke-20, dan bukan ke peranti digital pada zaman kita. Terdapat juga pendekatan hibrid yang menggabungkan ciri kedua mesin. Antaranya, menurut Monroe, boleh dikaitkan dengan komputer Mikhail Lukin.
Menurut Monroe, ini disebabkan oleh fakta bahawa sel memori di mesinnya dibina berdasarkan ion ytterbium logam nadir bumi, yang keadaannya tidak berubah ketika dimanipulasi dengan sinar laser. Komputer kuantum Lukin, pada gilirannya, dibina berdasarkan apa yang disebut atom Rydberg, yang tidak dilindungi dari pengaruh tersebut.
Mereka adalah atom rubidium-87 atau logam alkali lain, yang elektron bebasnya "didorong" jauh dari nukleus menggunakan denyut gelombang laser atau radio khas. Oleh kerana itu, ukuran atom meningkat sekitar satu juta kali, yang mengubahnya menjadi qubit, tetapi, seperti yang dijelaskan oleh Monroe, tidak membenarkannya dipindahkan tanpa merubah struktur ini dan menghancurkan keadaan kuantum.
Ketiadaan masalah seperti itu dalam ion, menurut ahli fizik Amerika, membolehkan pasukannya membuat bukan hibrid, tetapi komputer kuantum yang dikendalikan sepenuhnya, yang para saintis qubit dapat memanipulasi secara langsung dalam proses pengkomputeran.
Sebagai contoh, tiga tahun yang lalu, jauh sebelum penciptaan mesin yang lebih besar, Monroe dan pasukannya mengumumkan bahawa mereka telah berjaya membuat komputer kuantum yang dapat diprogram semula, yang terdiri daripada lima sel memori. Mesin sederhana ini, berkat fleksibiliti yang tinggi, membolehkan ahli fizik melaksanakan beberapa program kuantum di atasnya sekaligus.
Secara khusus, mereka berjaya menjalankan algoritma Deutsch-Joji, Bernstein-Vazirani pada komputer mini ini, serta membuat versi kuantum transformasi Fourier, landasan kriptografi dan pemecahannya.
Kejayaan ini, serta kesukaran menyimpan sejumlah besar ion dalam perangkap, catatan Monroe, mendorongnya untuk berfikir bahawa sistem pengkomputeran kuantum harus dibina modular daripada monolitik. Dengan kata lain, komputer kuantum "serius" tidak akan mewakili keseluruhan keseluruhan, tetapi sejenis rangkaian, yang terdiri daripada banyak modul yang serupa dan cukup sederhana.
Kekosongan yang tidak sempurna
Sistem seperti itu, seperti yang dinyatakan oleh profesor Amerika, sudah ada, tetapi belum digunakan dalam prototaip komputer kuantum untuk satu alasan mudah - sistem ini berfungsi lebih kurang seratus kali lebih lambat daripada qubit itu sendiri. Walaupun begitu, dia percaya bahawa masalah ini dapat diselesaikan sepenuhnya, kerana ia mempunyai kejuruteraan dan bukan bersifat saintifik.
Masalah berpotensi lain yang akan mengganggu operasi komputer kuantum monolitik atau hanya besar ialah kekosongan, seperti yang dikatakan oleh Monroe, tidak sempurna. Selalu mengandungi sebilangan kecil molekul, masing-masing dapat bertabrakan dengan qubit atom dan mengganggu kerja mereka.
Satu-satunya cara untuk mengatasi ini adalah dengan menyejukkan komputer kuantum, sedekat mungkin ke sifar mutlak. Pasukan Monroe belum terlibat dalam hal ini, kerana jumlah qubit di mesin mereka kecil, tetapi pada masa akan datang masalah ini pasti harus diselesaikan.
Pendekatan modular, seperti yang disarankan oleh profesor Amerika, akan menjadi cara lain untuk menyelesaikan masalah ini, kerana ia akan membolehkan komputer pecah menjadi banyak bahagian bebas yang mengandungi sejumlah kecil qubit. Secara teori, ia tidak akan berjalan secepat mesin monolitik, tetapi akan mengatasi masalah "vakum yang tidak sempurna", kerana modul akan lebih mudah disejukkan dan dikendalikan.
Bilakah masa ini akan tiba? Seperti yang dicadangkan oleh Monroe, dalam tiga hingga lima tahun ke depan, mesin akan dibuat yang merangkumi beberapa ratus qubit. Mereka akan dapat melakukan beberapa puluhan ribu operasi dan tidak memerlukan sistem penyejukan atau pembetulan ralat yang melampau untuk beroperasi.
Mesin sedemikian akan dapat menyelesaikan banyak masalah praktikal yang rumit, tetapi mereka tidak akan menjadi komputer yang lengkap dalam pengertian klasik perkataan. Untuk melakukan ini, anda perlu menambah bilangan qubit dan "mengajar" mereka untuk membetulkan kesilapan secara bebas dalam pekerjaan mereka. Ini, menurut ahli fizik, akan memakan masa lima tahun lagi.
Perlumbaan terakhir perlumbaan
Komputer kuantum kompleks pertama, menurut Monroe, akan dibangun berdasarkan teknologi ionik atau atom, kerana semua varian qubit lain, termasuk sel memori semikonduktor yang menjanjikan, belum mencapai tahap pengembangan yang serupa.
“Setakat ini, ini semua eksperimen makmal universiti. Qubit ini tidak dapat digunakan untuk membuat gerbang logik lengkap. Oleh itu, saya setuju dengan Mikhail bahawa rakan sekerja kami dari Australia, Intel dan pasukan lain harus menyelesaikan banyak masalah praktikal sebelum mereka dapat membuat sistem pengkomputeran yang lengkap,”kata ahli fizik.
Bagaimana menentukan pemenang dalam "perlumbaan kuantum" ini? Dua tahun yang lalu, Monroe dan rakan-rakannya cuba menjawab soalan ini dengan mengadakan ujian perbandingan komputer kuantum pertama. Mereka memilih komputer kuantum IBM berdasarkan qubit superkonduktor sebagai pesaing untuk versi pertama mesin mereka.
Untuk membandingkannya, ahli fizik dan pengaturcara dari University of Maryland menyiapkan set pertama "penanda aras kuantum" - algoritma mudah yang mengukur ketepatan dan kelajuan komputer ini. Ujian itu tidak menunjukkan pemenang langsung - komputer Monroe dan pasukannya menang dengan tepat, tetapi kalah dengan pantas oleh mesin IBM.
Pada masa yang sama, Monroe percaya bahawa apa yang disebut keunggulan kuantum - penciptaan komputer kuantum, tingkah laku yang tidak dapat dikira dengan kaedah lain - tidak akan menjadi pencapaian ilmiah atau praktikal yang serius.
Masalahnya terletak pada konsep itu sendiri. Di satu pihak, eksperimen kami dengan lima dozen qubit, seperti eksperimen Mikhail, membantu mengira perkara-perkara yang sebaliknya tidak dapat dikira. Di sisi lain, ini tidak boleh disebut keunggulan, kerana kita tidak dapat membuktikan bahawa itu benar-benar tidak dapat dihitung dengan cara lain. Keunggulan kuantum akan muncul cepat atau lambat, tetapi secara peribadi saya tidak akan mengejarnya,”saintis itu menekankan.
Kesukaran lain terletak pada kenyataan bahawa kita belum dapat memastikan dengan pasti masalah mana yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum dan di mana aplikasi mereka akan paling wajar dan berguna. Untuk ini, perlu bahawa persekitaran saintifik dan seluruh masyarakat mula menganggap mesin tersebut sebagai alat yang berpatutan dan universal.
Misteri kuantum alam semesta
Atas sebab ini, profesor Amerika tidak percaya bahawa sistem pengkomputeran adiabatik seperti peranti D-Wave boleh disebut komputer kuantum. Karya mereka, menurut ahli fizik, didasarkan pada prinsip fizikal sepenuhnya klasik yang tidak ada kaitan dengan mekanik kuantum sebenar.
“Walaupun begitu, komputer analog seperti ini sangat menarik dari sudut praktikal. Anda hanya boleh mengambil beberapa magnet, memasangkannya ke jejaring segitiga, dan mengesan tingkah lakunya. Eksperimen ini tidak akan ada kaitan dengan fizik kuantum, tetapi mereka akan memungkinkan pengiraan pengoptimuman yang kompleks. Pelabur berminat dengan mereka, yang bermaksud bahawa ini tidak dilakukan dengan sia-sia,”sambung profesor.
Tugas apa yang dapat diselesaikan oleh komputer kuantum yang "nyata"? Seperti yang dinyatakan oleh Monroe, dalam beberapa tahun kebelakangan ini, banyak pasukan fizik lain telah menghubungi pasukannya. Mereka merancang untuk menggunakan mesin mereka untuk menyelesaikan banyak masalah saintifik penting yang tidak dapat dikira pada komputer konvensional.
Setakat ini, eksperimen yang sama, seperti yang diakui oleh ahli fizik, dapat dilakukan pada superkomputer biasa. Sebaliknya, pada tahun-tahun mendatang, jumlah qubit dalam mesin kuantum akan meningkat dengan ketara, yang menjadikan pekerjaan mereka tidak dapat dihitung.
Ini akan memperluaskan kebolehgunaannya dan menjadikan eksperimen seperti itu salah satu cara paling menarik dan unik untuk mengkaji objek terbesar dan paling misteri di Alam Semesta, serta menyelesaikan banyak tugas sehari-hari, seperti mencari jalan atau menguruskan ekonomi, kata penyelidik.
