Pirmiesiems kvantiniams kompiuteriams jau pasirodžius rinkoje, o daugeliui žadant žengti ten artimiausiu metu, ar jau turėtume trauktis pinigines? Štai mūsų verdiktas geriausiems pirkiniams.
Pirmiesiems kvantiniams kompiuteriams jau pasirodžius rinkoje, o daugeliui žadant žengti ten artimiausiu metu, ar jau turėtume trauktis pinigines? Štai mūsų verdiktas geriausiems pirkiniams.
Ar su kvantiniais kompiuteriais galima atlikti ką nors daugiau, nei vien kalbėti, kalbėti, kalbėti apie juos? Laukimas galėjo atsibosti – galų gale, juk tada, kai fizikas Richardas Feynmanas iškėlė šią idėją, prabėgo jau daugiau, nei 30 metų. Jis norėjo išnaudoti keistuosius kvantinius efektus rimtam bet kurio normalaus kompiuterio skaičiavimo galių aplenkimui. Per šį laiką kompiuteriai tapo maždaug milijardą kartų spartesni. Tuo tarpu kvantiniai kompiuteriai, tebevargsta su pagrindinės mokyklos aritmetika.
Bet galiausiai, po ilgo laukimo yra gerų žinių. Mokslininkai pluša laboratorijose visame pasaulyje ir ore justi sklandanti stebuklo nuojauta. „Kai kurie šios sferos aspektai jau viliojančiai arti“, – sako Matthiasas Steffenas iš IBM kvantinių skaičiavimų padalinio Niujorke. Galima netgi tiesiog dabar nusipirkti kvantinį kompiuterį – tikriausiai, – bet prisireiks gilių kišenių. Nesvarbu, kokias programas rengiatės naudoti, tokia skaičiavimo galia nėra pigi.
Išklausę įspėjimus, leiskite New Scientist padėti atlikti informuotą pasirinkimą – ar jūs būtumėte internetinių žaidimų fanatas, planuojantis pakelti daugelio vartotojų žaidimą į neregėtas aukštumas, inžinerijos firma, norinti būti vienu žingsniu priekyje, ar saugumo tarnyba, besirūpinanti visų šalies paslapčių išsaugojimu. Toliau išsiaiškinsite, ką jie gali atlikti, kokie yra jų tipai, ir ar teks paversti atliekamą miegamąjį kriogeniniu aušinimo įrenginiu.
Pradedam
Neaišku, kaip veikia kvantinis kompiuteris? Nesikrimskite, kai kurie didžiausi fizikos protai irgi negali to išsiaiškinti. Kai kurie sako, kad tokie kompiuteriai veikia spiečiuje paralelinių visatų; kiti tvirtina, kad jie išeina už visų įprastų erdvės ir laiko ribų. Kaip bebūtų, štai pagrindai.
Kubitas:
Įprastiniai kompiuteriai informacijos apdorojimui naudoja bitus. Pagrindinis kvantinio skaičiavimo vienetas yra kubitas. Tai fizinės sistemos, galinčios egzistuoti dviejose skirtingose būsenose, tad, gali atstovauti kompiuterių vykdomo dvejetainio kodo vienetukus ir nuliukus.
Kubitas gali būti elektriniame lauke laikomas elektronas, ar taip poliarizuotas fotonas kad būtų paprasta keisti jo sukinį. Kubitų parengimui, kaip ir jų nuskaitymui ir rašymui reikia labai kietos įrangos. Žiūrint, kokią technologiją pasirinksite, jums prisireiks rubino lazerio, nelinijinio krištolo ar netgi rožinio deimanto.
Superpozicija:
Štai čia vyksta stebuklai! Kubitų pranašumas prieš įprastus bitus yra tas, kad jie gali būti superpozicijos būsenoje, t. y. 0 ir 1 tuo pačiu metu. Tačiau tai atlikti nelengva – bet koks šilumos dvelktelėjimas, elektromagnetinis triukšmas ar fizinė vibracija šią būseną gali sutrikdyti. Taigi, teks investuoti į rimtą šaldymą, parengti folijos skydą ir vaikščioti ant pirštų galiukų arba investuoti į geriausią vibracijų slopinimo sistemą.
Netgi tada kompiuterį galėsite panaudoti tik ribotą skaičių kartų, iki superpozicijai suyrant. Primygtinai patariama atidžiai stebėti šį „koherencijos laiką“, o taip pat, daromų klaidų skaičių.
Susietumas:
Gerai, melavome, štai kur vyksta tikroji magija. Dėl to, ką Einšteinas pavadino baugiu veikimu per atstumą, dvi subatominės dalelės gali tapti neišskiriamai susietos. Šiuo saitu galima manipuliuoti iš karto daugeliu kubitų. Todėl kvantiniai kompiuteriai yra tokie įspūdingi: vos aštuoni kubitai, susieti ir laikomi superpozicijoje, gali tuo pačiu metu būti bet kuriuo skaičiumi nuo 0 iki 255, ir taip atlikti daug operacijų tuo pačiu metu.
Tad, štai dar vienas dalykas, į kurį reikėtų atkreipti dėmesį, svarstant pirkinį: kiek susietų kubitų jūsų pasirinktas aparatas gali valdyti vienu metu? Nežvelkite pernelyg aukštai. Kol kas 14 kubitų rekordas, pasiektas 2012 m., priklauso Rainerio Blatto grupei iš Innsbrucko universiteto Austrijoje.
Klaidų taisymas:
Klaidas daro netgi įprastiniai kompiuteriai. Kartais bitą gali sujaukti įtampos šuoliukas ar kosminis spindulys ir pakeisti, tarkime, iš 0 į 1. Procesoriai susitvarko su tuo, darydami kopijas, bet kubitams tai netinka dėl vadinamosios neklonavimo teoremos.
Laimei, yra galinčių tai apeiti klaidų taisymo algoritmų. Bėda, kad tam reikia daug kubitų, maždaug 100–10 000 kartų daugiau, nei reikia pateiktų skaičiavimų atlikimui. Gerai, kad mūsų gebėjimas kurti kubitų masyvus klaidų taisymui sparčiai gerėja. O ir pačių klaidų mažėja. Birželį, IBM atskleidė klaidų taisymo kodą, gerai tinkantį dideliems kubitų masyvams, kurie turėtų aplenkti įprastus kompiuterius. Iš esmės esame ten, kur ir turėtume būti, kad pradėtume kurti įdomius kvantinius kompiuterius.
Geležis
Sukinys ar superlaidininkas? Tai yra kvantinių skaičiavimų pasaulio klausimo „Apple ar Androidas?“ atitikmuo. Superlaidininkų kubitai naudojami seniau, bet sukiniai yra ultrašalti nauji dalykėliai, ir dar yra yra keletas nenumatomų pasirinkimų galimybių. Štai ką reikėtų žinoti.
Superlaidūs kubitai:
Tai visos kvantinės skaičiavimo technikos senelis. 1962-aisiais, Kembridžo fizikas Brianas Josephsonas parodė, kad mažas plyšelis medžiagoje, neturinčioje elektrinės varžos žemoje temperatūroje – superlaidininke – daro stebinantį poveikį. Pavyzdžiui, superlaidžios kilpos, turinčios tokią „Josephsono jungtį“ praleidžia srovę pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę tuo pačiu metu. Tai yra būsenų superpozicija – būtent to kubitui ir reikia.
Be to, šios sistemos gaminamos iš pagrindinės technologijų pramonės medžiagos – silicio. „Taip galime panaudoti standartinius litografijos instrumentus, – sako Steffenas. – Taip nesi natūralių sistemų vergas, ir išmokus luste patikimai sukurti keletą kubitų, turėtų ant to paties lusto sutalpinti jų daug daugiau.“ Todėl superlaidininkai yra geras pasirinkimas pirkėjui, ieškančiam išbandyto ir patikrinto sprendimo savo kvantinių skaičiavimų poreikių patenkinimui.
Jei šis būdas patiko, reikės atlikti dar vieną pasirinkimą: transmonai ar Xmon? Transmonai yra kilpos formos ir kol kas galima sujungti daugiausiai penkis. Standartinis transmonas savo koherentumą gali išlaikyti apie 50 mikrosekundžių – pakankamai ilgai, kad būtų galima naudoti kvantiniuose tinkluose. Be to, pasak Görano Wendino iš Chalmers universiteto Gothenburge, Švedijoje, dvigubai ilgesnio koherentumo ir 10 – 20 transmonų masyvai jau visai ne už kalnų.
Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje (UCSB) komandos sukurti Xmonai yra kryžiuko formos superlaidūs kubitai iš safyro, įtaisyto aliuminyje. UCSB grupė gali sujungti daugiausiai penkis ir sukurti masyvą, taisantį savo paties klaidas, ir veikiantį devynių kubitų masyve. Johnas Martinis iš UCSB, neseniai paskelbęs apie bendradarbiavimą su Google, mano, kada dabar jie gali veržtis pirmyn: „Mano iššūkis grupei yra kasmet padvigubinti kubitų skaičių.“ Tai nebus lengva atlikti: dar reikės padirbėti su mašinos vykdomų algoritmų tipais ir architektūra.
Sukinio kubitai:
Jei esate linkęs bandyti kas naujausia, turėtumėte žvilgtelėti, ką siūlo Andrea Morello grupė Naujojo Pietų Velso universitete (UNSW) Sidnėjuje, Australijoje. Jų vienintelis fosforo atomas silicinio luste gal ir neskamba taip įspūdingai, kaip superlaidžių kilpų penketas, bet tikrai turi savų pranašumų.
Morello'o komanda gali suteikti atomo sukiniui superpoziciją, manipuliuoti šia neryškia kvantine būsena ir tada nuskaityti ją mikrobangomis. Morello'as sako, kad komanda koherentumą išlaikė „dešimtis sekundžių“ – daugybė laiko vykdyti išsvajotas kvantines programas. Be to, numatoma šį laiką ilginti. Simono Fraserio universiteto Burnaby'yje, Kanadoje, mokslininkai sugebėjo fosforo silicyje įrenginį išsilaikyti beveik 40 minučių kambario temperatūroje. Be to, jie išlaikė superpoziciją, kaitaliodami jo temperatūrą tarp kambario temperatūros ir 4,2 kelvinų.
Kol kas UNSW grupė iš vieno atomo išspaudžia du kubitus, naudodami fosforo branduolį kaip pirmąjį, ir vieną iš jo elektronų kaip antrąjį. Birželį jie paskelbė galintys suporuoti du atomus ir nuskaityti visus keturis sukinius, nors manipuliuoti jais dar neina. Kai tai pavyks, jie planuoja sukurti keletą kubitų, kad galėtų pradėti vykdyti kvantinius skaičiavimus. Bet tai truks trejetą ketvertą metų, o programų teks laukti dar ilgiau.
Kai kurie tyrėjai ieško prabangesnių sprendimų – čia pasirodo deimantai. Formuojantis tam tikriems deimantams, į anglies atomo vietą gali įsmukti azoto atomas ir suteikti brangakmeniui švelniai rausvą atspalvį, bei šalimais kristalinėje gardelėje palikti laisvą vietą. Tokia azoto ir „vakancijos“ (NV) kombinacija gali būti panaudota kubito kūrimui; vakancija turi tam tikrus energetinius lygmenis, kurie gali būti pervesti į superpoziciją lazerio spinduliu. Vėlesniais impulsais galima manipuliuoti būsena ir nuskaityti operacijos rezultatus.
Šių metų gegužę Delfto technologijos universiteto Nyderlanduose mokslininkai teleportavo kvantinę informaciją tarp dviejų deimantų, buvusių už 3 metrų vienas nuo kito. Tai kūdikio žingsnelis link kvantinio skaičiavimo debesų ir kvantinio interneto.
Prieš džiaugiantis šiais pasiekimais, reikėtų žinoti ir kabliukus. Žaižaruojančių NV kubitus nėra paprasta gaminti. Sudėjus šimtus jų, kaip reikėtų naudingam kvantiniam kompiuteriui, būtų gaunama daug triukšmo. Bet tai nėra mirties nuosprendis. Pernai Simono Benjamino vadovaujama Oxfordo universiteto komanda parodė, kad galima sudėti keletą NV kubitų drauge „narvelyje“, tada tuos narvelius sujungti fotonais, veikiančiais kaip įvesties ir išvesties bitai. Netgi kambario temperatūroje šie narveliai koherentumą išlaiko apie sekundę, o narvelius jungiantis triukšmingas fotonų tinklas nelūždamas toleruoja 10 procentų klaidų lygį.
Kiti pasiūlymai:
Jei tikrai mėgstate naujausias technologijas, yra keletas dėmesio vertų pasiūlymų. Kalbant apie susietumą, tikrasis rinkos lyderis yra jonų spąstų kvantinis skaičiavimas. Ši technika kartu apjungė netgi 14 kubitų iš jonų – paprastai iterbio, – laikomų kruopščiai suformuotuose elektromagnetiniuose laukuose ir manipuliuojamų lazeriu arba mikrobangų impulsais. Bet tai vis vien toli gražu nėra naudingas kompiuteris, ir mokslininkams sunkiai sekasi jį padidinti.
Nemažai drąsos reikėtų ir tada, jei visus pinigus statytumėte ant fotoninio kvantinio skaičiavimo. Atrodytų, fotonai turėtų būti geri kubitai: jiems lengva sukelti superpoziciją ir išlaikyti koherentiškumą pakankamai ilgai. Bet nors ir įmanoma darbuotis su šviesos greičiu lekiančiomis dalelėmis, tai nėra paprasta.
Topologinis kvantinis skaičiavimas, kur kubitai užkoduoti subatominių dalelių judesiais viena kitos atžvilgiu, taipogi turi savo pliusų – pavyzdžiui, jos ypatingai atsparios aplinkos trukdžiams. Microsoft pradeda į tai daug investuoti, tačiau parduotuvėse produktai greitai dar nepasirodys. Gal vertėtų šią galimybę apsvarstyti, kai pirmasis kvantinis kompiuteris ims rodytis šiek tiek „vintage'inis“.
Verdiktas: Superlaidūs kubitai turėtų patraukti mėgstančius žaisti saugiai, bet sukiniai gali aplenkti juos per ateinantį dešimtmetį. Visa kita tinkama tik užkietėjusiems eksperimentatoriams.
Programos
Techninė įranga svarbu, bet iš tiesų svarbiausia programinė įranga. Taigi, ką galėsite paleisti savo kvantiniame kompiuteryje? Štai mūsų parinktų geriausių ruošiamų programų pasirinkimas.
Faktorizavimas:
Tai stipriausia kvantinių kompiuterių sritis: didelių skaičių faktorių radimas. Kodėl? Ieškodami faktorių, įprastiniai kompiuteriai turi išbadyti visas įmanomas kombinacijas, o tai trunka neįtikėtinai ilgai. Todėl faktorizavimo algoritmai naudojami duomenų apsaugai įvairiose situacijose, nuo bankininkystės iki interneto duomenų bazių.
Prieš dvidešimt metų matematikas Peteris Shoras sukūrė tokį saugumą lengvai įveikiantį algoritmą. Tačiau Shoro algoritmas veikia tik kvantiniuose kompiuteriuose ir kol kas didžiausias faktorizuotas skaičius yra 21. Nedrįskit vaipytis – kai ši programa ims veikti, visi WikiLeaksų ir NSA gebėjimai atrodys kaip vaikų žaidimai.
Tinka: Bet kam, norinčiam perskaityti kitų žmonių paslaptis.
Paieška:
Nenuostabu, kad „Google PageRank“ algoritmas toks pelningas; paieška nesurūšiuotose duomenų bazėse yra labai nelengva užduotis įprastiems kompiuteriams. Jeigu yra N galimybių, standartinis kompiuteris ras, ko ieškote, vidutiniškai per N2 laiką. „Bell Labs“ mokslininkas Lovas Groveris 1996 parodė, kad naudodamas tinkamą algoritmą, kvantinis kompiuteris šią užduotį gali paspartinti iki N laiko. Jis veikia, tvarkydamas kubitus taip, kad paieškų objektas būtų labiausiai tikėtinas kubitų superpozicijos matavimų rezultatas.
Tinka: kompiuterių milijardierių kūrimui, žmonėms, ieškantiems santechniko.
Kvantinės simuliacijos:
Čia viskas ir prasidėjo. Norint atlikti sudėtingos kvantinės sistemos, tarkime, didelės molekulės, simuliaciją, įprastiniam kompiuteriui yra pernelyg daug detalių, kad ir koks galingas jis būtų. Taigi, kaip 1982 m. suprato Richardas Feynmanas, tam reikia kvantinio kompiuterio. Pavyzdžiui, jei kiekvieną norimos simuliuoti sistemos dalelę, tarkime, atomo branduolį, atstovauja vienas fotonas, tai juos galima perleisti per sąveiką mėgdžiojančių kvantinių vartų seriją. Labai praverčia, jeigu nėra tai galinčios atlikti matematikos ar įrangos tikram išbandymui.
Tinka: Vargšams chemijos studentams, kasdienių superlaidininkų ieškantiems verslininkams, branduolinių galvučių kūrėjams.
Optimizacija:
Jei norėtumėte sugluminti kompiuterį, liepkite jam apskaičiuoti geriausią lėktuvo priekio formą. Šioje užduotyje tiek daug kintamųjų, kad jam pateikus atsakymą, būsite seniausiai iškeliavęs į amžinosios medžioklės plotus. Tokios problemos kuo puikiausiai tinka kvantiniam „grūdinimui“, pavadintam pagal procesą, kai medžiagos tvirtinamos kaitinimo ir aušinimo ciklais.
Grūdinimas yra būdas pateikti visas skirtingas galimybes ir jų pasekmes kaip kalvų ir pakalnių peizažą; idealus sprendimas yra žemiausias šio peizažo taškas. Kvantinis kompiuteris gali vienu metu tirti visą peizažą, tuo tarpu klasikiniai kompiuteriai turi jį tirti vėl ir vėl. Bent jau taip manoma – niekas iš tiesų nežino, ar jis iš tiesų taip veiks.
Kvantinis ar gyvsidabrinis?
Nekantraujate prisiliesti prie naujutėlio tviskančio kvantinio kompiuterio? Gera žinia, kad galite jį nusipirkti jau dabar, jei turite atliekamus 15 milijonų dolerių. Bloga žinia, kad niekas nežino, ar tai iš tiesų yra kvantinis kompiuteris.
„D-Wave Systems“ Burnaby'je, Kanadoje yra pradedantis kvantinių kompiuterių gamintojas. Jos flagmane, „D-Wave Two“, arba „Vesuvius“, yra 512 superlaidžių kilpų iš niobio, kiekvienoje yra po Josephsono jungtį.
Bet tai nėra kvantinis laptopas. Sudėtingai atrodanti juoda dėžė drauge su ją palaikančia kriogenine sistema ir superkompiuterio vartotojo sąsaja, užpildo 10 kvadratinių metrų kambarį. Keista, kad jis tenaudoja 15 kilovatų galios, mažiau, nei vieną tūkstantąją, ryjamos sparčiausio pasaulyje superkompiuterio „Tianhe-2“.
Visų 512 kubitų veikimas konkurentus paliktų ryti dulkes, bet „D-Wave“ nesijaudina dėl galimybės individualiai adresuoti visus kubitus, susieti juos visus drauge ar netgi tinkamu kaip Josephsono jungčių veikimu. Tad nėra aišku, ar tai išties yra kubitai, ir bandymai buvo nevienareikšmiški aiškinantis, ar jie lenkia įprastus kompiuterius.
„Mes nesistengiame įrodyti, kad tai kvantinis kompiuteris, ar ne kvantinis, – sako Bo Ewaldas, „D-Wave USA“ vykdantysis direktorius. – Nežinome, kiek koherencijos gavome, bet parodėme, kad aštuoni kubitai buvo susieti ir kai kurie darbai parodė, kad susieti 40.“ Jis įsitikinęs, kad visos kilpos susietos, tačiau nenori leisti daugybės pinigų, kad tai įrodytų: „Bandymai tai išmatuoti paverstų jį eksperimentinės fizikos įrenginiu. Mes labiau susitelkę tiesiog į jo naudojimą kaip kompiuterį.“
Tai kompiuteris, turintis tik vieną pritaikymą: optimizavimo algoritmą, ieškantį geriausio duotos problemos sprendimo. Dviems pirmiesiems „D-Wave“ klientams to pakanka. „Google“ naudoja jį mašininiam „Google Glass“ akinių mokymui; kol kas „D-Wave“ mašina padėjo rasti greitesnį tam tikrų objektų atpažinimo būdą. Jie gali būti perkelti atgal į tradicinius kompiuterius ir taip padėti jiems efektyviau atlikti užduotį.
„Lockheed Martin“ naudoja šią mašiną, ieškodama, kur gali sutrikti jų orlaivių programinė įranga. Kompanija pateikia savo orlaivio kontrolės sistemai blogą rezultatą – pavyzdžiui, kad orlaivio nosis pasisuka ne kryptimi, kai pilotas patraukia vairalazdę – ir prašo „D-Wave“ mašinos surasti tokį scenarijų, pagal kurį galėtų taip nutikti.
„D-Wave“ tikisi rasti daugiau klientų medicinos vaizdų apdorojime, finansų planavimo ir krovinių pristatymo srityse, bet kompanija atvira pasiūlymams. Turbūt taip pat verta paminėti, kad „Google“ pradėjo investuoti į kitas kvantines technologijas: rugsėjį kompanija paskelbė apie partnerystę su UCSB kuriant „Xmon“ pagrindo kvantinį kompiuterį.
Verdiktas
Taigi, kas jums tiktų?
Kol kas laukas atviras. Ekspertai sako, kad neaišku, kuri platforma nugalės ir pasieks rinką, bet išmintinga pinigus padėti būtų ant hibridų, vieną technologiją naudojančių skaičiavimui ir kitą – jų sujungimo tinklams. Klausimas, būtent kada tai nutiks – nežiūrint „D-Wave“ ir kelių labai eksperimentinių ir itin specializuotų mašinų – tebekabo ore. Šios srities dalyviai sako, kad savo bendros paskirties kvantinio kompiuterio gali tekti laukti iki 2024 m. ar net ilgiau. Bet tiek laukti mašinos, galinčios nušluostyti nosį bet kuriai dabar mūsų turimai technikai, verta. Tik nepamirškite: tokia galia pigi nebus. Geriau jau pradėkite taupyti.
