RĪGA, 3. janvāris - Sputnik. Kvantu fizika pārvalda visu, kas mūs ieskauj. Vai iespējams pārvērst Visumu par kvantu datoru, vai citplanētieši to pamanīs un kāpēc vispār tādas mašīnas vajadzīgas? Uz šiem jautājumiem portālam RIA Novosti atbildēja Džeikobs Biamonte, "Skolteh" profesors, viens no lielākajiem speciālistiem kvantu fizikas nozarē un pastāstīja, kā nokļuvis Krievijā.
"Gaišā nākotne"
"Krievijā pirmo reizi ierados vairāk nekā pirms desmit gadiem, turklāt man ne prātā nenāca nodarboties ar fiziku. Mana aizraušanās ir cīņas māksla, arī sambo, un šeit ierados, lai mācītos un apmainītos domām. Tikai vēlāk uzzināju, ka šeit ir visi apstākļi darbam ar mūsdienu zinātni, piesaistot sadarbībai zinātniekus no visas pasaules," – stāsta zinātnieks.
Patlaban viņš vada laboratoriju Deep quantum labs, kas izveidota pirms diviem "Skolteh" (Skolkovas Zinātnes un tehnoloģijas institūts – red.) ietvaros ar mērķi apvienot Krievijas un ārvalstu fiziķu, matemātiķu, programmētāju un inženieru darbu, kuri pēta ar kvantu skaitļošanas sistēmu attīstību saistītās problēmas.
"Mēs nenodarbojamies ar praksi, bet ar visiem kvantu aprēķinu teorētiskajiem un "programmēšanas" aspektiem un sadarbojamies ar eksperimentatoriem, tostarp – arī zinātniekiem no "Skolteh", speciālistiem ko Maskavas Valsts universitātes, Krievijas Kvantu centra un Sanktpēterburgas Valsts Informācijas tehnoloģiju, mehānikas un optikas universitāti. Mēs esam gatavi sadarbībai un varam palīdzēt jebkuriem eksperimentatoriem, kuri pēta tamlīdzīgus jautājumus," – turpināja profesors.
Kas tas ir – kvantu dators? Pēc rakstura tas būtiski atšķiras no klasiskajām skaitļošanas iekārtām, kas ļauj veikt vienkāršas vai sarežģītas matemātiskās operācijas ar skaitļiem vai datu kompleksiem.
Klasisko datoru kolēģos – kvantu kompjūteros, kuru darba principus vairāk nekā pirms 30 gadiem formulēja padomju fiziķis Jurijs Maņins, informācija tiek kodēta principiāli atšķirīgi. Elementārās atmiņas šūnas, tā saucamie kubīti, var saturēt nevis nulli vai vieninieku, bet gan veselu lielumu spektru to starpā.
Rezultātā tamlīdzīgu skaitļotāju jauda pieaug eksponenciāli: to, kā rīkosies kvantu procesors ar dažiem desmitiem kubītu, nav iespējams aprēķināt par ar jaudīgāko klasisko superdatoru palīdzību.
Ilgu laiku tamlīdzīgas mašīnas bija tikai zinātniskās fantastikas un fiziķu teorētisko pētījumu tēma, taču pēdējo 15 gadu laikā zinātnieki panākuši apvērsumu kubītu izveidē un to apvienošanā sarežģītākās sistēmās. Attīstītākie kvantu datori, ko izstrādājuši Google, IBM un Mihaila Lukina grupa Hārvardas universitātē, satur 20-50 kubītus.
Neskatoties uz šiem sasniegumiem, iekārtu izstrādātāji uzskata, ka pilnvērtīgas skaitļošanas sistēmas, kas spēj atrisināt jebkuru uzdevumu, tik drīz vēl neparādīsies, iespējams, pēc 10-20 gadiem. Interesanti, ka šis vērtējums nav mainījies kopš 90. gadu beigām, taču pastāvīgi rodas jaunas problēmas, kas atkal un atkal liek atlikt "gaišo kvantu nākotni".
Džeikobs Biamonte savās zinātniski populārajās lekcijās stāsta, ka viņa viedoklis ir citāds – pēc viņa domām, "lietderīgas" kvantu skaitļošanas sistēmas parādīsies daudz agrāk, taču tās būtiski atšķirsies no jebkādiem plašās publikas un mediju priekšstatiem.
"Patlaban fizikā pastāv viena liela problēma, kas vienlaikus veido arī tās galveno priekšrocību, - visu vada eksperimentatori. Kaut kādu iemeslu dēļ viņiem šķiet, ka eksperimenti zinātnei ir svarīgāki nekā teorija. Pateicoties nozarē ieguldītajai naudai, teorētiskā fizika faktiski ir iznīcināta," – atklāja Biamonte.
Profesors uzskata, ka viņš pieder pie klasiskās teorētiskās fizikas, kuras idejas zinātnē dominēja pirms gadsimta, kvantu mehānikas dzimšanas un mūsdienu Einšteina fizikas pirmajos posmos. Pēdējo gadu desmitu laikā tādiem kā Biamonte, nācies pārvākties uz matemātikas fakultātēm, kur viņi jūtas daudz ērtāk.
"Eksperimentatorus, tostarp arī kvantu datoru radītājus, uztrauc tikai viņu pašu darbi. Tikai retumis viņi interesējas par to, kas zināms par tādu iekārtu darbiem kopumā. Tas ietekmē viņu mentalitāti un liek sniegt nevis racionālu, bet gan emocionālu vērtējumu," – paskaidroja pētnieks.
Piemēram, vēl joprojām nav neviena precīza pierādījuma tam, ka kvantu datori var apsteigt klasiskos analogus aprēķinu ātruma ziņā. Pie tam, Biamonte precizēja, ja apkoposim visus vienkāršotos modeļus, kas demonstrē dažus pārākuma aspektus, saņemsim pārliecinošus kvantu skaitļošanas mašīnu pārākuma pierādījumus.
"No vienas puses, Aleksejam Ustinovam, Aleksandram Zagoskinam un citiem nozares līderiem ir taisnība: kvantu dators patiešām parādīsies tikai pēc kāda laika. No otras puses, runa šajā gadījumā ir par universālajām mašīnām, kas spēj labot savas kļūdas," – atzīmēja fiziķis.
Taču Biamonte uzsvēra, ka datoru nav iespējams uzskatīt par nederīgu vai nepilnvērtīgu, lai arī tādu iespēju tam nav.
Atomu aritmometrs
"Dabā ir neskaitāmi daudz dažādu kvantu sistēmu piemēru, kam šādu spēju nav. Ar parasto datoru palīdzību to rīcību aprēķināt ir ļoti grūti. Tāpēc kvantu sistēmas radīšana, kas izmantos tādus procesus, ļaus mums veikt atbilstošos aprēķinus un iegūt kaut ko noderīgu," – ir pārliecināts zinātnieks.
Ideja nav jauna – to pauda slavenais amerikāņu fiziķis Ričards Feinmans tikai divus gadus pēc Maņina pirmajām publikācijām. Biamone atzīmēja, ka dažu pēdējo gadu laikā eksperimentatori aktīvi izstrādā tamlīdzīgas sistēmas, bet teorētiķi pārdomā, kur tās iespējams izmantot.
Šādām analogajām skaitļošanas iekārtām, tā saucamajiem adiabātiskiem datoriem nav noteikti jāizmanto kvantu efekti – daudzu uzdevumu risināšanai pietiek ar atomu klasisko mijiedarbību.
"Pastāv triju tipu tāda veida skaitļošanas mašīnas – klasiskās adiabātiskās iekārtas, to brāļi ar kvantu paātrinājumu un pilnvērtīgie kvantu procesori, kas būvēti uz kvantu loģisko elementu bāzes. Pēdējie radīti IBM laboratorijās, pirmie – Fujitsu, otrie — D-Wave," — stāstīja zinātnieks.
Biamonti un viņa kolēģi "Skoltehā" visvairāk interesē trešās klases mašīnas. Viņš paskaidroja, ka tamlīdzīgas iekārtas ir visai grūti izstrādāt, taču tās iespējams izmantot sarežģītāko optimizācijas uzdevumu risināšanai: no mašīnapmācības līdz jaunu medikamentu izstrādei.
"Šīs mašīnas ir ļoti interesantas, taču pirmās īstās tāda tipa iekārtas parādīsies tikai pēc dažiem gadiem. No otras puses, klasiskos un kvantu adiabātiskos datorus reāli izstrādāt jau tagad. Un patlaban tie joprojām ir noderīgākie starp kvantu datoriem," – piezīmēja Biamonte.
Pētnieks pastāstīja, ka daudzus procesus daļiņu fizikā daba ieprogrammējusi tā, ka tie paši sevi optimizē, tiecoties panākt enerģētisko minimumu. Tātad, ja izdotos iemācīties, kā kontrolēt šos procesus, varētu atomus vai jebkādus citus objektus piespiest izpildīt šos aprēķinus mūsu vietā.
"Kāpēc tērēt milzum daudz procesora laika tādai optimizācijai, ja to var paveikt klasiskais adiabātiskais dators vai kvantu iekārta, tāda kā D-Wave? Tēlaini izsakoties, kāpēc mums būtu jāizmanto virtuāla aerodinamiskā caurule, pētot vēju, ja mums jau ir īsta? Daudzi uzņēmumi Krievijā par to domā, un mēs ar viņiem aktīvi sadarbojamies," – apliecināja zinātnieks.
Sekmīgi eksperimenti pavērs ceļu kvantu datoriem, kuros kvantu fizikas principi tiek izmantoti atomu un citu daļiņu mijiedarbības paātrināšanai. Protams, daži zinātniskie uzdevumi tiem nebūs pieejami, tomēr tie varēs atrisināt virkni sadzīves problēmu, piemēram, ceļu satiksmes optimizācija vai akciju portfeļa pārvalde.
"Skolteha" profesors atzīmēja, ka lielākā daļa novērotāju uzskata: kvantu sacensībās uzvarēs Google. Biamonte tam nepiekrīt: Kalifornijas kompānijas pārstāvjiem ļoti patīk stāstīt par panākumiem, taču viņi reti publicē zinātniskus rakstus un neatklāj savu kvantu mašīnu noslēpumus.
Pēc viņa domām, mērķim tuvāk ir IBM inženieri – kompānijas skaitļošanas mašīnas patiešām strādā, turklāt tās iespējams jebkurā brīdī pārbaudīt ar speciālo mākoņu sistēmu palīdzību. Pagaidām mērogs ir ierobežots, un iekārtas vēl nav iespējams izmantot sarežģītu uzdevumu risināšanai.
"Domājošās" galaktikas
Ja tuvākajā nākotnē tiks radītas tamlīdzīgas "nopietnas" sistēmas, rodas likumsakarīgs jautājums: ko ar tām var darīt, kādus izmērus tās var sasniegt un kā tās ietekmēs mūsu dzīvi?
Pats Biamonte uzskata, ka nav principiālu fizisku ierobežojumu kvantu datoriem ar miljoniem kubītu. No otras puses, nav saprotams, kāds būs kubītu skaits, jo patlaban mēs atrodamies kvantu tehnoloģiju attīstības sākuma posmā.
"Pagaidām mēs cenšamies pielāgot jau esošās elektronu tehnoloģijas darbam ar kvantu datoriem. Pie tam neviens nav pārliecināts, ka tas ir pareizais ceļš. Pastāv sistēmas, kas daudz labāk piemērotas kvantu mašīnu radīšanai. Tiesa, tās ir daudz sarežģītāk vadīt," – paskaidroja zinātnieks.
Piemēram, īpašie defekti dimantos, gandrīz tikpat labi izolēti no ārpasaules kā atsevišķi atomi kosmosa vakuumā. Vēl nav zināms, kādu skaitu tamlīdzīgu punktu var izvietot vienā dimantā un cik tuvu viens otram tie var atrasties, netraucējot kaimiņu darbam. No atbildes uz šiem jautājumiem ir atkarīgs tas, vai kvantu datoros tiks izmantoti dimanti.
"Skolteha" profesors atzīmēja, ka lielās kvantu mašīnas risinās ne tikai ar cilvēka ikdienas dzīvi saistītos praktiskos uzdevumus, bet arī interesantākās zinātnes mīklas.
Iespējams, tās ļaus atklāt gravitācijas kvantu dabu un pārbaudīt Biamontes teorijas par laika simetriju, vērojot, vai to darbā rodas īpašas evolūcijas mēģinājumos iztraucēt šo simetriju vai pavērst laiku atpakaļ aprēķinos šajās mašīnās.
Ko zinātne risinās, kad cilvēce tiks galā ar šiem uzdevumiem? Biamonte uzskata, ka šis jautājums ir paradoksāli saistīts ar ārpuszemes dzīvības meklējumiem un to, kā citplanētu civilizāciju pārstāvji var signalizēt par savu pastāvēšanu.
"Iedomājieties, ka mēs pakļausim sev visu Visuma enerģiju un spēku. Ko mēs izdarīsim vispirms? Protams, mēs varam sevi iznīcināt, taču ir arī interesantāks scenārijs. Piemēram, mums parādīsies iespēja paātrināt Zemes kustību līdz superlielam ātrumam un atstāt orbītā datoru," – stāsta fiziķis.
Relativitātes teorija liecina, ka laiks uz planētas palēnināsies. Ja tādā stāvoklī pavadīsim desmitiem gadu, kvantu skaitļošanas mašīna vai parasts dators "ārpasaulē" nostrādās vairākus gadu tūkstošus. Turklāt tam nav noteikti jābūt ar rokām taisītam datoram, tā lomu var pildīt dažādi kosmiskie objekti, piemēram, gigantiskie gāzes mākoņi.
"Cik bieži iespējams tā rīkoties? Nepārprotamas robežas tādam "aprēķinu paātrinājumam" nav, taču mums visiem zināms, ka vēlīnais Visums nebūs mums īpaši interesants. Zvaigznes pakāpeniski dzisīs, galaktikas kļūs viena otrai neredzamas visuma paplašināšanās dēļ," – atzīmēja profesors.
Šādas pārdomas liek uzdot likumsakarīgu jautājumu: ja tas ir pa spēkam cilvēcei, kāpēc gan citplanētieši nevarētu rīkoties tāpat? Tātad kosmosā jābūt kaut kādām "kosmisko" kvantu aprēķinu vai to klasisko analogu pēdām. Kas norādīs uz citplanētiešu gigantiskajiem kvantu datoriem?
"Nevaru precīzi atbildēt uz jautājumu, kas tas varētu būt, vai izteikt pieņēmumu, kā tos meklēt. Vienlaikus tādu "visuma skaitļotāju" pastāvēšana man šķiet daudz ticamāka nekā "saprātīgu planētu" vai citu kosmisko objektu parādīšanās, kas spētu sevi apzināties, par ko bieži spriež "kvantu" filozofi," – noslēgumā piebilda Biamonte.