Wykorzystanie bitów kwantowych

Osiągnięcie nie może się tam równać z transmisją Samuela Morse'a „Co Bóg uczynił z Waszyngtonu do Baltimore w 1844 roku” lub intonacją głosu Alexandra Grahama Bella, Watson, przyjdź tutaj. Chcę cię z pokoju do pokoju w 1876 roku. Niemniej jednak naukowcy mogą w końcu oznaczyć jako kamień milowy dzień w 2001 roku, kiedy Isaac Chuang i jego koledzy z IBM ustalili, że dwa czynniki pierwsze liczby 15 to trzy i pięć.

Tym, co czyniło ich obliczenia niezwykłymi, nie była oczywiście arytmetyka gimnazjum, ale to, że obliczenia zostały wykonane przez siedem jąder atomowych w specjalnie zaprojektowanej cząsteczce fluorowęglowodoru. Ironia, że ​​eksperyment tak złożony i delikatny przyniósłby wynik tak przyziemny i przyziemny, nie umknie Chuangowi, jednemu z najwybitniejszych badaczy komputerów kwantowych na świecie. Moja grupa, mówi ze śmiechem, jest światowym rekordzistą w zakresie największego i najbardziej bezużytecznego komputera kwantowego.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2003 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale Chuang, obecnie profesor nadzwyczajny w MIT Media Lab, może wykazywać nadmiar pokory. Komputery kwantowe istnieją dzisiaj tylko na boleśnie małą skalę. Jednak pomimo powolnego startu dziedzina wydaje się być bliska osiągnięcia prawdziwych postępów w teorii i inżynierii kwantowej. Badacze zaproponowali pierwsze projekty wielkoskalowych komputerów kwantowych, urządzeń wykorzystujących dziwaczne właściwości cząstek subatomowych występujących w ekstremalnych rozmiarach i dużych prędkościach, aby rozwiązać problemy, które mieszają nawet najpotężniejsze konwencjonalne urządzenia obliczeniowe.

Jedno z obiecujących podejść inżynieryjnych wykorzystuje klasę urządzeń, które mogą uwięzić pojedyncze elektrony w polu elektromagnetycznym. Ich spin lub orientację w polu magnetycznym można zaobserwować, tworząc bit kwantowy lub kubit. Inne obiecujące podejście wykorzystuje magnetyczny rezonans jądrowy, który może manipulować zbiorami lub zespołami cząsteczek w celu wykonywania obliczeń i zwracania wyników w mierzalnej formie. Jest to technika, którą badają Chuang i Neil Gershenfeld, profesor MIT Media Lab. Ludzie wymyślają wszystkie te narzędzia, które ułatwią wykonanie komputera kwantowego, mówi Jonathan Dowling, główny naukowiec i kierownik grupy technologii obliczeń kwantowych w NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii.

Badania te zaczynają również wskazywać na krótkoterminowe spin-offy, w tym ulepszenia elektronicznych elementów sterujących dla urządzeń nawigacyjnych, komunikacyjnych i pomiarowych. Jedną z rzeczy, które robię, jest wymyślanie sposobów wykorzystania obliczeń kwantowych do tworzenia lepszych gadżetów, mówi Dowling. Wśród jego projektów jest żyroskop kwantowy, który wykorzystywałby kwantowe zachowanie fotonów, aby zwiększyć czułość tych kluczowych urządzeń nawigacyjnych. Ekscytacja rozprzestrzeniła się nawet na społeczność sztucznej inteligencji: istnieją oznaki, że zdolność algorytmów kwantowych do jednoczesnego sondowania wielu możliwości może pomóc w eksploracji wielkoskalowych baz danych, co jest jednym z najważniejszych praktycznych celów tej dziedziny. Jeśli systemy pozycjonowania geograficznego, telefony komórkowe, wyszukiwarki i układy scalone przyszłości są znacznie bardziej precyzyjne i niezawodne niż dzisiejsze, może to być wynikiem pionierskich wysiłków w zakresie obliczeń kwantowych, które są obecnie prowadzone w laboratoriach na całym świecie.

Branża elektroniczna oczywiście to zauważyła. IBM sponsoruje badania w zakresie obliczeń kwantowych w swoim Centrum Badawczym Almaden na obrzeżach Doliny Krzemowej, gdzie Chuang wykonywał swoją początkową pracę, a także w swoim flagowym Centrum Badawczym Thomasa J. Watsona w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork. Hewlett-Packard wspiera badania w zakresie obliczeń kwantowych w swoich laboratoriach w Palo Alto w Kalifornii i Bristolu w Anglii. A przemysł półprzewodników, który osiągnął pełnoletność wraz z postępem w elektronice klasycznego informatyki, bacznie obserwuje rozwój w tej dziedzinie, aby lepiej przygotować się na erę post-Prawa Moore'a, kiedy miniaturyzacja klasycznych układów elektronicznych uderzenia w fizyczne ograniczenia. Eksperci przewidują, że stanie się to w ciągu najbliższych dwóch dekad.

Postęp był powolny, ale stały, mówi David P. DiVincenzo z laboratorium IBM Watson. Dwa, trzy lata temu podjęto pewne znaczące wysiłki, które zaczynają przynosić efekty.

Wiele rzeczywistości

Niezależnie od podejścia technologicznego, celem obliczeń kwantowych jest wykorzystanie samej jakości mechaniki kwantowej, której projektanci klasycznych komputerów usilnie starają się uniknąć: jej czystej dziwności.

Obwody logiczne tradycyjnych komputerów, na przykład, działają poprzez wykrywanie dyskretnych różnic napięcia przechodzącego przez bramki elektroniczne: wysokie napięcie wskazuje na jedynkę binarną, a niskie napięcie na zero. Informacja binarna może być również reprezentowana przez spin elektronu lub biegunowość fotonu. Ale ponieważ cząstki te istnieją w sferze kwantowej, która charakteryzuje się nieskończenie małymi odległościami, prędkościami zbliżonymi do prędkości światła i ekstremalnie niskimi poziomami energii, ich stany nie zawsze można określić jako ściśle jeden lub zero. Elektrony i fotony mogą zachowywać się jak fale, a nie cząstki, wydają się zajmować więcej niż jedno miejsce na raz, a jednocześnie wykazują niezgodne stany: na przykład spin elektronu może być zarówno w górę, jak i w dół, stan, który mechanika kwantowa nazywa superpozycją. W kategoriach obliczeniowych kubit może być jednocześnie jednym i zerem.

Drugim zjawiskiem ważnym dla informatyki kwantowej jest splątanie, w którym powstają dwie lub więcej cząstek o wzajemnie zależnych właściwościach: gdy na przykład pojedynczy foton jest zamieniany w dwie komplementarne cząstki za pomocą dzielnika wiązki optycznej. Pomiar właściwości jednej cząstki natychmiast określa stan drugiej, nawet jeśli w momencie pomiaru obie są oddzielone od siebie odległościami galaktycznymi. (Einstein słynął z tego, że wyśmiewał to zjawisko jako upiorne działanie na odległość.)

Od dawna uważano, że zjawiska te można wykorzystać do rozwiązywania problemów obliczeniowych poza zasięgiem tradycyjnej technologii. Pojedynczy bit kwantowy, który może znajdować się w dwóch stanach naraz, może wykonać zadanie dwóch klasycznych bitów działających równolegle. (Tylko wtedy, gdy cząstka jest mierzona lub obserwowana, wszystkie możliwości rozkładają się w jedną, klasyczną rzeczywistość.) Tymczasem dwa splątane kubity mogą jednocześnie oceniać cztery dane wejściowe. Innymi słowy, tradycyjny rejestr pamięci z ośmioma bitami może przechowywać tylko jedno z możliwych 28 lub 256 słów cyfrowych, ale rejestr kwantowy z ośmioma kubitami może reprezentować i obliczać wszystkie 256 słów jednocześnie.

Takie ogólne pojęcia sformułował m.in. Richard Feynman już w latach 80. XX wieku. Jednak przez lata nikt nie miał jasnego pomysłu, jak można je zastosować do prawdziwych problemów. W 1994 roku matematyk Peter W. Shor z AT&T Bell Labs opisał algorytm lub program, który dowiódł, że komputer kwantowy może rozkładać duże liczby wykładniczo szybciej niż jakakolwiek znana metoda konwencjonalna.

Odkrycie Shora było ważne, ponieważ faktoryzacja jest dokładnie tym rodzajem problemu, który przytłacza konwencjonalne komputery: gdy liczba rośnie, zasoby potrzebne do jej rozłożenia na czynniki szybko się powiększają. Rozłożenie liczby sześć na czynniki jest trywialne, ale eksperci szacują, że znalezienie rozczynników liczby składającej się z 300 cyfr zajęłoby wszystkim superkomputerom na świecie dłużej niż wiek znanego wszechświata.

Co więcej, faktoring jest problemem matematycznym w zastosowaniach w świecie rzeczywistym. U podstaw nowoczesnej kryptografii, która polega na tym, by tworzyć niezniszczalne klucze, leży nieusuwalność faktoringu dużej liczby. Algorytm Shora reprezentował zarówno sztylet w sercu starych niezniszczalnych kodów, jak i drogowskaz wskazujący na nową klasę naprawdę niezniszczalnych kodów. Rzeczywiście, wielu ekspertów w dziedzinie informatyki kwantowej przewiduje, że kryptografia kwantowa będzie pierwszą komercyjną aplikacją, która wyłoni się z raczkującej nauki, a już co najmniej trzy firmy powstały w celu wprowadzenia na rynek bezpiecznych systemów komunikacyjnych opartych na faktoringu kwantowym ( zobaczyć Kryptografia kwantowa , TR luty 2003 ).

Poza bezpiecznymi kodami

jednocześnie prace Shora wywołały wzrost zainteresowania innymi możliwymi zastosowaniami obliczeń kwantowych. Po pierwszym wyniku Shora, mówi informatyk Wim van Dam z HP Labs, wszyscy byli bardzo optymistycznie nastawieni, że znajdziemy mnóstwo algorytmów, dla których obliczenia kwantowe będą przydatne. Jednak przez większość lat 90. takie zabójcze aplikacje pozostawały nieuchwytne. Przez pewien czas naukowcy obawiali się, że problem faktoryzacji będzie jedyną korzyścią z obliczeń kwantowych.

Jednak w ciągu ostatnich dwóch lat lepsze zrozumienie działania kubitów pobudziło nowe poszukiwania problemów, do których rozwiązywania szczególnie dobrze nadają się kubity. Edward Farhi z Centrum Fizyki Teoretycznej na MIT jest jednym z tych, którzy podjęli się tej pracy. Całym celem naszego zainteresowania, mówi Farhi, jest to, że gdybyś miał doskonale działający komputer kwantowy, co byś z nim zrobił?

Farhi i jego koledzy zidentyfikowali szereg ogólnych, choć abstrakcyjnych, obliczeń, które komputery kwantowe mogą wykonać znacznie szybciej niż komputery klasyczne. Jednym z nich jest problem nawigacyjny, w którym podróżnik bez mapy ani przewodnika przemieszcza się z punktu początkowego do celu losowymi ścieżkami, które rozgałęziają się z określonej liczby stacji. Nikogo nie dziwi, zespół Farhiego wykazał, że w takich warunkach czas, jaki zajmuje klasyczny komputer, aby znaleźć drogę z punktu DO wskazać b rozszerza się wykładniczo jako liczba punktów rozgałęzień między DO oraz b wzrasta. W przeciwieństwie do tego, komputer kwantowy poruszałby się jednocześnie wszystkimi możliwymi ścieżkami, niezawodnie odnajdując drogę przez labirynt w ramach czasowych, które rozszerzają się tylko arytmetycznie wraz ze złożonością labiryntu.

Jestem z tego trochę zadowolony, chociaż jest trochę sztuczny, mówi Farhi. Tym, co odróżnia problem Farhiego od słynnego problemu komiwojażera i innych logistycznych zagadek, jest to, że podróżnik nie ma mapy, a zatem ma tylko ograniczoną wiedzę na temat ścieżki. Ale w prawdziwym świecie podróżnik prawdopodobnie ma mapę pokazującą wszystkie możliwe ścieżki, a wyzwaniem jest znalezienie najbardziej wydajnej trasy. Wszystko, co robi komputer kwantowy, to przemierzanie wszystkich ścieżek jednocześnie, aby szybko dotrzeć do celu – ale nie wygeneruje określonej trasy. Nie jest więc jeszcze jasne, czy praca Farhiego wskazuje na praktyczne zastosowanie. To odskocznia do lepszego przykładu, mówi Farhi z nadzieją. Myślę, że można powiedzieć, że szukamy przykładu ze świata rzeczywistego.

Bardziej prawdopodobnym zastosowaniem obliczeń kwantowych może być przeszukiwanie baz danych. W 1996 r. Lov Grover, naukowiec z Bell Labs firmy Lucent Technologies, opracował algorytm, który pokazał, jak obliczenia kwantowe mogą znacznie przyspieszyć wyszukiwanie: Klasyczny komputer przeszukujący książkę telefoniczną z, powiedzmy, milionem wpisów, miałby średnio około pięćset tysięcy próbuje znaleźć jeden określony numer telefonu. Komputer kwantowy wymagałby tylko tysiąca prób.

Chodzi o to, mówi Farhi, że przyspieszenie kwantowe nie jest uniwersalne. Tak więc znalezienie problemów, dla których jest to korzystne, jest sztuką.

Pułapki kubitów

Podczas gdy Farhi i jego koledzy ustalają, co można zrobić z komputerem kwantowym, inni ciężko pracują nad samym sprzętem.

DiVincenzo z IBM twierdzi, że praktyczny komputer kwantowy musi mieć pięć podstawowych funkcji: musi zapewniać kubity-cząstki lub grupy cząstek, które można wyizolować i umieścić w superpozycji, w stanie nieokreślonym, w którym reprezentują zarówno jedynki, jak i zera. Operatorzy muszą mieć możliwość kontrolowania początkowych stanów kubitów, analogicznie do ustawienia ich wszystkich na zero na początku obliczeń. Kubity muszą pozostać stabilne — w superpozycji wystarczająco długo, aby wykonać operację — w dowolnym miejscu od milisekund do kilku sekund. Musi istnieć możliwość zaimplementowania obwodów logiki kwantowej, które odpowiadają takim operatorom boolowskim, jak oraz , lub , oraz nie , które stanowią podstawę tradycyjnej architektury komputerowej. W klasycznych komputerach wyrażenia te zawarte są w obwodach elektrycznych. Najprostsza bramka logiczna, bramka nie, konwertuje przychodzącą jedynkę cyfrową na zero i na odwrót. Aby manipulować kubitami, obwody kwantowe będą musiały wykorzystywać techniki, takie jak niezwykle precyzyjna kontrola pól magnetycznych lub impulsów laserowych.

Ostatecznym wymogiem komputera kwantowego jest udostępnienie użytkownikowi wyników obliczeń poprzez np. odczyt wizualny.

Większość eksperymentów związanych z obliczeniami kwantowymi sprowadza się do wysiłków, które spełniają jedno lub więcej wymagań DiVincenzo. Jest prawdopodobnie pół tuzina poważnych propozycji i 10 razy więcej, które nie są poważne, mówi Bruce Kane, który specjalizuje się w nauce urządzeń jednoelektronowych na Uniwersytecie Maryland.

Na przykład Chuang i Gershenfeld użyli magnetycznego rezonansu jądrowego do pomiaru spinu kubitów w materiałach sypkich – fiolce zawierającej miliard miliardów cząsteczek, wykonanych na zamówienie z fluoru, węgla, żelaza, wodoru i tlenu. Spiny jąder pięciu atomów fluoru i dwóch atomów węgla w każdej cząsteczce działały jako oddziałujące kubity w celu wykonania algorytmu Shora. Chociaż osiągnięcie Chuanga i Gershenfelda w kontrolowaniu i mierzeniu obrotów siedmiu kubitów zostało powszechnie przyjęte, wielu w tej dziedzinie uważa, że ​​zwiększenie skali tego podejścia będzie niezwykle trudne. Ograniczeniem jest to, że za każdym razem, gdy dodajesz kubity, stosunek sygnału do szumu maleje, mówi Kane, odnosząc się do ilości przydatnych informacji, takich jak nadmiar cząstek o jednym spinie nad cząstkami o innym spinie, które można odróżnić od losowych. zaburzenia w masie materiału fluorowęglowego.

Sam Chuang przyznaje, że jego siedmiobitowy komputer kwantowy jest daleki od skali potrzebnej do sensownych obliczeń. Aby było to praktyczne, będziemy musieli dotrzeć do tysięcy, jeśli nie setek tysięcy kubitów, mówi. Dodaje, że konkurencyjne podejście, które wykorzystuje techniki inżynieryjne w nanoskali do budowy kontenerów kubitowych, może być łatwiejsze do skalowania.

David J. Wineland i jego zespół badają tę alternatywę w Dziale Czasu i Częstotliwości amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Boulder w stanie Kolorado. Budują miniaturowe urządzenia za pomocą elektrod, które izolują jony w pułapkach utworzonych z pól elektrycznych. Zaletą tego podejścia, mówi Wineland, jest to, że pułapki jonowe są stosunkowo łatwe do wytworzenia, mogą być ze sobą połączone i mogą pomieścić więcej niż jeden jon na pułapkę. Wineland sugeruje, że ciąg jonów zamknięty w jednej pułapce może działać jako rodzaj pamięci kwantowej, a każdy dodatkowy kubit zwiększałby wykładniczo pojemność pamięci. Już teraz grupa Wineland namówiła takie kubity, aby pozostawały w stanie superpozycji nawet przez 10 minut. Ale jedną obecną słabością tego schematu jest to, że trudno jest przenosić informacje kwantowe między jonami trzymanymi w oddzielnych pułapkach, co jest konieczne w obliczeniach na dużą skalę.

Podziały kwantowe

tworzenie kubitów, które wchodzą w interakcje i pozostają w superpozycji wystarczająco długo, aby stały się użyteczne, zajmie badaczy informatyki kwantowej na wiele lat. Mimo to pojawiają się praktyczne korzyści, ponieważ naukowcy wykorzystują zjawiska stojące za obliczeniami kwantowymi w pokrewnych dziedzinach.

W NIST, którego misja instytucjonalna obejmuje wyznaczanie standardów pomiaru czasu, zainteresowanie Wineland obliczeniami kwantowymi wyprzedzało nawet algorytm Shora. Zaczęliśmy wymyślać sposoby wykorzystania splątania kwantowego do poprawy stosunku sygnału do szumu w zegarach atomowych – wyjaśnia. Wiedzieliśmy, że istnieje stan splątania kwantowego, który może ulepszyć zegar, a idee obliczeń kwantowych pokazały, jak to zrobić. Z grubsza mówiąc, dzisiejsze zegary atomowe działają na podstawie średnich jednoczesnych odczytów oscylujących pól magnetycznych ponad miliona atomów cezu; Splątanie kwantowe może skrócić czas potrzebny do obliczenia tej średniej i zwiększyć precyzję, umożliwiając jednoczesne wykonywanie wielu odczytów.

Dowling z Jet Propulsion Laboratory dodaje, że splątanie kwantowe może zapewnić lepszy sposób na synchronizację zegarów naziemnych z zegarami w kosmosie. Obecnie synchronizacja ziemia-przestrzeń, która najczęściej odbywa się drogą radiową, jest zakłócana, choć w niewielkim stopniu, przez załamanie atmosferyczne i inne efekty. Ponieważ splątane fotony są połączone na poziomie kwantowym, są odporne na te fizyczne zakłócenia. Wyeliminowanie tych [efektów] byłoby naprawdę wielką sprawą, mówi Dowling. Sugeruje wysyłanie splątanych cząstek do miejsc, które mają zostać zsynchronizowane. Dowling mówi, że pomiar jednej cząstki natychmiast wywołałby tykanie drugiej. Po skalibrowaniu swoich zegarów do tykających cząstek operatorzy wiedzieliby, że zegary się zgadzają.

Aby nikt nie sądził, że udoskonalenia pomiaru czasu w skali kwantowej mają jedynie znaczenie akademickie, należy zauważyć, że atomowe pomiary czasu są podstawą systemów pozycjonowania geograficznego, technologii śledzenia satelitarnego i sieci komunikacji mobilnej, które są synchronizowane co sekundę. Historia na zawsze pokazała, że ​​zawsze, gdy istnieje lepszy zegar, to się przyzwyczai, mówi Wineland. Można się założyć, że trend się utrzyma.

Tymczasem naukowcy z branży szukają sposobów na uruchomienie obliczeń kwantowych, łącząc je z konwencjonalnymi technologiami, w których mają większe doświadczenie. W zeszłym roku firma Hewlett-Packard zawarła sojusz roboczy o wartości 2,5 miliona dolarów z Gershenfeldem i Chuangiem, aby, jak mówi starszy naukowiec HP Labs, Philip Kuekes, połączyć nasze doświadczenie. HP jest zaintrygowana na przykład możliwością przesyłania bitów kwantowych zwykłymi liniami światłowodowymi – których tysiące kilometrów są zainstalowane, ale niewykorzystane w całym kraju. To całkiem interesujące, mówi Kuekes. Transmisja informacji kwantowych na duże odległości, wzmocniona cechami splątania kwantowego, umożliwiłaby korespondentom dzielenie się kluczami kodu bez obawy, że zostaną naruszone. Oznacza to, dodaje, że jedną z rzeczy, które mogą się wydarzyć dość wcześnie, jest kryptografia kwantowa.

Chociaż, jak wykazały badania, kubity mogą być przesyłane liniami światłowodowymi, transmisje działają jednorazowo nie dłużej niż dziesiątki kilometrów. Jak mówi Kuekes, wysyłanie kubitów przez kontynenty lub oceany wymagałoby systemu przełączników kwantowych i repeaterów, analogicznych do wersji półprzewodnikowych, które pomagają przenosić dane w Internecie. Byłoby to równoznaczne z prostymi komputerami kwantowymi wyposażonymi w oprogramowanie do korekcji błędów, które mogłoby zrekompensować nieuniknioną utratę superpozycji wśród wielu kubitów podróżujących. Rozwój tego oprogramowania jest jednym z głównych kierunków badań HP Labs.

W naukowym przykładzie dziecka bycia ojcem mężczyzny, badania stosowane odrzuciły pewne dodatkowe korzyści nawet w macierzystej nauce mechaniki kwantowej. Okazuje się, że narzędzia potrzebne do udoskonalenia obliczeń kwantowych pomagają również zademonstrować zachowanie cząstek, które do tej pory fizycy postulowali tylko w teorii.

Jest piękny płynący w drugą stronę, mówi John Preskill, profesor fizyki teoretycznej w Caltech. Zainteresowanie obliczeniami kwantowymi zainspirowało wiele interesujących nauk. Jesteśmy daleko od programu awaryjnego w inżynierii, ale wkraczamy w nową erę fizyki skondensowanej materii.

Wynika to w dużej mierze z wymogu obliczeń kwantowych, aby kubity były kontrolowane i mierzone z niespotykaną dotąd precyzją. Według Preskill tradycja w fizyce materii skondensowanej polega na przeprowadzaniu eksperymentów na zespołach, czyli na ogromnych ilościach atomów, których zachowanie kwantowe można zidentyfikować statystycznie. Zwykle nie mierzysz zachowania pojedynczych elektronów.

W szczególności eksperymenty Wineland w NIST, jak mówi Preskill, dały fizykom niezrównane okno na zachowanie poszczególnych cząstek. Na przykład rozkład kubitów na klasyczne jedynki lub zera jest zjawiskiem, które w przeszłości naukowcy mogli wywnioskować jedynie na podstawie obserwacji całych chmur elektronów lub fotonów. Średni sygnał chmur wskazywałby, czy niektóre cząstki zmieniły swój stan kwantowy, ale tak naprawdę nie widać zachowania poszczególnych cząstek, mówi Preskill. To naprawdę nowy rodzaj eksperymentu.

Preskill, podobnie jak inni w tej dziedzinie, ostrzega, że ​​zanim obliczenia kwantowe będą mogły wykroczyć poza swoje obecne podstawowe zastosowania, należy odpowiedzieć na wiele pytań i rozwiązać krytyczne problemy. Nie mogę powiedzieć, czy ta dziedzina za 10 lat nadal będzie wyglądać tak ekscytująco, przyznaje. Ale na razie pole wydaje się świeże i nowe. Jeszcze raz.

ukryć