Fizik kuantum mengatur segala yang mengelilingi kita. Adakah mungkin untuk mengubah seluruh Alam Semesta menjadi komputer kuantum, akankah alien menyadarinya, dan mengapa mesin sedemikian sangat diperlukan - Jacob Biamonte, seorang profesor Skoltech, salah seorang pakar terkemuka dalam bidang ini, menjawab soalan-soalan ini dan memberitahu bagaimana dia berakhir di Rusia.
Masa depan cerah
Saya pertama kali datang ke Rusia lebih dari sepuluh tahun yang lalu, dan sama sekali tidak melakukan fizik. Saya gemar seni mempertahankan diri, termasuk sambo, dan datang ke sini untuk belajar dan bertukar pengalaman. Kemudian saya mengetahui bahawa ada semua syarat di sini untuk melakukan sains lanjutan, menarik para saintis dari seluruh dunia untuk bekerjasama,”kata saintis itu.
Hari ini dia mengetuai makmal kuantum Deep, yang dibuat dua tahun lalu dalam rangka Skoltech untuk menyatukan usaha ahli fizik, matematik, pengaturcara dan jurutera Rusia dan asing yang mengkaji masalah yang berkaitan dengan perkembangan sistem pengkomputeran kuantum.
"Kami tidak menangani praktik, tetapi semua teori dan" perisian "aspek pengkomputeran kuantum, dan kami berinteraksi dengan eksperimen, termasuk saintis Skoltech dan pakar dari Universiti Negeri Moscow, RCC dan ITMO. Kami terbuka untuk bekerjasama dan bersedia membantu mana-mana eksperimen yang mengkaji masalah seperti itu,”kata profesor itu.
Apakah komputer kuantum? Secara semula jadi, ia berbeza secara radikal dari peranti pengkomputeran klasik, yang membolehkan operasi matematik sederhana atau kompleks pada nombor atau set data dinyatakan sebagai nol dan satu.
Dalam sepupu kuantum komputer klasik, yang prinsipnya dirumuskan lebih dari 30 tahun yang lalu oleh ahli fizik Soviet Yuri Manin, maklumat dikodekan dengan cara yang secara asasnya berbeza. Sel memori asas, yang disebut qubit, tidak boleh mengandungi sifar atau satu, tetapi keseluruhan spektrum nilai dalam selang di antara keduanya.
Video promosi:
Akibatnya, kekuatan komputer sedemikian berkembang secara eksponen: tingkah laku pemproses kuantum dengan beberapa puluhan qubit tidak dapat dihitung walaupun dengan bantuan superkomputer klasik yang paling kuat.
Untuk masa yang lama, mesin seperti itu tetap menjadi subjek fiksyen sains dan penyelidikan teori oleh ahli fizik, tetapi dalam 15 tahun terakhir, saintis telah membuat kejayaan dalam membuat qubit dan menggabungkannya menjadi sistem yang lebih kompleks. Versi komputer kuantum yang paling maju yang dikembangkan di Google, IBM, dan di Universiti Harvard oleh kumpulan Mikhail Lukin mengandungi 20 hingga 50 qubit.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fizik di Institut Sains dan Teknologi Skolkovo.
Walaupun terdapat kemajuan ini, para pemaju mesin ini menganggap bahawa sistem pengkomputeran lengkap yang mampu menyelesaikan masalah tidak akan muncul dalam masa 10-20 tahun lagi. Menariknya, anggaran ini tidak berubah sejak akhir 1990-an, tetapi beberapa masalah baru selalu muncul, setiap kali menolak "masa depan kuantum yang cerah" yang tidak pernah datang.
Seperti yang dinyatakan oleh Biamonte dalam kuliah sains popularnya, dia mengambil kedudukan yang istimewa: menurutnya, sistem pengkomputeran kuantum "berguna" akan muncul lebih awal, tetapi sama sekali tidak akan dibayangkan oleh masyarakat umum dan media.
Hari ini ada satu masalah besar dalam fizik, yang pada masa yang sama adalah kelebihan utamanya. Eksperimen menjalankan semuanya. Untuk beberapa sebab, mereka berpendapat bahawa eksperimen lebih penting bagi sains daripada teori. Berkat wang yang dilaburkan di bidang ini, fizik teori hampir musnah,”kata Biamonte.
Profesor itu sendiri merujuk kepada dirinya sebagai wakil fizik teori klasik, yang ideanya menguasai sains satu abad yang lalu, pada peringkat pertama kelahiran mekanik kuantum dan fizik Einstein moden. Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, orang seperti dia terpaksa berpindah ke jabatan matematik, di mana mereka lebih selesa.
“Eksperimen, termasuk pencipta komputer kuantum, hanya mementingkan reka bentuk mereka sendiri. Dengan beberapa pengecualian, mereka tidak berminat dengan apa yang diketahui mengenai kemampuan peranti sedemikian secara umum. Ini mempengaruhi mental mereka dan membuat mereka tidak memberi penilaian yang rasional, tetapi emosi,”jelas penyelidik.
Sebagai contoh, masih belum ada bukti yang jelas bahawa komputer kuantum dapat mengungguli rakan-rakan klasik mereka dalam kelajuan pengkomputeran. Pada masa yang sama, Biamonte menyatakan, jika kita menggeneralisasi semua model yang dipermudahkan yang menunjukkan beberapa aspek keunggulan ini, kita akan mendapat bukti yang cukup meyakinkan yang memihak kepada kelebihan kalkulator kuantum.
Di satu pihak, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin dan pemimpin lain dalam bidang ini betul: komputer kuantum benar-benar tidak akan datang. Sebaliknya, dalam hal ini kita bercakap mengenai mesin universal yang mampu memperbaiki kesilapan mereka sendiri,”kata ahli fizik.
Kekurangan kemampuan sedemikian dalam komputer, menekankan Biamonte, tidak menjadikannya sama sekali tidak berguna atau rendah diri.
Mesin penambah atom
“Ada banyak contoh sistem kuantum yang tidak memiliki kemampuan ini. Tingkah laku mereka sangat sukar dikira dengan menggunakan komputer biasa. Oleh itu, penciptaan sistem kuantum yang mensimulasikan proses sedemikian akan memungkinkan kita melakukan pengiraan yang sesuai dan mendapatkan sesuatu yang berguna,”kata saintis itu.
Idea ini jauh dari baru - disuarakan oleh ahli fizik Amerika terkenal Richard Feynman hanya dua tahun selepas penerbitan artikel pertama Manin. Seperti yang dinyatakan oleh Biamonte, para eksperimen secara aktif mengembangkan sistem seperti ini dalam beberapa tahun terakhir, dan para ahli teori memikirkan di mana ia dapat diterapkan.
Peranti pengkomputeran analog seperti itu, yang disebut komputer adiabatik, atau "penyepuhlindapan" dalam istilah ahli fizik, tidak perlu menggunakan kesan kuantum - kerana banyak masalah, interaksi klasik antara atom sudah mencukupi.
"Terdapat tiga jenis komputer seperti ini - mesin penyepuhlindapan klasik, rakan sejawatnya yang dipercepat kuantum, dan pemproses kuantum lengkap berdasarkan gerbang logik kuantum. Yang terakhir dibuat di makmal IBM, yang pertama - di Fujitsu, yang kedua - di D-Wave, "kata saintis itu.
Biamonte dan rakannya Skoltech paling berminat dengan mesin kelas ketiga. Peranti sedemikian, katanya, agak sukar dibuat, tetapi ia dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah pengoptimuman yang paling kompleks: dari pembelajaran mesin hingga pengembangan ubat baru.
Mesin ini sangat menarik, tetapi peranti sebenar pertama jenis ini hanya akan muncul dalam beberapa tahun. Sebaliknya, mungkin untuk membuat penyekat anime klasik dan kuantum sekarang. Dan sekarang, dalam praktiknya, mereka tetap menjadi komputer kuantum yang paling berguna,”tambah Biamonte.
Banyak proses dalam fizik zarah, penyelidik meneruskan, diprogramkan secara semula jadi sedemikian rupa sehingga mereka mengoptimumkan diri mereka, berusaha untuk mencapai minimum tenaga. Oleh itu, jika kita belajar mengawal proses-proses ini, kita dapat membuat satu set atom atau beberapa objek lain melakukan pengiraan ini untuk kita.
Mengapa membuang banyak waktu CPU pada pengoptimuman seperti itu, jika dapat dilakukan dengan alat penyepuhlindapan klasik atau perangkat kuantum yang serupa dengan D-Wave? Secara kiasan, mengapa, ketika mengkaji angin, gunakan terowong angin maya, jika kita sudah mempunyai yang sebenarnya? Banyak syarikat Rusia memikirkannya, dan kami secara aktif bekerjasama dengan mereka,”saintis menekankan.
Penyelesaian eksperimen yang berjaya ini akan membuka jalan untuk pengembangan agen penyepuhlindapan kuantum, di mana prinsip-prinsip fizik kuantum digunakan untuk mempercepat interaksi antara atom dan zarah lain. Sudah tentu, beberapa tugas ilmiah tidak akan tersedia untuk mereka, tetapi mereka dapat menyelesaikan banyak masalah sehari-hari, seperti pengoptimuman lalu lintas atau pengurusan portfolio saham.
Sebilangan besar pemerhati, kata profesor Skoltech, percaya bahawa Google akan menang dalam perlumbaan kuantum. Biamonte tidak bersetuju dengan perkara ini: wakil syarikat California sangat gemar membincangkan kejayaan mereka, tetapi mereka hampir tidak pernah menerbitkan artikel ilmiah dan tidak mendedahkan rahsia peranti mesin kuantum mereka.
Pada pendapatnya, jurutera IBM paling dekat dengan tujuan - komputer syarikat ini benar-benar berfungsi, dan mereka dapat diperiksa pada bila-bila masa melalui sistem awan khas. Tetapi skala masih cukup terbatas, dan mesin ini belum dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah yang rumit.
Galaksi berfikir
Sekiranya sistem "serius" seperti ini diciptakan dalam waktu dekat, timbul persoalan semula jadi: apa yang dapat dibuat, ukuran apa yang dapat mereka capai, dan bagaimana mereka akan mempengaruhi kehidupan kita?
Menurut Biamonte sendiri, tidak ada batasan fizikal asas untuk komputer kuantum (atau peranti penyepuhlindapan) dengan berjuta-juta qubit. Sebaliknya, benar-benar tidak dapat difahami berapa banyak qubit yang akan ada dalam kenyataan, kerana kita sekarang berada di tahap awal pengembangan teknologi kuantum.
“Sejauh ini, kami berusaha menyesuaikan teknologi yang sudah ada di industri elektronik agar dapat bekerja dengan komputer kuantum. Namun, tidak ada yang yakin bahawa ini adalah cara yang betul. Terdapat sistem yang lebih sesuai untuk membina mesin kuantum. Walau bagaimanapun, mereka lebih sukar untuk diuruskan,”jelas saintis itu.
Contohnya, kecacatan khas di dalam intan diasingkan dari dunia luar sebagai atom tunggal dalam ruang kosong. Berapa banyak titik yang boleh dimasukkan dalam satu intan dan seberapa dekatnya satu sama lain tanpa mengganggu kerja jiran masih belum jelas. Jawapan untuk soalan ini menentukan sama ada berlian akan digunakan dalam komputer kuantum.
Mesin kuantum yang sangat besar, seperti yang dinyatakan oleh profesor Skoltech, akan menyelesaikan bukan sahaja masalah praktikal yang berkaitan dengan kehidupan manusia sehari-hari, tetapi juga teka-teki ilmiah yang paling menarik.
Mungkin mereka akan mendedahkan sifat graviti kuantum dan menguji teori simetri masa Biamonte dengan memerhatikan sama ada mereka terganggu ketika cuba memecahkan simetri ini atau membalikkan masa ketika melakukan pengiraan pada mesin tersebut.
Apabila manusia telah menangani tugas-tugas ini, apa yang akan dilakukan oleh sains seterusnya? Soalan ini, kata Biamonte, secara paradoks berkaitan dengan pencarian kehidupan luar angkasa dan bagaimana perwakilan tamadun asing dapat menandakan keberadaan mereka.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte dan rakan-rakannya di makmal kuantum Deep.
Bayangkan kita akan menundukkan semua tenaga dan kekuatan alam semesta. Apa yang akan kita buat dahulu? Sudah tentu, kita boleh memusnahkan diri kita, tetapi ada senario yang lebih menarik. Sebagai contoh, kita akan memiliki kesempatan untuk mempercepat gerakan Bumi ke kecepatan yang sangat tinggi dan meninggalkan komputer di orbit,”kata ahli fizik.
Menurut teori relativiti, masa di planet ini akan menjadi perlahan. Sekiranya kita menghabiskan puluhan tahun di negeri ini, mesin pengkomputeran kuantum atau komputer biasa di "dunia luar" akan berfungsi selama beberapa milenium. Selain itu, ini tidak semestinya komputer buatan manusia, peranannya dapat dimainkan oleh pelbagai objek angkasa - awan gas raksasa, misalnya.
"Berapa kerap anda boleh melakukan ini? Tidak ada batasan eksplisit untuk "mempercepat pengiraan", tetapi kita semua tahu bahawa Alam Semesta akhir tidak akan menjadi tempat yang sangat menarik bagi kita. Bintang-bintang secara beransur-ansur akan mulai memudar, dan galaksi menjadi tidak dapat dilihat satu sama lain kerana pengembangan alam semesta,”kata profesor itu.
Renungan serupa menimbulkan persoalan semula jadi: jika manusia dapat melakukannya, apa yang menghalang makhluk asing melakukan perkara yang sama? Oleh itu, beberapa jejak pengkomputeran kuantum "ruang" atau rakan klasiknya mesti ada di ruang angkasa. Apa yang akan menunjukkan ini, komputer kuantum raksasa makhluk asing?
"Saya tidak dapat memberikan jawaban yang tepat untuk pertanyaan tentang apa itu atau untuk mencadangkan bagaimana mencarinya. Pada masa yang sama, kewujudan "kalkulator sejagat" seperti itu nampaknya jauh lebih mungkin daripada kemunculan spontan "planet pintar" dan objek kosmik lain yang mampu menyedari diri mereka sendiri, yang sering dibincangkan oleh ahli falsafah "kuantum", menyimpulkan Biamonte.
