В прошлом году компания Google объявила, что достигла «квантового превосходства». Это был такой причудливый способ сказать, что ее процессор Sycamore может сделать что-то уникальное. Их квантовый процессор решил сложную математическую задачу за 3 минуты и 20 секунд, которую бы современный суперкомпьютер смог бы вычислить не менее чем за 10 000 лет. И всё это из-за того, что Sycamore - не просто обновление существующих технологий ... это совершенно другой способ работы.
Sycamore - это квантовый компьютер, достигающий своей максимальной производительности странным поведением частиц. Эта продвинутая вычислительная мощность может помочь вылечить слабоумие или изобрести искусственный интеллект, поэтому неудивительно, что другие фирмы в области компьютерных технологий усердно работают над разработкой своих собственных продуктов. Даже правительства вкладывают миллиарды в свои исследования, и соперничество между Соединенными Штатами и Китаем фактически было названо «Космической гонкой 21-го века».
Хотя Sycamore - гигантский скачок для Google, это только первый шаг к этой технической революции. Лежащие в основе физические процессы, которые делают квантовые вычисления настолько необычными, также вызывают некоторые сложные задачи, которые еще не решены.
Чтобы понять, как работают квантовые компьютеры, вам нужно усвоить один ошеломляющий факт: объекты могут находиться в двух местах одновременно. Это очень сложно понять, отчасти потому что это не то, как мы привыкли воспринимать вещи, а также потому, что на протяжении веков Исаак Ньютон и другие ученые утверждали, что мир следует предсказуемым закономерностям. Например, яблоко всегда падает на землю, даже если оно сначала ударит тебя по голове. И если вы возьмете это яблоко домой и оставите его на своей кухне, вы не найдете его внезапно в ванной.
Но эти правила не применяются на субатомном уровне. Это то, что означает «квант»: крошечные неделимые частички, строительные блоки вселенной. В начале 20-го века такие ученые, как Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер обнаружили, что хотя эти частицы можно найти практически где угодно, уверенность нахождения их в любом конкретном месте равна нулю. Это потому, что частицы могут быть в двух местах одновременно. Например, электроны вращаются одновременно и «вверх» и «вниз».
Физики называют такое поведение «суперпозицией». Чтобы усложнить понимание процесса, суперпозиция происходит только тогда, когда мы не смотрим. В тот момент, когда мы пытаемся измерить ее, частицы теряют свое неопределенное состояние и вращаются только «вверх» или «вниз». Лучшее, что могут сделать физики, - это определить, в каком состоянии появятся частицы во время наблюдения.
Но это еще не всё: частицы также могут быть «запутаны» в парах или группах. Они становятся тесно связанными друг с другом, поэтому вы оказываете воздействие на одну частицу, то и другая также изменится. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии», потому что оно работает, даже если частицы находятся на противоположных концах вселенной.
Если вы загорелись этими идеями, то вы в хорошей компании. Ричард Фейнман, награжденный совместной Нобелевской премией по физике в 1965 года за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, как-то сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы ее не понимаете». Но это не помешало Фейнману выдвинуть идею создания квантового компьютера.
Невероятно, но Фейнман как раз читал лекции об этом в Калифорнийском технологическом университете во время изобретения первого прототипа персонального компьютера в СССР и выпуска компьютерной системы IBM PC - в 1981 году. В этом же году IBM ввела фразу «персональный компьютер» или «ПК» для краткости. И прошло еще десятилетие, прежде чем эти устройства стали предметами повседневного обихода.
Но все компьютеры - от тех первых IBM до современных MacBook - работают, обрабатывая «биты» информации. Каждый бит представляет значение один или ноль. Этот двоичный код составляет основу всех вычислений, выполняемых компьютером. И чем выше разрядность процессора, тем сложней задачи может он решить.
1. Постановка задачи. Используя обычный ноутбук в качестве интерфейса, задаётся проблема, которую нужно решить. Запрос должен быть максимально простым, поскольку сегодняшняя система не может выполнить много операций и не "перегреваться" одновременно.
2. Микроволновая электроника. Электроника преобразует запрос из цифрового кода "нулей и единиц" в микроволновые импульсы, которые передаются по проводам к компьютеру.
3. Входные СВЧ линии. Когда микроволновые импульсы поступают в систему, уровень их сигналов уменьшается, поэтому их тепло не влияет на кубиты.
4. Многоступенчатый холодильник. Два изотопа гелия смешиваются вместе, в результате проходит поглощающая тепло реакция, которая охлаждает всю систему почти до "абсолютного ноля" (-273,135 градусов Цельсия)
5. Квантовый процессор. Собственно сами чипы кубитов, расположенные чуть ниже камеры смешения гелия. Экранирован и защищён от электромагнитного излучения и других воздействий.
6. Квантовые вычисления. Микроволновые импульсы управляют кубитами, складывая или вычитая их друг с другом, чтобы получить ответ.
7. Усиление ответа. Показания измерений с кубитов направляются через циркуляторы. Усилители увеличивают уровень их сигнала.
8. Цифровое преобразование. Блок электроники оцифровывает измерительные сигналы, и ответ отправляется обратно на ноутбук.
9. Двойная проверка. Задание выполняется несколько раз, так как квантовые компьютеры имеют высокую долю ошибок. Но при этом сам процесс вычисления занимает считанные секунды, поэтому правильный ответ получается статистически.
Фейнман предложил использовать в квантовом компьютере квантовые биты или «кубиты». Они будут существовать в суперпозиции, а значит находиться как в единице, так и в нуле одновременно. А если вы «запутаете» два кубита, то они могут иметь четыре значения одновременно: 1-0, 0-1, 1-1 и 0-0. По мере роста числа кубитов квантовый компьютер очень быстро становится более мощным, чем обычный компьютер, и может обрабатывать информацию за доли секунды.
В то время когда Фейнман представил проект, как технология может работать, физически построить квантовый компьютер оказалось гораздо сложнее. Кубиты сделаны из отдельных атомов или субатомных частиц. Простая попытка контроля их может привести к потере их квантовых свойств. А для того, чтобы просто связать их вместе, потребовались годы работы, и первый квантовый компьютер с двумя кубитами появился в 1998 году.
Все эти изменения стали возможными более 20 лет назад, когда в Японии впервые появились сверхпроводящие цепи, и стало возможным охлаждение кубитов до -273 градусов по Цельсию с использованием мощных холодильников. Используя этот метод, Intel выпустила процессор с 49 кубитами, а IBM может похвастаться 53-мя. Процессор Google Sycamore также содержит 53 кубита, но у технологического гиганта уже есть другой с 72. А основатели стартапа Rigetti – платформы, позволяющей быстро интегрировать квантовые вычисления в бизнес и науку, с финансированием в размере $119,5 млн - даже утверждают, что работают с 128-кубитовой системой.
Но охлаждать большие объекты труднее, особенно когда вам нужно поддерживать температуру ниже, чем в открытом космосе. Поэтому когда сверхпроводящие кубиты достигают размера, при котором они могут достичь квантового превосходства, они могут превзойти размеры холодильников, на которых они держатся.
Одной из альтернатив является использование ионов, любого атома с добавленным электрическим зарядом. Они могут быть захвачены, используя микрочипы, которые испускают электрические поля. Затем такой микрочип можно использовать как кубит. Важно то, что они могут работать при комнатной температуре, таким образом, решив проблему с охлаждением.
Но захваченные ионы были протестированы пока только в лабораториях, и потребуется некоторое время, чтобы начать выпускать такие микрочипы в промышленном масштабе. Тем временем Microsoft экспериментирует с топологическими кубитами, которые менее чувствительны к температуре, но затрагивается распад электронов.
Можно сказать, что эта технология находится в собственном квантовом состоянии: она одновременно делает важные прорывы, и в то же время мы только начинаем ее понимать.
--------------------------------------------------------------------------------------------------
Читайте также:
- Эрвин Шрёдингер – известный физик, чей парадокс с котом взволновал всё научное сообщество
- Самые красивые цитаты Альберта Эйнштейна
- 10 научных достижений 2019 года
Все фотографии и иллюстрации взяты из открытых источников и принадлежат их авторам.
Ставьте Лайк и подписывайтесь на канал, дальше будет так же интересно!