Obliczenia kwantowe dla ciekawych qubitów

Czym jest informatyka kwantowa? Zwykłe komputery działają według ścisłych reguł logiki. Ale maleńkie obiekty kwantowe – takie jak elektrony lub fotony światła – mogą łamać te reguły

Obliczenia kwantowe to pomysł, że możemy wykorzystać łamanie reguł kwantowych do przetwarzania informacji w nowy sposób – taki, który całkowicie różni się od sposobu działania zwykłych komputerów. Dzięki temu, w niektórych przypadkach, są one wykładniczo szybsze niż jakikolwiek zwykły komputer.

Na przykład, jeden komputer kwantowy mógłby z łatwością złamać kody zabezpieczające bankowość internetową.

Więc, jak superkomputer?

Nie do końca. Komputer kwantowy nie jest po prostu „szybszym” komputerem. Istnieje kilka specyficznych zadań – takich jak faktoryzacja bardzo dużych liczb – w których komputer kwantowy byłby niesamowity. (W tym miejscu pojawia się łamanie kodów – patrz poniżej). Ale w większości zadań komputer kwantowy byłby niewiele lepszy od zwykłego komputera.

Więc do czego mógłby być użyty komputer kwantowy?

Będą one prawdopodobnie najbardziej użyteczne dla agencji rządowych, firm badawczo-rozwojowych i uniwersytetów w rozwiązywaniu problemów, z którymi zmagają się obecne komputery.

Pierwszym praktycznym pomysłem, zaproponowanym przez fizyka Richarda Feynmana w 1981 roku, było użycie komputera kwantowego do symulacji mechaniki kwantowej. Miałoby to wpływ na chemię i biologię. Chemicy mogliby na przykład precyzyjnie modelować interakcje leków, a biolodzy badać wszystkie możliwe sposoby składania białek i ich wzajemnej interakcji.

Choć komputery kwantowe były kiedyś ciekawostką akademicką, zainteresowanie nimi wzrosło w 1994 r., kiedy amerykański matematyk Peter Shor znalazł sposób na wykorzystanie komputerów kwantowych do łamania kodów.

Obecnie wiele systemów bezpieczeństwa online działa na zasadzie, że jest prawie niemożliwe, aby wziąć bardzo dużą liczbę i dowiedzieć się, jakie są jej czynniki pierwsze. Wszystko, co zwykły komputer może zrobić, to wypróbować każdą możliwość po kolei – zadanie, które może zająć miliardy lat. Używając algorytmu Shora, komputer kwantowy mógłby wykonać to zadanie w ciągu kilku godzin.

Komputery kwantowe mogłyby być również fantastyczne w rozpoznawaniu wzorców w danych – przydatne w problemach uczenia maszynowego, takich jak zdolność do identyfikowania różnych obiektów na obrazie. Mogłyby być świetne w budowaniu modeli do przewidywania przyszłości, np. w długoterminowym prognozowaniu pogody.

Ale ostatecznie zastosowania obliczeń kwantowych są nieprzewidywalne. Weź pod uwagę, że w 1943 r. Thomas Watson, prezes IBM, powiedział: „Myślę, że istnieje światowy rynek dla może pięciu komputerów.” Teraz w każdym domu jest ich pięć.

Jeśli precedens jest jakąkolwiek wskazówką, musimy sobie jeszcze wyobrazić, jakie będą zastosowania komputerów kwantowych.

Jak działa przetwarzanie kwantowe?

Zwykłe komputery opierają się na „bitach” – wyobraźmy je sobie jako małe przełączniki wskazujące albo 1, albo 0.

Obliczenia kwantowe opierają się na bitach kwantowych lub „qubitach”, które również mogą reprezentować 0 lub 1. Szaloną rzeczą jest to, że qubity mogą również osiągnąć stan mieszany, zwany „superpozycją”, w którym są zarówno 1, jak i 0 w tym samym czasie. Ta niejednoznaczność – zdolność do „bycia” i „niebycia” – jest kluczem do mocy obliczeń kwantowych.

Jak superpozycja pomaga?

Różnica między zwykłymi komputerami a komputerami kwantowymi sprowadza się do tego, jak podchodzą do problemu.

Zwykły komputer próbuje rozwiązać problem w taki sam sposób, w jaki ty możesz próbować uciec z labiryntu – próbując każdego możliwego korytarza, zawracając w ślepych zaułkach, aż w końcu znajdziesz wyjście. Ale superpozycja pozwala komputerowi kwantowemu wypróbować wszystkie ścieżki naraz – w istocie znajdując skrót.

Dwa bity w twoim komputerze mogą być w czterech możliwych stanach (00, 01, 10 lub 11), ale tylko jeden z nich w danym momencie. To ogranicza komputer do przetwarzania jednego wejścia na raz (jak próbowanie jednego korytarza w labiryncie).

W komputerze kwantowym dwa qubity mogą również reprezentować dokładnie te same cztery stany (00, 01, 10 lub 11). Różnica polega na tym, że z powodu superpozycji, qubity mogą reprezentować wszystkie cztery jednocześnie. To trochę tak, jakby mieć cztery zwykłe komputery działające obok siebie.

Jeśli dodasz więcej bitów do zwykłego komputera, nadal będzie on w stanie obsługiwać tylko jeden stan naraz. Ale gdy dodasz qubity, moc komputera kwantowego rośnie wykładniczo. Dla osób uzdolnionych matematycznie możemy powiedzieć, że jeśli masz „n” qubitów, możesz jednocześnie reprezentować 2n stanów.)

To tak jak w starej bajce o starożytnym Hindusie, zwanym Sessa, który wynalazł grę w szachy. Król był zachwycony grą i poprosił Sessę o nazwę swojej nagrody. Sessa pokornie poprosił o pojedynczą szachownicę z jednym ziarnem pszenicy na pierwszym kwadracie, dwoma na drugim, czterema na trzecim i tak dalej. Król od razu się zgodził, nie zdając sobie sprawy, że obiecał więcej pszenicy niż istnieje na Ziemi. Oto siła wykładniczego wzrostu.

Tak jak każdy kwadrat podwajał pszenicę Sessy, tak każdy dodatkowy qubit podwaja moc obliczeniową. Trzy qubity dają 23, czyli osiem stanów w tym samym czasie; cztery qubity dają 24, czyli 16. A 64 qubity? Dają 264, co daje 18 446 744 073 709 600 000 możliwości! To około milion terabajtów wartości.

Mimo że 64 zwykłe bity mogą również reprezentować tę ogromną liczbę (264) stanów, mogą reprezentować tylko jeden na raz. Przejście przez wszystkie te kombinacje, z prędkością dwóch miliardów na sekundę (co jest typową prędkością dla nowoczesnego komputera), zajęłoby około 400 lat.

Wszystko to oznacza, że komputery kwantowe mogłyby rozwiązywać problemy, które są „praktycznie niemożliwe” dla komputerów klasycznych.

Ale aby uzyskać ten wykładniczy wzrost prędkości, losy wszystkich qubitów muszą być połączone razem w procesie zwanym splątaniem kwantowym. To dziwne zjawisko, które Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”, może połączyć cząstki kwantowe, nawet jeśli znajdują się one na przeciwległych końcach wszechświata.

Co tworzy qubit?

Aby stworzyć qubit, potrzebny jest obiekt, który może osiągnąć stan superpozycji kwantowej pomiędzy dwoma stanami.

Jądro atomowe jest jednym z rodzajów qubitu. Kierunek jego momentu magnetycznego („spin”) może wskazywać w różnych kierunkach, np. w górę lub w dół w odniesieniu do pola magnetycznego.

Wyzwanie polega na umieszczeniu tego pojedynczego atomu, a następnie zajęciu się nim.

Australijski zespół pod kierownictwem Michelle Simmons z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii stworzył atomowe qubity, umieszczając pojedynczy atom fosforu w znanym położeniu wewnątrz kryształu krzemu.

Innym pomysłem jest oderwanie elektronu od atomu i przekształcenie go w jon. Następnie można użyć pola elektromagnetycznego, aby zawiesić jon w wolnej przestrzeni, strzelając do niego laserami, aby zmienić jego stan. W ten sposób powstaje komputer kwantowy z „uwięzionym jonem”.

Prąd w pętli metalu nadprzewodzącego może być w superpozycji (pomiędzy kierunkiem zgodnym i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara), trochę jak mała bieżnia biegnąca do przodu i do tyłu w tym samym czasie.

Foton światła może być w superpozycji w kierunku, w którym faluje. Niektóre grupy tworzą obwody kwantowe, wysyłając fotony wokół labiryntu włókien optycznych i luster.

Jak stworzyć superpozycję?

Czy kiedykolwiek próbowałeś wyważyć monetę dokładnie na jej krawędzi? Tak właśnie wygląda programowanie qubitów. Polega ono na zrobieniu czegoś z qubitem tak, że w pewnym sensie kończy się on „zrównoważony” pomiędzy stanami.

W przypadku jądra atomowego może to polegać na potraktowaniu go polem elektrycznym lub magnetycznym, co daje równe prawdopodobieństwo kręcenia się w jedną lub drugą stronę.

Więc jak odczytać informacje z qubitów?

To, co dzieje się podczas obliczeń kwantowych, ma aurę mistycyzmu. Bardziej wybiegający w przyszłość fizycy opisują qubity jako zaangażowane w coś w rodzaju kwantowego seansu z równoległymi światami w celu uzyskania odpowiedzi.

Ale to nie magia, to po prostu mechanika kwantowa.

Powiedzmy, że masz swój nowy 64-qubitowy komputer kwantowy uruchomiony i gotowy do pierwszego obliczenia. Umieszczasz wszystkie 64 qubity w superpozycji, tak jak 64 monety wyważone na krawędzi. Razem mają 264 możliwe stany w zawieszeniu. Wiesz, że jeden z tych stanów reprezentuje właściwą odpowiedź. Ale który?

Problem polega na tym, że odczytanie qubitów powoduje załamanie się superpozycji – jak uderzenie pięścią w stół z tymi wszystkimi zrównoważonymi monetami.

Tutaj przydaje się algorytm kwantowy, taki jak algorytm Shora. Ładuje on qubity, aby zwiększyć prawdopodobieństwo ich upadku na właściwą stronę i dać nam właściwą odpowiedź.

Czy zbudowano już jakieś komputery kwantowe?

Podobno tak, chociaż żaden z nich nie potrafi jeszcze zrobić nic przewyższającego konwencjonalne komputery.

W ciągu ostatnich trzech lat nastąpił dramatyczny postęp w dziedzinie obliczeń kwantowych. Podczas gdy w 2016 roku magazyn Nature świętował dziewięciokubitowy komputer opracowany przez naukowców z Google. Osiemnaście miesięcy później, w grudniu 2017 r., IBM zgłosił swój 50-qubitowy komputer kwantowy. W ciągu czterech miesięcy Google znów wyskoczyło do przodu, ze swoim 72-qubitowym komputerem kwantowym „Bristlecone”. Tymczasem IBM wyprodukował pierwszy komercyjnie dostępny komputer kwantowy – zapewniając dostęp do chmury do swojej 20-qubitowej maszyny Q System One, za odpowiednią opłatą.

D-Wave wciąż jest daleko z przodu, tworząc 2000 nadprzewodzących pętli jako qubitów, chociaż niektórzy fizycy są sceptyczni, że D-Wave zbudowała prawdziwy komputer kwantowy.

Wszyscy wielcy gracze mają na oku następny kamień milowy: 'kwantową supremację’. Oznacza to, że komputer kwantowy rozwiąże problem wykraczający poza możliwości klasycznych maszyn. Teoretycznie powinno to być możliwe przy maszynie 50-qubitowej, ale tylko wtedy, gdy poziom błędów będzie wystarczająco niski.

Dlaczego tak trudno jest zbudować komputer kwantowy?

Wyzwania są na każdym poziomie, od montażu qubitów, przez odczytywanie i zapisywanie na nich informacji, po przesyłanie informacji tam i z powrotem bez ich znikania w kłębach niepewności.

Kubit to ostateczna diva. Podczas gdy hollywoodzka gwiazda może wymagać gigantycznej garderoby i wanny pełnej płatków róż, qubit wymaga doskonałej izolacji i termostatu ustawionego na jedną setną stopnia powyżej zera absolutnego. Najmniejsze drgnienie pobliskiego atomu może spowodować, że qubit zacznie się buntować i utraci swoją superpozycję.

Nadrzędną trudnością jest utrzymanie delikatnych stanów superpozycji i splątania wystarczająco długo, aby przeprowadzić obliczenia – jest to tak zwany czas koherencji.

Pomimo tego zniechęcającego wyzwania, wyścig o zbudowanie pierwszego praktycznego komputera kwantowego stał się jednym z największych naukowych wyzwań naszych czasów – zaangażowano w niego tysiące fizyków i inżynierów w dziesiątkach instytutów badawczych rozsianych po całym świecie.