Több évtizedes kemény munka után, a siker sok reményét nélkül, hirtelen egy hektikus tevékenység alakult ki a kvantumszámítás körül. Majdnem két évvel ezelőtt az IBM megmutatta a világnak egy kvantumszámítógépet öt kvantummal (kvitekkel), amelyeket most (ami kissé furcsanak hangzik) az IBM Q Experience-nek hívják. Akkoriban az eszköz inkább játékkifejezés volt a kutatók számára, mint a komoly adatfeldolgozás eszköze. A világ minden tájáról azonban 70 ezer felhasználó regisztrált a projektbe, és az idõszakok száma megduplázódott. Néhány hónappal ezelőtt az IBM és az Intel bejelentette kvantumszámítógépek létrehozását 50 és 49 kbittel. Az is ismert, hogy egy másik számítógép vár a szárnyakon a Google falán. "A közösség tele van energiával, és a közelmúltbeli áttörések lenyűgözőek."- mondja Jens Eisert, a berlini szabad egyetem fizikusa.
Jelenleg a közelgő "kvantumfelsőképességről" beszélünk: az az idő, amikor a kvantumszámítógép még a legerősebb klasszikus szuperszámítógépek hatalmán túl is képes egy olyan feladat elvégzésére. Ha csak a számokat hasonlítjuk össze, akkor egy ilyen állítás nevetségesnek tűnhet: 50 kvbits versus milliárd milliárd bites verseng bármely laptopban. De a kvantumszámítás lényege, hogy a kvantumbit sokkal többre képes, mint a klasszikus. Régóta azt hitték, hogy 50 kvbit elegendő lesz a számítások elvégzéséhez, amelyeket egy hagyományos számítógép határozatlan ideig végez. 2017 közepén a Google kutatói bejelentették, hogy decemberre meg fogják mutatni a kvantum fölényt. (A közelmúltbeli új adatok iránti kérésére a cég szóvivője válaszolt: „Az eredményeket közzétesszük,amint kellően megalapozottak, de jelenleg a jelenlegi fejlemények alapos elemzését végzik. ")
Végezetül azt szeretném levonni, hogy az összes fő probléma megoldható, és a jövő, amelyben a kvantumszámítógépek mindenütt jelenség, csupán műszaki berendezések kérdése. De tévedni fog. A kvantumszámítás középpontjában álló fizikai kérdések még mindig messze vannak a megoldástól.
Még ha hamarosan is belépünk a kvantum-fölényesség korszakába, a következő vagy kettő év döntő lehet - tényleg megváltoztatják-e a kvantumszámítógépek a számítástechnikát? A tét továbbra is magas, és nincs garancia arra, hogy a cél teljesül.
Fogd be és számítsd ki
A kvantumszámítás előnyei és kihívásai egyaránt rejlenek a fizikában, amely lehetővé teszi. Az alapokat már többször is elmondták, bár nem mindig tisztázták, hogy mi a kvantummechanika. A klasszikus számítógépek információkat tárolnak és bináris kódban (0 vagy 1) dolgozzák fel. A kvantumszámítógépeknél a helyzet szinte azonos, csak minden bit az úgynevezett szuperpozícióban van, azaz lehet 0 és 1 egyszerre. Ez azt jelenti, hogy a qubit állapota csak bizonyos valószínűséggel meghatározható.
Nagy számú kvitet tartalmazó számítás elvégzéséhez mindegyiknek egymástól függő szuperpozíciókban kell lennie - "kvantum koherencia" állapotban, amelyben az összes kvitet összefonódottnak tekintik. Ebben az esetben az egyik kvbit legkisebb változása a többire is hatással lehet. Vagyis a kviteket használó számítási műveletek jobb teljesítményt nyújtanak, mint a klasszikus bitek. Egy klasszikus eszközben a számítási képességek egyszerűen a bitek számától függenek, de minden egyes új kvbit hozzáadása kétszer növeli a kvantumszámítógép képességeit. Ez az oka annak, hogy az 5-bites és az 50-bites eszköz közötti különbség olyan jelentős.
Promóciós videó:
Megjegyzés: nem mondom, hogy a kvantumszámítógép előnye a klasszikus számítógéphez viszonyítva a klasszikus számítógéphez képest a szuperpozíciók meglétében rejlik, ami jelentősen növeli a kódolt információ lehetséges állapotának számát. Mint nem mondtam, a beolvadás sok számítást egyszerre végezhet. (Valójában a kvitek magas fokú belegabalyodása nem előfeltétele.) Ebben van némi igazság, de egyik állítás sem írja le a kvantumszámítás lényegét.
A kvantummechanika megértésének bonyolultsága miatt ijesztő feladat annak magyarázata, hogy a kvantumszámítás miért olyan hatékony. A kvantumelmélet egyenletei minden bizonnyal azt mutatják, hogy működni fog - legalábbis bizonyos típusú számításoknál: a faktoring vagy az adatbázis keresése rendkívül gyorsítja a folyamatot. De mennyit pontosan?
A kvantumszámítás leírásának talán a legbiztosabb módja az, ha azt mondjuk, hogy a kvantummechanika valamilyen módon olyan "számítási lehetőségeket" teremt, amelyek a klasszikus eszközök számára nem állnak rendelkezésre. Ahogyan Daniel Gottesman, a Waterloo Periméter Elméleti Fizikai Intézet (Perimeter Institute) fizikusa megjegyezte: "Ha elegendő kvantummechanika áll rendelkezésre, akkor bizonyos értelemben a folyamat felgyorsul, és ha nem, akkor nem."
Bár néhány pont még mindig világos. A kvantumszámításhoz minden kvitet koherensnek kell lennie, amelyet rendkívül nehéz megvalósítani. A koherens kvbitrendszer és a környezet kölcsönhatása csatornákat hoz létre, amelyeken a koherencia gyorsan "szivárog". Ezt a folyamatot decoherence-nek hívják. A kvantumszámítógép felépítését tervező tudósoknak meg kell akadályozniuk a deherenciát. Most csak egy másodpercre sikerül megállítaniuk. A helyzet bonyolultabbá válik, ha növekszik a kvízek száma és ennek megfelelően a környezettel való kölcsönhatás képessége. Ezért, bár a kvantumszámítógépek ötletét Richard Feynman először 1982-ben javasolta, és az elméletet az 1990-es évek elején fejlesztették ki, a valódi számítás elvégzésére alkalmas eszközöket csak most hozták létre.
Kvantumhibák
Van egy második fő ok, amiért a kvantumszámítógép építése olyan nehéz. Mint minden más folyamat a világon, zajt okoz. A véletlenszerű ingadozások, amelyek például a kvbit hőmérséklete vagy az alapvető kvantummechanikai folyamatok sajátosságai miatt merülnek fel, megváltoztathatják a qubit irányát vagy állapotát, ami pontatlan számításokhoz vezet. Ilyen veszély fenyegeti a klasszikus számítógépekkel való együttműködést, de meglehetősen könnyű megoldani. Csak el kell készítenie két vagy több biztonsági másolatot minden bitből, hogy egy véletlenszerűen átfordított bit ne legyen számítva.
A kvantumszámítógép létrehozásával foglalkozó tudósok többféle módszert fejlesztettek ki a probléma megoldására, de minden stratégia túl sok további számítási költség megjelenését eredményezi, mivel az összes számítási teljesítményt a hibák kijavítására, nem pedig az adott algoritmusok végrehajtására fordítják. "A jelenlegi hibaarány jelentősen korlátozza a számítások időtartamát" - magyarázza Andrew Childs, a Marylandi Egyetem Közös Kvantuminformációs és Számítástechnikai Központ társigazgatója. "Jelentősen javítanunk kell az eredményeket, ha valami érdekeset akarunk létrehozni."
Az alapvető kvantumszámítás sok kutatása a hibajavítási technikákra összpontosít. A probléma bonyolultságának egy része a kvantumrendszerek egyik kulcsfontosságú tulajdonságából fakad: a szuperpozíciók csak addig tarthatók fenn, amíg nem mérik meg a qubit értékét. A mérés megsemmisíti a szuperpozíciót, és egy bizonyos értékhez vezet: 1 vagy 0. Hogyan lehet megmondani, hogy történt-e hiba a qubit működésében, ha nem tudja, milyen állapotban volt?
Az egyik okos séma azt javasolja, hogy használjunk közvetett számítást úgy, hogy egy kvitet egy második segédbbittel kombinálunk. Ez utóbbi nem vesz részt a számításban, tehát mérése nem befolyásolja a fő qubit állapotát. De meglehetősen nehéz ezt végrehajtani. Ez a megoldás azt jelenti, hogy sok fizikai kvbitre van szükség egy valódi "logikus qubit" létrehozásához, amely védett a hibákkal szemben.
Mennyi? Alan Aspuru-Guzik, a Harvardi Egyetem kvantumelméleti tudósítója úgy véli, hogy körülbelül tízezer fizikai kvbit szükséges egy logikai kvbit létrehozásához, ami jelenleg nem lehetséges. Elmondása szerint, ha minden jól megy, ez a szám több ezerre vagy akár százra is csökken. Aisert nem annyira pesszimista és úgy véli, hogy körülbelül nyolcszáz fizikai kvíz elegendő lesz, ám elismeri, hogy még ebben a helyzetben is "a számítási teljesítmény további költségei továbbra is nagyok lesznek". Meg kell találnia a módját a hibák kezelésére.
Van egy alternatíva a hibajavításra. Ezek elkerülhetők vagy megakadályozhatók, hogy előforduljanak az úgynevezett hibacsökkentésben. Az IBM tervezői áramkörök kutatói matematikailag kiszámítják a hiba valószínűségét, majd az eredményt zéróként veszik figyelembe.
Egyes kutatók úgy vélik, hogy a hibajavítás problémája továbbra sem oldódik meg, és megakadályozza, hogy a kvantumszámítógépek elérjék a várható magasságukat. „A kvantum hibajavító kódok létrehozása sokkal nehezebb, mint a kvantum fölényének bizonyítása” - magyarázza Gil Kalai, az Izrael Héber Egyetem matematikus. Azt is hozzáteszi, hogy "a hibát kijavító eszközök számukra nagyon primitívek, és a fölény nem alapulhat primitivitáson". Más szavakkal, a kvantumszámítógépek nem haladják meg a klasszikus számítógépeket, ha a hibákat nem szüntetik meg.
Más tudósok szerint a probléma végül megoldódik. Az egyik Jay Gambetta, az IBM Quantum Computing Center kvantumszámítógépe. Thomas J. Watson. "Legutóbbi kísérleteink bebizonyították a hibajavítás alapvető elemeit a kis eszközökben, ez viszont előkészíti a nagyobb eszközök számára az utat, amelyek zaj jelenlétében hosszabb ideig megbízhatóan tárolhatják a kvantuminformációkat" - mondja. Gambetta ugyanakkor elismeri, hogy még a jelenlegi helyzettel is "még hosszú utat kell megtenni egy univerzális, hibaálló kvantumszámítógép létrehozásához logikai kvitek segítségével". Az ilyen kutatásoknak köszönhetően a Childs optimista. "Biztos vagyok benne, hogy még sikeresebb [hibajavító] kísérleteket mutatunk be, de,valószínűleg hosszú időbe telik, mire elkezdjük a kvantumszámítógépeket valódi számításhoz."
Hibákkal élni
A közeljövőben a kvantum számítógépek hibásan működnek. Felmerül a kérdés: hogyan kell vele élni? Az IBM tudósai szerint a belátható jövőben a "megközelítő kvantumszámítás" kutatása a zajhoz való alkalmazkodás módjának a feltárására összpontosít.
Ehhez olyan algoritmusokat kell létrehozni, amelyek a helyes eredményt fogják eredményezni, figyelmen kívül hagyva a hibákat. A folyamat összehasonlítható a választási eredmények számlálásával, amely nem veszi figyelembe az elrontott szavazólapokat. "Még ha hibát is elkövet, a elég nagy, jó minőségű kvantumszámításnak sokkal hatékonyabbnak kell lennie, mint a [klasszikusnál]” - mondja Gambetta.
Úgy tűnik, hogy a technológia egyik legújabb hibatűrő alkalmazása a tudósok számára inkább, mint az egész világ számára: anyagok modellezése atomi szinten. (Valójában ez a motiváció vezetett Feynman-nek a kvantum-számítógépek elképzelésének kidolgozásához.) A kvantummechanika egyenletei leírják, hogy a stabilitást vagy a kémiai reakcióképességet hogyan kell kiszámítani (például a gyógyszermolekulákban). De ezeket az egyenleteket nem lehet megoldani sok egyszerűsítés nélkül.
Childs szerint azonban az elektronok és atomok kvantum viselkedése "viszonylag közel áll a kvantum számítógép természetes viselkedéséhez". Ez azt jelenti, hogy a molekula pontos számítógépes modelljét el lehet készíteni. „A tudományos közösség sok tagja, köztük én is, úgy gondolja, hogy a kvantumszámítógép első sikeres alkalmazásához a kvantumkémia és az anyagtudomány kapcsolódik” - mondja Aspuru-Guzik: ő volt az elsők között, akik elkezdték a kvantumszámítást ebbe az irányba.
A kvantummodellezés még ma a legkisebb kvantumszámítógépeknél is hasznosnak bizonyul. Egy kutatócsoport, amelybe Aspuru-Guzik tartozik, kifejlesztett egy algoritmust, amelyet "Variációs módszer a kvantummechanika problémáinak megoldására" (a továbbiakban: VMR) hívtak. Ez az algoritmus lehetővé teszi a molekula legkevésbé energiaigényes állapotának megtalálását, még a zajos kvitekben is. Jelenleg csak nagyon kevés elektronokkal rendelkező kis molekulákat képes kezelni. A klasszikus számítógépek ezt a feladatot jól teljesítik. De a kvantum ereje folyamatosan növekszik, amint azt Gambetta és munkatársai tavaly szeptemberben megmutatták, amikor egy hatkbitos készüléket használtak olyan molekulák elektronikus szerkezetének kiszámításához, mint a lítium-hidrid és a berillium-hidrid. A munka "jelentős áttörést jelentett a kvantumtudományok számára"ahogyan Markus Reicher, a zürichi svájci felső műszaki iskola kémikus fizikus mondta. "A BMP felhasználása a kis molekulák modellezésére kiváló példa arra, hogyan lehet alkalmazni a rövid távú heurisztikus algoritmusokat" - mondja Gambetta.
De Aspuru-Guzik szerint a hibák kijavítására képes logikai kvitekre még akkor is szükség lesz, ha a kvantumszámítógépek felülbírálják a klasszikus számítógépeket. "Alig várom, amíg a hibajavító kvantumszámítás valósággá válik" - kommentálta.
"Ha több mint kétszáz kvbit lenne, akkor valóban innovatív dolgokat tehetnénk" - tette hozzá Reicher. "És 5000 kvbittel egy kvantum számítógép nagy hatással lehet a tudományra."
Mekkora a kötet?
Hihetetlenül nehéz elérni ezeket a célokat. Minden nehézség ellenére a kvantumszámítógépek öt kvbitről 50 bitre csak egy év alatt - ez a tény reményt ad. Ne függessze fel ezeket a számokat, mert csak a történet egy kis részét mondják el. Most nem az a hány kvíz fontosabb, hanem az, hogy mennyire jól működnek és mennyire hatékonyak a kifejlesztett algoritmusok.
Bármely kvantumszámítás dekoherenciával ér véget, amely megkeveri a kviteket. Jellemzően a kvitek egy csoportjának dekórenciaideje több mikrosekundum. Az ilyen rövid idő alatt végrehajtható logikai műveletek száma a kvantumkapu kapcsolási sebességétől függ. Ha a sebesség túl alacsony, akkor nem számít, hány kvbit van a rendelkezésére. Az adott számításhoz szükséges műveletek számát számítási mélységnek nevezzük: az alacsony mélységű algoritmusok hatékonyabbak, mint a mély algoritmusok. Nem biztos azonban, hogy ezek hasznosak-e a számításokban.
Ráadásul nem minden részjegy zajlik egyformán. Elméletileg lehetséges alacsony zajszintű kviteket készíteni olyan anyagokból, amelyek úgynevezett "topológiai elektronikus állapotban" vannak: ha ebben az állapotban a részecskéket bináris információ kódolására használják, akkor védve van a véletlenszerű zajtól. A topológiás állapotban lévő részecskék megkísérlése érdekében a Microsoft kutatói elsősorban egzotikus kvantum anyagokat vizsgálnak. Nincs azonban garancia arra, hogy kutatásaik sikeresek lesznek.
Az kvantumszámítás hatalmának jelölésére egy adott eszközön az IBM kutatói elkészítették a "kvantummennyiség" kifejezést. Ez egy szám, amely egyesíti az összes fontos tényezőt: az algoritmus mélységét, a kvitek számát és összekapcsolhatóságát, valamint a kvantumkapu minőségének egyéb mutatóit (például a zajt). Általánosságban ez a "kvantummennyiség" jellemzi a kvantumszámítás teljesítményét. Gambetta szerint most ki kell dolgozni egy kvantumszámító berendezést, amely növeli a rendelkezésre álló kvantummennyiséget.
Ez az egyik oka annak, hogy a kvantált fölény a meglehetősen homályos ötlet. Vonzónak tűnik az a gondolat, hogy egy 50-bites kvantumszámítógép felülmúlja a modern szuperszámítógépeket, ám sok megoldatlan kérdés marad. Pontosan mikor oldja meg a kvantumszámítógép a szuperszámítógépeket? Hogyan lehet meghatározni, hogy a kvantumszámítógép megkapta-e a helyes választ, ha klasszikus készülékkel nem lehet ellenőrizni? Mi van, ha a klasszikus számítógép hatékonyabb, mint a kvantumszámítógép, ha jobb algoritmust találunk?
Tehát a kvantum-fölényesség olyan koncepció, amely óvatosságot igényel. Egyes kutatók inkább a "kvantumelőnyről", a kvantumtechnológiák fejlesztésének ugrásáról beszélnek, nem pedig a kvantumszámítógépek végső győzelméről a szokásos számítógépekkel szemben. Sőt, a többség megpróbálja nem használni a "fölény" szót, mivel negatív politikai és rasszista konnotációkat tartalmaz.
A névtől függetlenül, ha a tudósok be tudják mutatni, hogy a kvantumszámítógépek olyan feladatokat tudnak végrehajtani, amelyeket a klasszikus eszközök nem képesek megtenni, akkor ez rendkívül fontos pszichológiai pillanat ezen a területen. „A tagadhatatlan kvantumelőny megmutatása megy a történelembe. Ez bizonyítja, hogy a kvantumszámítógépek valóban kibővíthetik technológiai képességeinket”- mondja Aizert.
Talán ez egy szimbolikus esemény, nem pedig a számítástechnika radikális változása. Ennek ellenére érdemes figyelni. Ha a kvantumszámítógépek felülmúlják a hagyományos számítógépeket, akkor az nem azért történik, mert az IBM és a Google hirtelen elindítja őket a piacon. A kvantum-fölény elérése érdekében bonyolult interakciós rendszert kell létrehoznia a fejlesztők és a felhasználók között. És utóbbiakat szilárdan meg kell győződni arról, hogy az újdonság érdemes kipróbálni. Ennek az együttműködésnek az elérése érdekében az IBM és a Google a lehető leggyorsabban biztosítja a felhasználók számára a fejlesztéseiket. Korábban az IBM minden feliratkozást felajánlott a helyszíni hozzáféréshez a 16-bites IBM Q számítógépéhez. Most a vállalat kifejlesztett egy 20-bites verziót vállalati ügyfelek számára, ideértve a JP Morgan Chase, a Daimler, a Honda, a Samsung és az Oxfordi Egyetemet. Ez az együttműködés nem csak segít az ügyfeleknek valami hasznos és érdekes megtalálásában, hanem kvantumtudású programozók közösségét is létrehozza, akik új funkciókat dolgoznak ki és olyan problémákat oldnak meg, amelyeket egy vállalaton belül nem lehet megoldani.
"Ahhoz, hogy a kvantumszámítás aktívan fejlődjön, lehetőséget kell biztosítani az emberek számára kvantumszámítógépek használatához és tanulmányozásához - mondja Gambetta. "Az egész tudományos és ipari világnak most egy feladatra kell összpontosítania - a kvantumszámítógépek korszakának felkészülésére."
Projekt fordítása Új
Philip Ball