A kvantumfizika mindent irányít, ami körülvesz bennünket. Lehet-e kvantumszámítógéppé alakítani az egész Univerzumot, észreveszik-e az idegenek, és miért van szükségük ilyen gépekre? Jacob Biamonte, a Skoltech professzor, ezen a területen az egyik vezető szakértő válaszol ezekre a kérdésekre, és elmondja, hogy került Oroszországba.
Fényes jövő
„Először több mint tíz évvel ezelőtt jöttem Oroszországba, és egyáltalán nem fizikát végeztem. Szeretem a harcművészeteket, beleértve a szamót is, és idejöttem ide tanulni és tapasztalatcserét folytatni. Később megtudtam, hogy itt vannak minden körülmény a fejlett tudomány elvégzéséhez, és a világ minden tájáról származó tudósok vonzása az együttműködéshez”- mondja a tudós.
Ma vezeti a mély kvantumlaboratóriumokat, amelyeket két évvel ezelőtt a Skoltech keretében hoztak létre, hogy egyesítsék az orosz és a külföldi fizikusok, matematikusok, programozók és mérnökök erőfeszítéseit, amelyek a kvantumszámítási rendszerek fejlesztésével kapcsolatos problémákat vizsgálják.
„Nem a gyakorlattal foglalkozunk, hanem a kvantumszámítás valamennyi elméleti és“szoftver”aspektusával, és kapcsolatba lépünk kísérletezőkkel, köztük a Skoltech tudósaival és a Moszkvai Állami Egyetem, az RCC és az ITMO szakembereivel. Nyitottak vagyunk az együttműködésre és készen állunk arra, hogy segítsen az ilyen kérdéseket tanulmányozó kísérletezőkben”- folytatja a professzor.
Mi a kvantumszámítógép? A természetéből adódóan radikálisan különbözik a klasszikus számítástechnikai eszközöktől, amelyek egyszerű vagy összetett matematikai műveleteket tesznek lehetővé nullákkal és nullákkal kifejezett számok vagy adatkészletek esetén.
A klasszikus számítógépek kvantum unokatestvéreiben, amelyek elveit több mint 30 évvel ezelőtt a szovjet fizikus, Jurij Manin fogalmazta meg, az információ alapvetően más módon van kódolva. Az elemi memóriacellák, az úgynevezett kvitek nem tartalmazhatnak sem nullát, sem egyet, hanem az értékek teljes spektrumát közöttük.
Promóciós videó:
Ennek eredményeként az ilyen számítógépek teljesítménye exponenciálisan növekszik: a több tíz kvitet tartalmazó kvantumprocesszor viselkedése még a legerősebb klasszikus szuperszámítógépek segítségével sem számítható ki.
Az ilyen gépek sokáig a fizikusok tudományos-fantasztikus és elméleti kutatásainak tárgyát képezték, ám az elmúlt 15 évben a tudósok áttörést mutattak a kvitek létrehozásában és a bonyolultabb rendszerekbe történő kombinálásában. A kvantumszámítógépek legfejlettebb verziói, amelyeket a Google-ban, az IBM-ben és a Harvard Egyetemen fejlesztettek ki Mikhail Lukin csoportja, 20-50 kvbitből állnak.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, a Skolkovo Tudományos és Technológiai Intézet fizika professzora.
A fejlemények ellenére ezeknek a gépeknek a fejlesztői feltételezik, hogy bármilyen probléma megoldására képes teljes értékű számítási rendszer nem fog megjelenni hamarosan, 10-20 év alatt. Érdekes módon ez a becslés nem változott az 1990-es évek vége óta, de folyamatosan felmerül néhány új probléma, minden alkalommal félrehúzva a soha nem megjelenő „fényes kvantum jövőt”.
Amint Biamonte megjegyezte a népszerű tudományos előadásain, különleges álláspontot képvisel: véleménye szerint a „hasznos” kvantumszámítási rendszerek sokkal korábban jelennek meg, ám ezek egyáltalán nem olyanok, amilyeneket a nagyközönség és a média elképzel.
„A fizikában jelenleg van egy nagy probléma, amely ugyanakkor a fő előnye. A kísérletezők mindent futtatnak. Valami okból úgy gondolják, hogy a kísérletek sokkal fontosabbak a tudomány számára, mint az elmélet. Az e területre fektetett pénznek köszönhetően az elméleti fizika gyakorlatilag megsemmisült”- mondja Biamonte.
Maga a professzor magát a klasszikus elméleti fizika képviselőjének nevezi, amelynek ötletei a tudományban évszázaddal ezelőtt uralkodtak, a kvantummechanika és a modern Einstein fizika születésének első szakaszában. Az utóbbi évtizedekben a hozzá hasonló embereknek matematikai osztályokra kellett költözniük, ahol sokkal kényelmesebbek.
„A kísérletezők, köztük a kvantumszámítógépek alkotói, csak a saját dizájnjaikról törődnek. Néhány kivételtől eltekintve őket nem érdekli az, hogy mi általában ismert az ilyen eszközök képességével kapcsolatban. Ez befolyásolja mentalitását, és arra készteti őket, hogy ne racionális, hanem érzelmi értékeléseket adjanak”- magyarázza a kutató.
Például még mindig nincs egyértelmű bizonyíték arra, hogy a kvantumszámítógépek felülmúlhatják klasszikus társaikat a számítási sebesség terén. Ugyanakkor Biamonte pontosítja, hogy ha minden olyan egyszerűsített modellt általánosítunk, amely ennek a fölényességnek néhány aspektusát demonstrálja, akkor meglehetősen meggyőző bizonyítékot fogunk kapni a kvantumszámológépek fölénye mellett.
„Egyrészről Aleksej Ustinovnak, Aleksandr Zagoskinnak és más e térség vezetőinek igaza van: a kvantumszámítógép valójában nem hamarosan jön. Másrészt, ebben az esetben olyan univerzális gépekről van szó, amelyek képesek saját hibáik kijavítására”- jegyzi meg a fizikus.
A Biamonte hangsúlyozza, hogy egy ilyen számítógépes képesség hiánya nem teszi teljesen használhatatlanná vagy alacsonyabbrendűvé.
Atom-összeadó gép
Számtalan példa található a természetben található kvantumrendszerekre, amelyek nem rendelkeznek ezzel a képességgel. Viselkedését nagyon nehéz kiszámítani a szokásos számítógépek segítségével. Ezért az ilyen folyamatokat szimuláló kvantumrendszer létrehozása lehetővé teszi számunkra a megfelelő számítások elvégzését és valami hasznos beszerzését”- mondja a tudós.
Ez az ötlet messze nem új - a híres amerikai fizikus, Richard Feynman hangzott el mindössze két évvel a Manin első cikkeinek megjelenése után. Amint Biamonte megjegyezte, a kísérletezők az elmúlt években aktívan fejlesztették ezeket a rendszereket, és az elméleti szakemberek azon gondolkodnak, hogy hol lehet ezeket alkalmazni.
Az ilyen analóg számítástechnikai eszközöknek, az úgynevezett adiabatikus számítógépeknek, vagy a fizikusok zsargonjában "lágyításnak" nem kell kvantumhatásokat használni - sok probléma esetén elegendő az atomok közötti klasszikus interakció.
„Háromféle típusú számítógép létezik - a klasszikus lágyítógépek, kvantum-gyorsított párjuk és a kvantumlogikai kapukon alapuló teljes értékű kvantum-processzorok. Az utóbbiakat az IBM laboratóriumaiban hozták létre, az első - Fujitsuban, a második - a D-Waveban”- mondja a tudós.
Biamonte és Skoltech kollégái leginkább a harmadik osztályú gépek iránt érdeklődnek. Az ilyen eszközöket, mondta, meglehetősen nehéz létrehozni, de felhasználhatók a legösszetettebb optimalizálási problémák megoldására: a gépi tanulástól az új gyógyszerek kifejlesztéséig.
„Ezek a gépek nagyon érdekes, de az első ilyen típusú valódi eszközök csak néhány év múlva jelennek meg. Másrészről most már klasszikus és kvantum-alapú melegítőket lehet létrehozni. És most, a gyakorlatban továbbra is a kvantumszámítógépek közül a leghasznosabb”- tette hozzá Biamonte.
A részecskefizikában sok folyamatot - folytatja a kutató - a természet programozza úgy, hogy optimalizálja magát, és igyekszik elérni egy energiaminimumot. Ennek megfelelően, ha megtanuljuk ellenőrizni ezeket a folyamatokat, akkor atomkészletet készíthetünk, vagy más objektumok készíthetik ezeket a számításokat nekünk.
„Miért pazarolhat nagy mennyiségű CPU-időt egy ilyen optimalizálásra, ha ezt megteheti egy klasszikus lágyító eszköz vagy egy D-Wave-hoz hasonló kvantumkészülék? Figyelemreméltóan: miért használja a szél tanulmányozásakor egy virtuális szélcsatornát, ha már van ilyenünk? Sok orosz vállalat gondolkodik ezen, és aktívan együttműködünk velük”- hangsúlyozza a tudós.
E kísérletek sikeres befejezése előkészíti az utat a kvantumhevítő szerek kifejlesztésére, amelyek során a kvantumfizika elveit alkalmazzák az atomok és más részecskék közötti kölcsönhatások felgyorsítására. Természetesen egyes tudományos feladatok nem lesznek elérhetők számukra, de sok mindennapi problémát meg tudnak oldani, például a forgalom optimalizálása vagy a részvényportfólió kezelése.
A Skoltech professzor megjegyzi, hogy a legtöbb megfigyelő úgy véli, hogy a Google nyer a kvantumversenyen. Biamonte ezzel nem ért egyet: a kaliforniai társaság képviselői nagyon szeretik beszélni sikereikről, ám szinte nem publikálnak tudományos cikkeket és nem fedik fel kvantumgépük készülékének titkait.
Véleménye szerint az IBM mérnökei a legközelebb vannak a célhoz - ennek a cégnek a számítógépei valóban működnek, és bármikor ellenőrizhetők speciális felhőrendszerekkel. A skála azonban még mindig meglehetősen korlátozott, és ezeket a gépeket még nem lehet felhasználni összetett problémák megoldására.
Gondolkodó galaxisok
Ha ilyen "komoly" rendszereket hoznak létre a közeljövőben, akkor természetes kérdés merül fel: miből lehet őket készíteni, milyen méretűre lehet elérni őket, és hogyan befolyásolják az életünket?
Maga Biamonte szerint nincsenek alapvető fizikai korlátok a kvantumszámítógépek (vagy lágyítóberendezések) számára, amelyek kviteket milliókban tartalmaznak. Másrészt teljesen érthetetlen, hogy hány kvb létezik majd a valóságban, mivel most a kvantumtechnológiák fejlesztésének nagyon korai szakaszában vagyunk.
„Mindeddig megkíséreljük adaptálni az elektronikai iparban már elérhető technológiákat kvantumszámítógépekkel való együttműködésre. De senki sem biztos abban, hogy ez a helyes út. Vannak olyan rendszerek, amelyek sokkal jobban alkalmasak kvantumgép készítésére. Sokkal nehezebben kezelhetőek”- magyarázza a tudós.
Például a gyémántok belső hibái szinte ugyanolyan jól el vannak különítve a külvilágtól, mint az atomok az űr vákuumában. Még nem tisztázott, hogy hány ilyen pont illeszkedik egy gyémántba, és milyen közel lehetnek egymáshoz anélkül, hogy zavarnák a szomszédok munkáját. E kérdésekre adott válasz határozza meg, hogy a gyémántokat használják-e kvantumszámítógépekben.
A valóban nagy kvantumgépek, amint azt a Skoltech professzor megjegyezte, nemcsak a mindennapi emberi élethez kapcsolódó gyakorlati problémákat oldják meg, hanem a legérdekesebb tudományos rejtvényeket is.
Lehet, hogy felfedik a gravitáció kvantitatív természetét, és megvizsgálják Biamonte időszimmetria elméleteit azzal, hogy megfigyelik, vajon ezeket különösen zavarják-e, amikor megpróbálják megtörni ezt a szimmetriát, vagy megfordítják az időt, amikor ilyen gépeken számításokat végeznek.
Miután az emberiség megbirkózott ezekkel a feladatokkal, mit fog tenni a tudomány ezután? Biamonte szerint ez a kérdés paradox módon kapcsolódik a földönkívüli élet kutatásához és azzal, hogy az idegen civilizációk képviselői miként jelezhetik létezésüket.
Saburov Imur (Skoltech). Jacob Biamonte és munkatársai a Deep quantum laboratóriumokban.
„Képzelje el, hogy lefékezzük az univerzum minden energiáját és erejét. Mit fogunk csinálni először? Természetesen megsemmisíthetjük magunkat, de van egy érdekesebb forgatókönyv. Például lehetőségünk lesz felgyorsítani a Föld mozgását rendkívül nagy sebességre, és a számítógépet pályára hagyni”- mondja a fizikus.
A relativitáselmélet szerint az idő a bolygón lelassul. Ha több tíz évet töltünk ebben az állapotban, egy kvantumszámítógép vagy egy közönséges számítógép a „külvilágban” több évezreden át fog működni. Sőt, ez nem feltétlenül egy ember által készített számítógép, szerepét különféle űrobjektumok játszhatják - például óriási gázfelhők.
„Milyen gyakran teheted ezt? Nincs egyértelmű korlátozás az ilyen "számítások felgyorsítására", de mindannyian tudjuk, hogy a késői világegyetem nem lesz nagyon érdekes hely számunkra. A csillagok fokozatosan elhalványulnak, és a galaxisok láthatatlanok lesznek egymással az univerzum kibővülése miatt”- jegyzi meg a professzor.
A hasonló gondolatok természetes kérdést vetnek fel: ha az emberiség képes megtenni, mi akadályozza meg az idegenek ugyanezt? Ennek megfelelően az ilyen "űr" kvantumszámítás vagy annak klasszikus párjainak néhány nyomának jelen kell lennie az űrben. Mi jelzi ezt, az idegenek óriási kvantumszámítógépeit?
„Nem tudok pontos választ adni arra a kérdésre, hogy mi lehet ez, vagy nem tudom javasolni, hogyan kell őket megkeresni. Ugyanakkor az ilyen „univerzális számológépek” létezése számomra sokkal valószínűbbnek tűnik, mint az „intelligens bolygók” és más, a magukat megismerni képes kozmikus tárgyak spontán megjelenése, amelyről gyakran „kvantum” filozófusok beszélnek”- zárja be Biamonte.