RĪGA, 1. janvāris – Sputnik. Krievijas Kvantu centrs regulāri organizē lielas starptautiskās konferences, kas veltītas kvantu tehnoloģiju attīstībai un praktiskai pielietošanai. To darbā piedalās ne tikai vadošie pētnieki, bet arī lielu uzņēmumu pārstāvji no Krievijas un citām valstīm, kā arī valdības pārstāvji, vēsta RIA Novosti.
Šogad konferencē uzstājās sarežģītu kvantu skaitļošanas sistēmu izstrādes līderi: Mihails Lukins, Hārvardas universitātes profesors, kurš iepriekšējā konferencē pirmo reizi paziņoja, ka radīts rekordjaudīgs 51 kubīta dators, kā arī profesori Kristofers Monro un Hārmuts Nēvens – triju zinātnisko komandu līderi.
Merilendas universitātes profesors Kristofers Monro gandrīz vienlaikus ar kolēģi radīja līdzīgas jaudas mašīnu, izmantojot līdzīgus, lai arī mazliet atšķirīgus principus.
Viņš pastāstīja RIA Novosti, kādā virzienā attīstās sistēma, ar ko tā atšķiras no konkurentiem, un kur meklējama robeža starp īstiem kvantu datoriem, kuri pilnībā atbilst šim terminam, un skaitļošanas sistēmām, kas veidotas uz klasisko principu pamata.
Kvantu pārākums
"Nebūt ne visu mūžu esmu strādājis pie kvantu aprēķiniem. Zinātniskās karjeras sākumā es strādāju pie atompulksteņiem. Kad ieraudzīju pazīstamo Šora algoritmu, sapratu, ka patiesībā mēs strādājam pie kvantu datora. Šis vienkāršais vērojums man, tāpat kā daudziem citiem kolēģiem, lika ķerties pie tiem," atcerējās zinātnieks.
Kvantu datori ir īpašas skaitļošanas iekārtas, kuru jauda aug eksponencē, pateicoties kvantu mehānikas likumu pielietojumam darbībā. Šīs iekārtas sastāv no kubītiem – atmiņas šūninām un primitīviem skaitļošanas moduļiem, kas spēj saglabāt lielumu spektru starp nulli un vieninieku.
Šodien izstrādātas divas galvenās metodes darbā pie tādām iekārtām – klasiskā un adiabātiskā. Pirmās piekritēji cenšas radīt universālu kvantu datoru, kura kubīti strādātu tāpat kā parastās digitālās iekārtas. Ideālā gadījumā darbs ar šādu skaitļošanas iekārtu īpaši neatšķirsies no metodēm, ar kādām inženieri un programmētāji kontrolē parastos datorus.
Adiabātisko datoru ir vienkāršāk radīt, taču pēc sava darba principiem tas vairāk līdzinās XX gadsimta sākuma aritmometriem, logaritmu lineāliem un analogajiem datoriem, nevis mūsdienu digitālajām iekārtām. Pēc Monro domām, pie tiem var pieskaitīt arī Mihaila Lukina datoru.
"Zināmā mērā mums ar Mišu pieeja ir līdzīga – mēs izmantojam lāzera sistēmas, lai kontrolētu kvantu loģisko ventiļu mijiedarbību. Pie tam galvenā atšķirība un iemesls, kāpēc esam manāmi apsteiguši viņa grupu, - mūsu kubīti ir daudz stabilāki," paskaidroja profesors.
Monro atklāja, ka atmiņas šūniņas viņa mašīnā veidotas uz retzemju metāla iterbija jonu bāzes – tā stāvoklis nemanās, ja manipulēt ar to, izmantojot lāzera starus. Savukār Lukina kvantu dators veidots uz tā saucamo Ridberga atomu bāzes, kas no tamlīdzīgas iedarbības nav pasargāti.
Tie ir rubīdija-87 vai citu sārma metālu atomi, kuru brīvais elektrons "atbīdīts" milzīgā attālumā no kodola ar īpašu lāzera vai radioviļņu impulsu palīdzību. Šī iemesla dēļ atoma izmēri pieaug aptuveni miljonu reižu, un tas pārvēršas par kubītu, taču, Monro norādīja, to nav iespējams pārvietot, nedeformējot tā konstrukciju un nesagraujot kvantu stāvokli.
Amerikāņu fiziķis atzīmēja, ka joniem tamlīdzīgu problēmu nav, tāpēc viņa komandai izdevies radīt nevis hibrīdu, bet gan pilnībā vadāmu kvantu datoru, ar kura kubītiem zinātnieki var manipulēt operāciju gaitā.
Piemēram, jau pirms trim gadiem, ilgu laiku pirms lielāku iekārtu parādīšanās, Monro un viņa komanda informēja, ka viņiem izdevies radīt pirmo pārprogrammējamo kvantu skaitļotāju, ko veido piecas atmiņas šūniņas. Pieticīgā mašīna, pateicoties elastīgajai darbībai, ļāva fiziķiem izpildīt vairākas kvantu programmas uzreiz.
Piemēram, viņiem izdevās šajā minidatorā palaist Doiča-Joži un Bernšteina-Vazirani algoritmus, kā arī radīt Furjē pārveidojumu – kriptogrāfijas un šifru uzlaušanas pamatakmens - kvantu versiju.
Šie panākumi, kā arī grūtības, ko radīja liela skaita jonu saglabāšana lamatās, radīja ideju, ka kvantu skaitļošanas sistēmas ir jārada pēc moduļu tipa, nevis monolītas, atzīmēja Monro. Citiem vārdiem sakot, "nopietnie" kvantu datori veidos nevis vienotu veselu, bet savdabīgu tīklu – lielu skaitu vienādu un vienkāršu moduļu.
Vakuuma trūkumi
Amerikāņu profesors pastāstīja, ka tamlīdzīgas sistēmas jau pastāv, taču pagaidām kvantu datoru proptotipiem netiek izmantotas vienkārša iemesla dēļ – tās strādā apmēram simtkārt lēnāk nekā paši kubīti. Taču, pēc viņa domām, inženiertehniskā problēma ir atrisināma.
"Tik liela aizkavēšanās saistīta ar to, ka atomi raida fotonus brīvi izraudzītā virzienā, un mēs tos neuztveram uzreiz, tāpēc nākas gaidīt. Šīs problēmas var atrisināt, pietuvinot optiku atomam un integrējot to čipā. Tas nebūt nepārkāpj realitātes robežas, un agri vai vēlu mēs būsim spiesti to paveikt, kad nonāksim uz vairāku simtu kubītu sliekšņa," turpināja zinātnieks.
Problēmu, kas traucēs monolīto vai vienkārši lielo kvantu datoru darbam, rada arī tas, ka vakuums, pēc Monro vārdiem, nav ideāls. Tajā vienmēr ir neliels skaits molekulu, un katra no tām var saskarties ar atomu kubītiem un kaitēt to darbā.
"Relatīvi sakot, ja jums ir viens kubīts, ar molekulām vakuumā tas saskarsies aptuveni reizi stundā. Ja šajā brīdī notiek skaitļošana, jūsu kvantu datorā parādīsies kaut kas līdzīgs "zilajam nāves ekrānam". Taču, ja ņemt 60 jonus, tādas kļūdas notiks jau ik pēc minūtes. Parādīsies milzīgas problēmas, ja skaitļošana būs ilgāka," skaidroja profesors.
Vienīgā iespēja to pārvarēt – vēl vairāk atdzesēt kvantu datoru, pēc iespējas tuvoties absolūtajai nullei. Monro komanda ar to pašlaik nenodarbojas, jo kubītu skaits viņu mašīnā nav liels, tomēr nākotnē problēmu noteikti nāksies risināt.
Profesors uzskata, ka arī šo problēmu palīdzēs risināt moduļu metode, jo ļaus sadalīt datoru vairākos savstarpēji neatkarīgos elementos, kas saturēs relatīvi nelielu skaitu kubītu. Teorētiski, tas strādās lēnāk nekā monolīta mašīna, taču pie tam ļaus izvairīties no "nepilnīgā vakuuma" problēmas, jo moduļus būs vienkāršāk atdzesēt un kontrolēt. Kad šis laiks pienāks? Monro uzskata, ka tuvāko 3-5 gadu laikā taps mašīnas, ko veidos vairāki simti kubītu. Tās spēs pildīs vairākus desmitus tūkstošu operāciju, un to darbam nebūs vajadzīga ekstremāla dzesēšana vai kļūdu korekcijas sistēmas.
Tamlīdzīgas masīnas varēs risināt virkni sarežģītu praktisko uzdevumu, taču tie nebūs pilnvērtīgi datori. Šim nolūkam būs jāpalielina kubītu skaits un "jāiemāca" tie patstāvīgi labot kļūdas. Pēc fiziķa domām, šim nolūkam būs vajadzīgi vēl pieci gadi.
"Pagaidām mums nav jālabo kļūdas mašīnas darbā, jo tās gadās ļoti reti, un mēs nevaram veikt operācijas pietiekami ilgi, lai to parādīšanās risks būtu pietiekami augsts. Tas pats attiecas arī uz Mihaila mašīnu," atzīmēja pētnieks.
Sacensību finiša taisnē
Pirmās sarežģītās kvantu skaitļošanas mašīnas, pēc Monro domām, tiks veidotas uz jonu vai atomu tehnoloģijas bāzes, jo visi pārējie kubītu varianti, arī perspektīvās pusvadītāju atmiņas šūniņas vēl nav sasniegušas atbilstošu attīstības līmeni.
"Pagaidām tie ir laboratoriju eksperimenti universitātēs. Šos kubītus nevar izmantot pilnvērtīgu loģisko elementu izveidei. Tāpēc es piekrītu Mihailam tajā ziņā, ka mūsu kolēģi no Austrālijas, Intel un citiem kolektīviem būs spiesti risināt virkni praktisku problēmu, pirms viņiem izdosies pilnvērtīga skaitļošanas sistēma," atzīmēja fiziķis.
Kā noteikt uzvarētāju "kvantu sacensībās"? Pirms diviem gadiem Monro un viņa kolēģi centās atbildēt uz šo jautājumu – viņi organizēja kvantu datoru salīdzinošo testu. Savas pirmās mašīnas konkurenta vietā viņi izraudzījās firmas IBM kvantu dartoru uz ar supravadītāju kubītu bāzes.
Testam fiziķi un programmētāji no Merilendas universitātes sagatavoja pirmo "kvantu orientieru" kompleksu – vienkāršus algoritmus, kas ļāva novērtēt datoru darba precizitāti un ātrumu. Uzvarētājs netika noskaidrots – Monro un viņa komandas dators bija precīzāks, taču piekāpās IBM mašīnai darbības ātruma ziņā.
"Kāpēc mēs organizējam tamlīdzīgus testus? Tie ir ļoti svarīgi kvantu datoru darbspējas pārbaudei un izpratnei par to, kādā virzienā jāiet uz priekšu, lai arī mūsu sistēma pagaidām vēl ir ļoti vienkārša. Nākotnē, kad kubītu skaits mūsu mašīnā būtiski pieaugs, mēs atgriezīsimies pie šī paša algoritmu kompleksa un sarīkosim tādas pašas pārbaudes," paskaidroja zinātnieks.
Pie tam Monro uzskata, ka tā saucamais kvantu pārākums – kvantu datora izstrāde, kura izturēšanos nav iespējams aprēķināt ar citām metodēm – nebūs īpaši nopietns zinātniskais vai praktiskais sasniegums.
"Problēma ir pašā izpratnē. No vienas puses, mūsu eksperimenti ar pieciem desmitiem kubītu, tāpat kā Mihaila eksperimenti, ir palīdzējuši noskaidrot to, ko citādi aprēķināt nevar. No otras puses, to nevar dēvēt par pārākumu, jo mēs nevaram pierādīt, ka to patiešām nevar aprēķināt citām metodēm. Agri vai vēlu kvantu pārākums parādīsies, tacu es personīgi neplānoju cīnīties par to," uzsvēra zinātnieks.
Grūtības rada arī tas, ka pagaidām mēs nevaram precīzi teikt, kādus uzdevumus kvantu datori spēs risināt un kur to pielietojums būs pamatotākais un lietderīgākais. Šim nolūkam nepieciešams, lai gan zinātniskā vide, gan visa saviedrība kopumā sāktu uztvert tādas mašīnas par pieejamu un universālu instrumentu.
""Algoritmi" un "dzelži" nevar attīstīties atsevišķi. Tikai retais pārdomās iespējas radīt jaunas programmas, ja nebūs mašīnu, kurās tās pārbaudīt, un otrādi – gandrīz neviens nestrādās pie datoru izveides bez gataviem algoritmiem. Pagaidām algoritmi apsteidz, taču tas ir normāli, jo teorijai ir jāapsteidz prakse," norādīja Monro.
Visuma kvantu noslēpumi
Vēl viena problēma – pagaidām zinātnieki var piespiest kubītus izpildīt relatīvi nelielu skaitu operāciju, pirms sakari to starpā sabrūk. Šī iemesla dēļ nav jēgas palielināt atmiņas šūniņu skaitu mašīnā, jo tās atdeve un iespējas rezultātā nepalielinās.
"Nevar vienkārši ņemt piecus simtus kubītu, savākt kaudzē un teikt – paskatieties, mums ir mašīna ar vairākiem simtiem kubītu. Tai jābūt spējīgais izpildīt vairākus tūkstošus operāciju, lai mēs to uzskatītu par pilnvērtīgu kvantu datoru," atzīmēja Monro.
Tāpēc amerikāņu profesors neuzskata, ka adiabātiskās skaitļošanas mašīnas, tādas kā kompānijas D-Wave iekārtas, var saukt par kvantu datoriem. Pēc fiziķa domām, to darbības pamatā ir klasiskie fizikas principi, kam nav nekā kopēja ar īstu kvantu mehāniku.
"Tomēr tādi analogie datori ir ļoti interesanti no praktiskā viedokļa. Var vienkārši ņemt vairākus magnētus, piestiprināt tos pie trijstūra tīkla un pārbaudīt to darbu. Šiem eksperimentiem nebūs nekā kopīga ar kvantu fiziku, taču tie ļauj veikt vairākus sarežģītus optimizācijas aprēķinus. Investoru interese par tiem ir vērojama, tātad darbs nav velts," turpināja profesors.
Kādus uzdevumus varēs risināt "īsts" kvantu dators? Monro atzīmēja, ka pēdējos gados ar viņa komandu sazinājušies vairāki fiziķu kolektīvi. Viņi plāno izmantot iekārtu dažādu svarīgu zinātnisko uzdevumu risināšanai, ko nav iespējams veikt ar parastu skaitļošanas mašīnu.
"No eksperimentiem ar atomiem esam pargājuši pie kosmoloģijas, kondensētā stāvokļa un melno caurumu fizikas. Izrādījies, ka mūsu sistēmā iespējams radīt stāvokļus, kuri atkārtos to, kas notiek ar sajauktu daļiņu pāri, viena no kurām krīt melnajā caurumā. Citiem vārdiem sakot, mēs varam savākt kvantu ķēdi, kas palīdzēs aprēķināt, kas notiek ar matēriju un informāciju singularitātē," stāstīja Monro.
Fiziķis atzina, ka pagaidām tādus pašus eksperimentus iespējams veikt arī ar parastajiem superdatoriem. No otras puses, jau tuvākajos gados kubītu skaits kvantu mašīnās būtiski pieaugs, tāpēc to darbs nebūs aprēķināms.
Tādējādi pieaugs to pielietojuma iespējas, un tādi eksperimenti dāvās interesantu un unikālu iespēju izpētīt lielākos un noslēpumainākos objektus Visumā, kā arī atrisināt virkni ikdienas uzdevumu, pat maršrutu izvēli vai ekonomikas pārvaldi, noslēgumā piezīmēja pētnieks.