Jazda na fali D

Komputery przetwarzają informacje, dzieląc je na możliwie najmniejsze kawałki, zwane bitami. Bit reprezentuje rozróżnienie między dwiema możliwościami: Prawda i Fałsz, Tak i Nie lub, jak są one konwencjonalnie przedstawiane, 1 i 0.

Fajny komputer: Urządzenie znane jako lodówka do rozcieńczania (pokazane powyżej) służy do inicjalizacji komputera kwantowego D Wave, doprowadzając go do stanu podstawowego poprzez schłodzenie go do temperatury bliskiej zera bezwzględnego.

Punktem końcowym prawa Moore'a (które mówi, że komputery przyspieszają dwa razy mniej więcej co półtora roku) jest komputer tak potężny, że używa pojedynczych atomów do przechowywania bitów informacji: jeden atom, jeden bit. Gdybyśmy byli w stanie pracować w skalach subatomowych i przechowywać bity na elektronach lub kwarkach, moglibyśmy pójść dalej. Ale trzymajmy się tego, co my wiedzieć możemy zrobić.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2008 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jeśli obecne tempo miniaturyzacji się utrzyma, twój komputer będzie przechowywał jeden bit na jednym atomie około 2050 roku. Ale naturalne jest pytanie, czy rzeczywiście możemy osiągnąć korespondencję bit-atom. Co ciekawe, w laboratorium istnieją już prototypowe komputery, które przechowują bity na poszczególnych atomach. Te komputery nazywane są komputerami kwantowymi, ponieważ przechowują i przetwarzają informacje w skali, w której rządzą prawa mechaniki kwantowej.

Mechanika kwantowa to gałąź fizyki, która rządzi tym, co dzieje się w bardzo małej skali. Jego zasady są znane z dziwnych rzeczy, więc naturalne jest, że komputery kwantowe też powinny być dziwne. Konwencjonalny komputer elektroniczny, w którym każdy bit rejestruje 0 lub 1, jest zniewolony przez logikę binarną; ale bit kwantowy lub kubit może rejestrować jednocześnie 0 i 1, zjawisko znane jako superpozycja. Co to znaczy, że bit kwantowy rejestruje jednocześnie 0 i 1? Dokładna odpowiedź brzmi: nikt nie wie na pewno. Nieintuicyjna natura mechaniki kwantowej uniemożliwia naszym umysłom zrozumienie, jak zachowują się bity kwantowe. Niemniej jednak, ponieważ prawa mechaniki kwantowej są precyzyjnie sformułowane, możemy przewidzieć, co zrobią komputery kwantowe.

A to, co robią, jest niezwykłe. Ponieważ jeden kubit może jednocześnie reprezentować dwie różne wartości, dwa kubity mogą jednocześnie reprezentować cztery (00, 01, 10 i 11 w notacji binarnej); cztery kubity mogą reprezentować 16 wartości; osiem kubitów 256 wartości; i tak dalej. Nawet stosunkowo mały komputer kwantowy, który miał kilkadziesiąt tysięcy kubitów, mógł uwzględniać tak wiele różnych wartości naraz, że byłby w stanie złamać wszystkie znane kody powszechnie używane do bezpiecznej komunikacji w Internecie. Komputery kwantowe mogą być również wykorzystywane do szybszego przeszukiwania baz danych lub rozwiązywania trudnych problemów, których klasyczne komputery nie były w stanie rozwiązać przez cały czas we wszechświecie. Moi koledzy z MIT i ja budujemy proste komputery kwantowe i wykonujemy algorytmy kwantowe od 1996 roku, podobnie jak inni naukowcy na całym świecie. Komputery kwantowe działają zgodnie z obietnicą. Jeśli można je powiększyć do tysięcy lub dziesiątek tysięcy kubitów z ich obecnego rozmiaru kilkunastu, uważaj!

Biorąc pod uwagę ich zdolność do przechwytywania i zakłócania tajnej komunikacji, nie dziwi fakt, że komputery kwantowe przyciągają uwagę różnych agencji rządowych USA. Agencja Bezpieczeństwa Narodowego, która wspiera badania w dziedzinie obliczeń kwantowych, szczerze deklaruje, że biorąc pod uwagę jej zainteresowanie utrzymaniem bezpieczeństwa komunikacji rządu USA, nie chce, aby budowano komputery kwantowe. Z drugiej strony, jeśli da się je zbudować, to chce mieć pierwszy.

Obliczenia kwantowe przyciągnęły również zainteresowanie komercyjne. Przy obecnym tempie postępu, duże, łamiące kody komputery kwantowe są oddalone o co najmniej dekadę, więc sektor prywatny koncentruje się na dwóch typach obliczeń kwantowych, które są łatwiejsze. Pierwszy nietrywialny rodzaj obliczeń kwantowych został zaproponowany przez laureata Nagrody Nobla Richarda Feynmana w 1981 roku. Feynman badał, jak można symulować procesy kwantowe w fizyce wysokich energii. Zauważył, że klasyczne komputery były kiepskie w swojej pracy, z tego samego powodu, dla którego ludzie uważają mechanikę kwantową za sprzeczną z intuicją: nie ma łatwego sposobu, aby którykolwiek z nich reprezentował bit rejestrujący jednocześnie 0 i 1. Feynman zasugerował, że gdyby komputer był mechaniką kwantową, mógłby łatwiej radzić sobie z procesami kwantowymi. W 1996 roku pokazałem, że Feynman miał rację i stworzyłem algorytmy, które pozwoliłyby komputerowi kwantowemu symulować układy ciała stałego, chemiczne i wysokoenergetyczne. Taki symulator wymagałby tylko około stu kubitów, aby przewyższyć wszystkie konwencjonalne superkomputery.

Drugi rodzaj obliczeń kwantowych, znany jako adiabatyczne obliczenia kwantowe, jest nie tylko łatwiejszy niż łamanie kodu, ale potencjalnie znacznie potężniejszy. Adiabatyczne obliczenia kwantowe to szczególnie fizyczny sposób rozwiązywania trudnych problemów.

Jak wszystkie układy fizyczne, elektrony raczej zamieszkiwałyby niższe stany energetyczne niż wyższe stany energetyczne, szczególnie w niskich temperaturach. Energia układu fizycznego, takiego jak elektron, zależy od stanów jego sąsiadów. Jeden elektron może powiedzieć swoim wirującym sąsiadom, że przy niższej energii kręci się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Inny elektron mógłby powiedzieć: „Dla mniejszej energii, obracaj się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara”. Najniższy stan energetyczny wirujących elektronów jako zbiorowości to taki, który minimalizuje całkowitą liczbę konfliktów między sąsiednimi spinami. Aby grupa elektronów mogła znaleźć swój wspólny najniższy stan energetyczny lub stan podstawowy, muszą znaleźć sposoby na uzgodnienie, jak ustawić swoje spiny. W ten sam sposób, w jaki złożony problem obliczeniowy można rozbić na odwracające się bity, można go postawić w kategoriach znalezienia stanu podstawowego odpowiedniego systemu fizycznego.

Adiabatyczne obliczenia kwantowe próbują przedstawić problemy jako zakłócenia systemu kwantowego, tak że odpowiedź jest reprezentowana przez założenie nowego stanu podstawowego systemu. Opracowany przez Eddiego Farhi i Jeffreya Goldstone'a z MIT i Sama Gutmanna z Northeastern University, działa poprzez inicjalizację układu kwantowego do prostego stanu podstawowego (na przykład wszystkie obroty obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara), a następnie stopniowo lub adiabatycznie włączając interakcje, które kodują problem. Jeśli ten proces włączania jest wystarczająco powolny, system stopniowo przesiąknie z prostego stanu początkowego do złożonego stanu końcowego.

Najbardziej interesującym aspektem adiabatycznych obliczeń kwantowych jest to, że nikt nie wie na pewno, czy to działa w praktyce. Może być tak, że w przypadku jakiegokolwiek znaczącego problemu system musiałby płynąć tak wolno, że odpowiedź zajęłaby wiek wszechświata. I odwrotnie, może się zdarzyć, że nawet najtrudniejszy problem ulegnie adiabatycznemu komputerowi kwantowemu. Pomimo skupionej uwagi grupy fizyków i matematyków, pytanie, czy adiabatyczne obliczenia kwantowe działają, pozostaje otwarte. Większość ekspertów podejrzewa, że ​​nie rozwiąże najtrudniejszych problemów obliczeniowych. Ale podejrzenie nie jest dowodem.

Kiedy teoretycy nie mogą się zgodzić, eksperymentatorzy posuwają się naprzód. Ponieważ cały sens adiabatycznych obliczeń kwantowych polega na tym, aby działać wolniej, a nie szybko, adiabatyczne komputery kwantowe są w zasadzie znacznie łatwiejsze do zbudowania niż komputery kwantowe ogólnego przeznaczenia do łamania kodów. Zdając sobie sprawę z tego kluczowego punktu, w 2002 roku mój doktorant Bill Kaminsky i ja stworzyliśmy projekt adiabatycznego komputera kwantowego opartego na technologii nadprzewodzącej. W zeszłym roku D-Wave Systems, start-up zajmujący się obliczeniami kwantowymi w Burnaby w Kolumbii Brytyjskiej, ogłosił, że skonstruował adiabatyczny komputer kwantowy oparty na naszym projekcie. W tym momencie sprawy stały się interesujące.

Firma D-Wave została założona niecałą dekadę temu w wyraźnym celu zbudowania komercyjnego komputera kwantowego. Po zabawie z ideą zbudowania komputera kwantowego do rozkładania dużych liczb, jego badacze rozsądnie zdecydowali się na prostsze i nadal potencjalnie opłacalne zadania symulacji kwantowej i adiabatycznych obliczeń kwantowych. W lutym 2007 r. w Muzeum Historii Komputerów w Dolinie Krzemowej firma zademonstrowała 16-kubitowe urządzenie, które, jak twierdziła, może rozwiązać dość złożone problemy optymalizacyjne. Może nawet rozwiązywać łamigłówki Sudoku!

D-Wave zebrał około 60 milionów dolarów od inwestorów venture capital, takich jak Draper Fisher Jurvetson. Jako firma prywatna odpowiada przede wszystkim przed swoimi inwestorami, a nie środowiskiem naukowym. Nie było więc niespodzianką, że ogłaszając swój sukces w budowie adiabatycznego komputera kwantowego, D-Wave skupił się na zastosowaniach komercyjnych, a nie na szczegółach naukowych. Podczas gdy inwestorzy venture capital byli pod wrażeniem ogłoszenia, traktując firmę z kolejną rundą finansowania, naukowcy byli mniej podekscytowani. W komunikacie prasowym nie podano żadnych specyfikacji urządzenia, które pozwoliłyby ocenić naukową dokładność jego twierdzeń. Wydawało się możliwe, że komputer po prostu szukał rozwiązań, schładzając się do stanu podstawowego, dość nudny i niezbyt kwantowo-mechaniczny proces, zamiast wykonywać bardziej subtelną procedurę adiabatyczną opisaną powyżej. Kiedy D-Wave zaniedbał dostarczenie jakichkolwiek konkretnych dowodów na to, że urządzenie faktycznie przeprowadza obliczenia kwantowe, nawet najbardziej życzliwi obserwatorzy naukowi po prostu założyli, że naukowcy nie wiedzieli, czy to było, czy nie. (patrz Desultory D‑Wave ) Mniej miłosierni obserwatorzy wypowiedzieli słowa, których nie mogę zamieścić w tej publikacji. Ze swojej strony byłem skonfliktowany. Naprawdę chciałbym wiedzieć, czy adiabatyczne obliczenia kwantowe działają. Nawet jeśli to podejście nie rozwiąże najtrudniejszych problemów, jeśli system D-Wave mógłby wykonać dobrze zdefiniowaną demonstrację adiabatycznych obliczeń kwantowych w kilku prostych przypadkach, byłoby to potwierdzeniem projektu Kaminsky'ego i mojego. Jednak w obecnej sytuacji wydawało się, że D-Wave zamienia studnię kwantową na pieniądze.

Zeszłej jesieni wody stały się bardziej przejrzyste. Główny teoretyk D-Wave, Mohammad Amin, i jego główny eksperymentator Andrew Berkley odwiedzili społeczność komputerów kwantowych na MIT. Omówili kwestie naukowe szczerze. Nie, przyznali, nie mogli udowodnić, że to, co robią, było prawdziwym adiabatycznym obliczeniem kwantowym – ale wyglądało na to, że prawdopodobnie tak było. Jak mogli ostatecznie odpowiedzieć na pytanie?

Pionierzy nadprzewodzących obliczeń kwantowych byli w stanie zademonstrować kwantową naturę swoich urządzeń, załączając je szybkimi impulsami mikrofalowymi i przyglądając się ich odpowiedziom. Ale te urządzenia nie były adiabatyczne; działały z prędkościami porównywalnymi z konwencjonalnymi komputerami. W przeciwieństwie do tego urządzenie D-Wave jest celowo powolne: dlatego nie jest możliwe zapping. W rezultacie istnieje ograniczona liczba eksperymentów, które mogą wskazać, czy urządzenie rzeczywiście wykonuje obliczenia kwantowe. Jednym z nich jest jednak zmienianie powolności, z jaką urządzenie wycieka od stanu początkowego do stanu końcowego. W połowie procesu sączenia komputer dochodzi do punktu, w którym musi zacząć dokonywać trudnych wyborów, które prowadzą do rozwiązania problemu. Tutaj komputer jest w dziwnym stanie kwantowym, w którym każdy bit rejestruje jednocześnie 0 i 1. Wezwałem badaczy D-Wave do zbadania tego krytycznego punktu i poszukiwania znaków ostrzegawczych.

Niedawno rozmawiałem z Herbem Martinem, dyrektorem generalnym D-Wave i Geordie Rose, dyrektorem ds. technologii i współzałożycielem firmy, i podkreśliłem potrzebę kontynuowania tych eksperymentów, jeśli są naprawdę zainteresowani wyjaśnieniem, jak działają ich urządzenia. Jednym z eksperymentów, który poleciłem Rose, jest specyficzny protokół tworzenia i weryfikacji obecności tak zwanego stanu kota Schrödingera, specyficznej instancji stanu, w którym wszystkie kubity rejestrują jednocześnie 0 i 1. (Nazwa pochodzi od eksperymentu myślowego zaproponowanego przez jednego z twórców mechaniki kwantowej, Erwina Schrödingera, który wyobraził sobie kota kwantowego, który mógłby być jednocześnie martwy i żywy.) Zarówno Martin, jak i Rose wydają się entuzjastycznie nastawieni: zdają sobie z tego sprawę że jeśli nie mogą udowodnić, że ich urządzenie naprawdę robi coś kwantowo-mechanicznego, to ich nazwa w społeczności naukowej pozostanie błotnista.

W listopadzie ubiegłego roku D-Wave zademonstrował, jak twierdził, 28-kubitowy adiabatyczny komputer kwantowy. Teraz naukowcy firmy próbują zademonstrować fundamentalnie kwantowo-mechaniczny charakter swojego urządzenia. Istnieje silna motywacja do uprawiania nauki i robienia tego dobrze. Inżynieria jest nauką tak dobrze ugruntowaną, że nawet inżynierowie tacy jak ja mogą to robić. Jeśli nie możesz dobrze poznać nauki 16-kubitowego komputera kwantowego, twoje szanse na zbudowanie urządzeń 512-kubitowych i 1024-kubitowych (kolejne zaplanowane kroki D-Wave) są zerowe. Z drugiej strony, jeśli D-Wave może potwierdzić, że jej obecny system wchodzi w stan, w którym wszystkie jego kubity mają wartość 0 i 1 w tym samym czasie, to ma dobrą szansę na zbudowanie bardziej złożonych urządzeń kwantowych.

A 16-kubitowy nadprzewodnikowy kot Schrödingera byłby całkiem fajny.

Seth Lloyd jest profesorem inżynierii mechanicznej i dyrektorem Centrum Ekstremalnej Teorii Informacji Kwantowej na MIT.

ukryć