Poważne komputery kwantowe wreszcie są dostępne. Co z nimi zrobimy?

Jeremy Liebman

Wewnątrz małego laboratorium w bujnej okolicy, około 50 mil na północ od Nowego Jorku, z sufitu zwisa misterna plątanina lamp i elektroniki. Ten bałagan sprzętu to komputer. Nie byle jaki komputer, ale taki, który jest na skraju przejścia, być może, jako jeden z najważniejszych kamieni milowych w historii tej dziedziny.

Komputery kwantowe obiecują przeprowadzać obliczenia daleko poza zasięgiem jakiegokolwiek konwencjonalnego superkomputera. Mogą zrewolucjonizować odkrywanie nowych materiałów, umożliwiając symulowanie zachowania materii aż do poziomu atomowego. Lub mogą zmienić kryptografię i bezpieczeństwo, łamiąc w inny sposób niezwyciężone kody. Jest nawet nadzieja, że ​​doładują sztuczną inteligencję, efektywniej analizując dane.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2018 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jednak dopiero teraz, po dziesięcioleciach stopniowego postępu, naukowcy są wreszcie blisko zbudowania komputerów kwantowych wystarczająco potężnych, aby robić rzeczy, których konwencjonalne komputery nie mogą. To punkt orientacyjny, nieco teatralnie nazwany supremacją kwantową. Google przewodzi w kierunku osiągnięcia tego kamienia milowego, podczas gdy Intel i Microsoft również podejmują znaczne wysiłki kwantowe. Są też dobrze finansowane start-upy, w tym Rigetti Computing, IonQ i Quantum Circuits.

Natura jest kwantowa, do cholery! Więc jeśli chcemy to zasymulować, potrzebujemy komputera kwantowego.

Żaden inny kandydat nie może się jednak równać z rodowodem IBM w tej dziedzinie. Rozpoczynając 50 lat temu, firma dokonała postępów w materiałoznawstwie, które położyły podwaliny pod rewolucję komputerową. Dlatego w październiku ubiegłego roku znalazłem się w Centrum Badawczym IBM Thomasa J. Watsona, aby spróbować odpowiedzieć na następujące pytania: Do czego, jeśli w ogóle, nada się komputer kwantowy? I czy można w ogóle zbudować praktyczny, niezawodny?

Dlaczego uważamy, że potrzebujemy komputera kwantowego

Centrum badawcze, zlokalizowane w Yorktown Heights, wygląda trochę jak latający spodek, jak sobie wyobrażano w 1961 roku. Został zaprojektowany przez neo-futurystycznego architekta Eero Saarinena i zbudowany w czasach świetności IBM jako producenta dużych maszyn biznesowych typu mainframe. IBM był największą firmą komputerową na świecie, a w ciągu dekady od zbudowania centrum badawczego stał się piątą co do wielkości firmą jakiegokolwiek rodzaju na świecie, tuż za Fordem i General Electric.

Podczas gdy korytarze budynku wychodzą na okolicę, projekt jest taki, że żadne z biur wewnątrz nie ma okien. To właśnie w jednym z tych krużganków spotkałem Charlesa Bennetta. Teraz, po siedemdziesiątce, ma duże białe baczki, nosi czarne skarpetki i sandały, a nawet nosi ochraniacz na kieszenie z długopisami. Otoczony starymi monitorami komputerowymi, modelami chemicznymi i, co ciekawe, małą kulą dyskotekową, przypomniał sobie narodziny komputerów kwantowych, jakby to było wczoraj.

Charles Bennett z IBM Research jest jednym z ojców założycieli kwantowej teorii informacji. Jego praca w IBM pomogła stworzyć teoretyczne podstawy obliczeń kwantowych. Bartek Sadowski

Kiedy Bennett dołączył do IBM w 1972 roku, fizyka kwantowa miała już pół wieku, ale obliczenia nadal opierały się na fizyce klasycznej i matematycznej teorii informacji, którą Claude Shannon opracował w MIT w latach pięćdziesiątych. To Shannon zdefiniował ilość informacji w kategoriach liczby bitów (termin, który spopularyzował, ale nie ukuł) wymaganych do jej przechowywania. Te kawałki, 0 s i jeden s kodu binarnego, są podstawą wszystkich konwencjonalnych obliczeń.

Rok po przybyciu do Yorktown Heights Bennett pomógł położyć podwaliny pod teorię informacji kwantowej, która podważyła to wszystko. Polega na wykorzystaniu szczególnego zachowania obiektów w skali atomowej. W tej wielkości cząstka może istnieć jednocześnie w wielu stanach (np. w wielu różnych pozycjach). Dwie cząstki mogą również wykazywać splątanie, tak że zmiana stanu jednej może natychmiast wpłynąć na drugą.

Bennett i inni zdali sobie sprawę, że niektóre rodzaje obliczeń, które są wykładniczo czasochłonne, a nawet niemożliwe, można skutecznie przeprowadzić za pomocą zjawisk kwantowych. Komputer kwantowy przechowywałby informacje w bitach kwantowych lub kubitach. Kubity mogą istnieć w superpozycji jeden oraz 0 , a splątanie i sztuczka zwana interferencją mogą być użyte do znalezienia rozwiązania obliczeń na wykładniczo dużej liczbie stanów. Irytująco trudno jest porównać komputery kwantowe i klasyczne, ale z grubsza mówiąc, komputer kwantowy z zaledwie kilkuset kubitami byłby w stanie wykonać więcej obliczeń jednocześnie niż atomów w znanym wszechświecie.

Latem 1981 roku IBM i MIT zorganizowały przełomowe wydarzenie o nazwie Pierwsza Konferencja Fizyki Obliczeń. Odbyło się to w Endicott House, rezydencji w stylu francuskim niedaleko kampusu MIT.

Na zdjęciu, które Bennett zrobił podczas konferencji, na trawniku można zobaczyć kilka najbardziej wpływowych postaci z historii informatyki i fizyki kwantowej, w tym Konrada Zuse, który opracował pierwszy programowalny komputer, oraz Richarda Feynmana, ważnego współautora teoria kwantowa. Feynman wygłosił przemówienie programowe na konferencji, w którym podniósł ideę obliczeń z wykorzystaniem efektów kwantowych. Bennett powiedział mi, że największy impuls, jaki uzyskała teoria informacji kwantowych, pochodzi od Feynmana. Powiedział: „Natura jest kwantowa, do cholery! Więc jeśli chcemy to zasymulować, potrzebujemy komputera kwantowego”.

Komputer kwantowy IBM — jeden z najbardziej obiecujących istniejących — znajduje się tuż obok biura Bennetta. Maszyna została zaprojektowana do tworzenia i manipulowania podstawowym elementem komputera kwantowego: kubitami, które przechowują informacje.

W tym laboratorium w IBM znajdują się maszyny kwantowe połączone z chmurą. jeremy liebman

Przepaść między snem a rzeczywistością

Maszyna IBM wykorzystuje zjawiska kwantowe zachodzące w materiałach nadprzewodzących. Na przykład czasami prąd będzie płynął jednocześnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Komputer IBM wykorzystuje obwody nadprzewodnikowe, w których kubit tworzą dwa różne stany energii elektromagnetycznej.

Podejście nadprzewodnikowe ma kluczowe zalety. Sprzęt można wykonać przy użyciu dobrze znanych metod produkcyjnych, a do sterowania systemem można użyć konwencjonalnego komputera. Kubity w obwodzie nadprzewodzącym są również łatwiejsze do manipulowania i mniej delikatne niż pojedyncze fotony czy jony.

W laboratorium kwantowym IBM inżynierowie pracują nad wersją komputera z 50 kubitami. Możesz przeprowadzić symulację prostego komputera kwantowego na zwykłym komputerze, ale przy około 50 kubitach staje się to prawie niemożliwe. Oznacza to, że IBM teoretycznie zbliża się do punktu, w którym komputer kwantowy może rozwiązać problemy, których nie może komputer klasyczny: innymi słowy, do supremacji kwantowej.

Ale jak powiedzą ci badacze IBM, supremacja kwantowa jest nieuchwytną koncepcją. Potrzebujesz wszystkich 50 kubitów, aby działały idealnie, podczas gdy w rzeczywistości komputery kwantowe są nękane błędami, które należy poprawić. Piekielnie trudno jest też utrzymywać kubity przez dłuższy czas; mają tendencję do dekoherencji lub utraty swojej delikatnej kwantowej natury, podobnie jak pierścień dymu pęka przy najmniejszym prądzie powietrza. A im więcej kubitów, tym trudniejsze stają się oba wyzwania.

Jeśli masz 50 lub 100 kubitów, które naprawdę działały wystarczająco dobrze i były w pełni skorygowane o błędy — mógłbyś wykonać niezgłębione obliczenia, których nie można odtworzyć na żadnej klasycznej maszynie, teraz lub kiedykolwiek, mówi Robert Schoelkopf, profesor i założyciel Yale firmy o nazwie Quantum Circuits. Drugą stroną informatyki kwantowej jest to, że istnieją wykładnicze sposoby, aby się nie udać.

Chipy wewnątrz komputera kwantowego IBM (na dole) są chłodzone do 15 milikelwinów. jeremy liebman

Innym powodem do ostrożności jest to, że nie jest oczywiste, jak użyteczny byłby nawet doskonale działający komputer kwantowy. Nie tylko przyspiesza to zadanie, które mu rzucasz; w rzeczywistości dla wielu obliczeń byłby wolniejszy niż klasyczne maszyny. Jak dotąd opracowano tylko kilka algorytmów, w których komputer kwantowy miałby wyraźną przewagę. A nawet dla nich ta przewaga może być krótkotrwała. Najsłynniejszy algorytm kwantowy, opracowany przez Petera Shora z MIT, służy do znajdowania czynników pierwszych liczby całkowitej. Wiele popularnych schematów kryptograficznych opiera się na fakcie, że jest to trudne do wykonania dla konwencjonalnego komputera. Ale kryptografia może się dostosować, tworząc nowe rodzaje kodów, które nie opierają się na faktoryzacji.

Rzeczą, która napędza szum, jest świadomość, że komputery kwantowe są rzeczywiście prawdziwe. To już nie marzenie fizyka – to koszmar inżyniera.

Właśnie dlatego, nawet gdy zbliżają się do kamienia milowego 50 kubitów, własni badacze IBM chcą rozwiać wokół niego szum. Przy stoliku w korytarzu, który wychodzi na bujny trawnik na zewnątrz, spotkałem Jaya Gambettę, wysokiego, wyluzowanego Australijczyka, który bada algorytmy kwantowe i potencjalne aplikacje dla sprzętu IBM. Jesteśmy na tym wyjątkowym etapie, powiedział, starannie dobierając słowa. Mamy to urządzenie, które jest bardziej skomplikowane niż można symulować na klasycznym komputerze, ale nie można nim jeszcze sterować z taką precyzją, jak algorytmy, które znasz.

Tym, co daje IBMersom nadzieję, jest to, że nawet niedoskonały komputer kwantowy może nadal być użyteczny.

Powiązana historia

Powiązana historia

Gambetta i inni badacze skupili się na aplikacji, którą Feynman przewidział w 1981 roku. Reakcje chemiczne i właściwości materiałów są określane przez interakcje między atomami i cząsteczkami. Oddziaływaniami tymi rządzą zjawiska kwantowe. Komputer kwantowy może – przynajmniej teoretycznie – modelować je w sposób, w jaki konwencjonalny nie może.

W zeszłym roku Gambetta i koledzy z IBM użyli maszyny z siedmioma kubitami do symulacji dokładnej struktury wodorku berylu. Przy zaledwie trzech atomach jest to najbardziej złożona cząsteczka, jaką kiedykolwiek modelowano za pomocą układu kwantowego. Docelowo naukowcy mogą wykorzystać komputery kwantowe do projektowania wydajniejszych ogniw słonecznych, skuteczniejszych leków lub katalizatorów, które zamieniają światło słoneczne w czyste paliwa.

Te cele są daleko. Ale, jak mówi Gambetta, możliwe jest uzyskanie wartościowych wyników z podatnej na błędy maszyny kwantowej połączonej z klasycznym komputerem.

Od snu fizyka do koszmaru inżyniera

Rzeczą napędzającą ten szum jest świadomość, że komputery kwantowe są rzeczywiście prawdziwe, mówi Isaac Chuang, szczupły, mówiący łagodnie profesor MIT. To już nie marzenie fizyka – to koszmar inżyniera.

Chuang kierował rozwojem jednych z najwcześniejszych komputerów kwantowych, pracując w IBM w Almaden w Kalifornii pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku. Chociaż już nad nimi nie pracuje, uważa, że ​​jesteśmy na początku czegoś bardzo dużego – że komputery kwantowe w końcu odegrają rolę nawet w sztucznej inteligencji.

Ale podejrzewa też, że tak naprawdę rewolucja nie rozpocznie się, dopóki nowe pokolenie studentów i hakerów nie zacznie bawić się praktycznymi maszynami. Komputery kwantowe wymagają nie tylko różnych języków programowania, ale całkowicie odmiennego sposobu myślenia o tym, czym jest programowanie. Jak to ujął Gambetta: tak naprawdę nie wiemy, jaki jest odpowiednik „Hello, world” na komputerze kwantowym.

Zaczynamy się dowiadywać. W 2016 roku IBM podłączył do chmury mały komputer kwantowy. Używając zestawu narzędzi do programowania o nazwie QISKit, można na nim uruchamiać proste programy; tysiące ludzi, od badaczy akademickich po dzieci w wieku szkolnym, zbudowało programy QISKit, które uruchamiają podstawowe algorytmy kwantowe. Teraz Google i inne firmy również umieszczają swoje rodzące się komputery kwantowe w Internecie. Niewiele można z nimi zrobić, ale przynajmniej dają ludziom spoza wiodących laboratoriów przedsmak tego, co może nadejść.

Społeczność startupowa też się ekscytuje. Niedługo po obejrzeniu komputera kwantowego IBM, poszedłem do szkoły biznesu Uniwersytetu Toronto, aby wziąć udział w konkursie ofert dla start-upów kwantowych. Zespoły przedsiębiorców nerwowo wstały i zaprezentowały swoje pomysły grupie profesorów i inwestorów. Jedna firma miała nadzieję wykorzystać komputery kwantowe do modelowania rynków finansowych. Inny planował, aby zaprojektowali nowe białka. Jeszcze inny chciał budować bardziej zaawansowane systemy AI. Na sali nie zauważono, że każdy zespół proponował biznes oparty na technologii tak rewolucyjnej, że prawie nie istnieje. Niewielu wydawało się zniechęconych tym faktem.

Ten entuzjazm może się pogorszyć, jeśli pierwsze komputery kwantowe będą powoli znajdować praktyczne zastosowanie. Najlepszym przypuszczeniem od tych, którzy naprawdę znają trudności — ludzi takich jak Bennett i Chuang — jest to, że do pierwszych użytecznych maszyn jest jeszcze kilka lat. I to przy założeniu, że problem zarządzania dużą kolekcją kubitów i manipulowania nią nie będzie ostatecznie nie do rozwiązania.

Mimo to eksperci mają nadzieję. Kiedy zapytałem go, jak może wyglądać świat, gdy mój dwuletni syn dorośnie, Chuang, który nauczył się obsługiwać komputery, bawiąc się mikroczipami, odpowiedział z uśmiechem. Może twoje dziecko będzie miało zestaw do budowy komputera kwantowego, powiedział.

ukryć