Κβαντικός Υπολογισμός Χωρίς Qubits

Για περισσότερα από 20 χρόνια, ο Ivan H. Deutsch πάλεψε να σχεδιάσει τα κότσια ενός λειτουργικού κβαντικού υπολογιστή. Δεν έχει μείνει μόνος. Η προσπάθεια αξιοποίησης της υπολογιστικής δύναμης της κβαντικής παραξενιάς συνεχίζει να απασχολεί εκατοντάδες ερευνητές σε όλο τον κόσμο. Γιατί δεν υπάρχουν περισσότερα να δείξουν για τη δουλειά τους; Όπως γνωρίζουν οι φυσικοί από την αρχή της κβαντικής υπολογιστικής, τα ίδια χαρακτηριστικά που κάνουν τους κβαντικούς υπολογιστές εκθετικά ισχυρό καθιστούν επίσης διαβολικά δύσκολο τον έλεγχο. Ο «εφιάλτης» των κβαντικών υπολογιστών ήταν πάντα ότι τα πλεονεκτήματα ταχύτητας ενός κβαντικού υπολογιστή θα εξαφανίζονταν από την πολυπλοκότητα του μηχανήματος.

Ωστόσο, σημειώνεται πρόοδος σε δύο βασικά μέτωπα. Πρώτον, οι ερευνητές αναπτύσσουν μοναδικές τεχνικές διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων που θα βοηθήσουν να διατηρήσουν τους κβαντικούς επεξεργαστές σε λειτουργία και λειτουργία για το χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός υπολογισμού. Δεύτερον, οι φυσικοί εργάζονται με τους λεγόμενους αναλογικούς κβαντικούς προσομοιωτές - μηχανές που δεν μπορούν να λειτουργήσουν σαν υπολογιστής γενικής χρήσης, αλλά μάλλον έχουν σχεδιαστεί για να εξερευνούν συγκεκριμένα προβλήματα στην κβαντική φυσική. Ένας κλασικός υπολογιστής θα έπρεπε να λειτουργεί για χιλιάδες χρόνια για να υπολογίσει τις κβαντικές εξισώσεις κίνησης για μόλις 100 άτομα. Ένας κβαντικός προσομοιωτής θα μπορούσε να το κάνει σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Το Quanta Magazine μίλησε με την Deutsch για την πρόσφατη πρόοδο στον τομέα, τις ελπίδες του για το εγγύς μέλλον και τη δική του εργασία στο Κέντρο Κβαντικών Πληροφοριών και Ελέγχου του Πανεπιστημίου του Νέου Μεξικού σχετικά με την κλιμάκωση των δυαδικών κβαντικών bits σε ψηφία βάσης 16.

QUANTA MAGAZINE:Γιατί μια καθολική κβαντική μηχανή θα ήταν τόσο μοναδικήγεμάτη;

IVAN DEUTSCH:Σε έναν κλασικό υπολογιστή, οι πληροφορίες αποθηκεύονται σε ανακτήσιμα bit δυαδικά κωδικοποιημένα ως 0 ή 1. Αλλά σε έναν κβαντικό υπολογιστή, τα στοιχειώδη σωματίδια κατοικούν σε ένα πιθανό κενό που ονομάζεται υπέρθεση όπου ένα "qubit" μπορεί να κωδικοποιηθεί ως 0 και 1.

Εδώ είναι η μαγεία:Κάθε qubit μπορεί να μπλέξει με τα άλλα qubits στη μηχανή. Η διαπλοκή των κβαντικών «καταστάσεων» αυξάνει εκθετικά τον αριθμό των 0 και 1 που μπορούν να υποστούν ταυτόχρονα επεξεργασία από μια σειρά από qubits. Οι μηχανές που μπορούν να αξιοποιήσουν τη δύναμη της κβαντικής λογικής μπορούν να αντιμετωπίσουν εκθετικά μεγαλύτερα επίπεδα πολυπλοκότητας από τον πιο ισχυρό κλασικό υπολογιστή. Προβλήματα για τα οποία θα χρειαζόταν ένας υπερσύγχρονος κλασικός υπολογιστής της εποχής του σύμπαντος για να λυθούν, μπορούν, θεωρητικά, να λυθούν από έναν παγκόσμιο κβαντικό υπολογιστή σε ώρες.

Τι είναι ο "εφιάλτης" των κβαντικών υπολογιστών;

Τα ίδια κβαντικά εφέ που κάνουν έναν κβαντικό υπολογιστή τόσο απίστευτα γρήγορο τον καθιστούν επίσης απίστευτα δύσκολο τη λειτουργία του. Από την αρχή, δεν ήταν σαφές εάν η εκθετική επιτάχυνση που παρέχεται από έναν κβαντικό υπολογιστή θα ακυρωθεί λόγω της εκθετικής πολυπλοκότητας που απαιτείται για την προστασία του συστήματος από κατάρρευση.

Είναι απελπιστική η κατάσταση;

Καθόλου. Τώρα γνωρίζουμε ότι ένας παγκόσμιος κβαντικός υπολογιστής δεν θα απαιτεί εκθετική πολυπλοκότητα στο σχεδιασμό. Αλλά είναι ακόμα πολύ δύσκολο.

Ποιο είναι λοιπόν το πρόβλημα και πώς μπορούμε να το αντιμετωπίσουμε;

Το πρόβλημα υλικού είναι ότι η υπέρθεση είναι τόσο εύθραυστη που η τυχαία αλληλεπίδραση ενός μόνο qubit με τα μόρια που συνθέτουν το άμεσο περιβάλλον του μπορεί να προκαλέσει την αποσύνδεση ή την κατάρρευση ολόκληρου του δικτύου των μπερδεμένων qubits. Ο υπολογισμός που βρίσκεται σε εξέλιξη καταστρέφεται καθώς κάθε qubit μετατρέπεται σε ένα ψηφιοποιημένο κλασικό bit που έχει μία μόνο τιμή:0 ή 1.

Στους κλασικούς υπολογιστές, μειώνουμε την αναπόφευκτη απώλεια πληροφοριών σχεδιάζοντας μεγάλο πλεονασμό στο σύστημα. Οι αλγόριθμοι διόρθωσης σφαλμάτων συγκρίνουν πολλαπλά αντίγραφα της εξόδου. Επιλέγουν την πιο συχνή απάντηση και απορρίπτουν τα υπόλοιπα δεδομένα ως θόρυβο. Δεν μπορούμε να το κάνουμε αυτό με έναν κβαντικό υπολογιστή, επειδή η προσπάθεια απευθείας σύγκρισης qubits θα διακόψει το πρόγραμμα. Όμως σταδιακά μαθαίνουμε πώς να αποτρέπουμε την κατάρρευση συστημάτων μπερδεμένων qubits.

Το σημαντικότερο εμπόδιο, κατά τη γνώμη μου, είναι η δημιουργία λογισμικού διόρθωσης σφαλμάτων που μπορεί να αποτρέψει την αλλοίωση των δεδομένων καθώς ο υπολογισμός προχωρά προς την τελική ανάγνωση. Το μεγάλο κόλπο είναι να σχεδιάσετε και να εφαρμόσετε έναν αλγόριθμο που μετρά μόνο τα σφάλματα και όχι τα δεδομένα, διατηρώντας έτσι την υπέρθεση που περιέχει τη σωστή απάντηση.

Θα τελειώσει έτσι ο εφιάλτης;

Αποδεικνύεται ότι η ίδια η τεχνική διόρθωσης σφαλμάτων εισάγει σφάλματα. Μία από τις πιο θαυμάσιες εξελίξεις στον κβαντικό υπολογισμό ήταν η αναγνώριση ότι, θεωρητικά, μπορούμε να διορθώσουμε τα νέα σφάλματα χωρίς να απαιτείται 100 τοις εκατό ακρίβεια, επιτρέποντας στον μικρό θόρυβο του περιβάλλοντος να μολύνει τον υπολογισμό καθώς κυλάει. Δεν μπορούμε πραγματικά να το κάνουμε αυτό — ακόμα. Ο κύριος λόγος που δεν έχουμε έναν λειτουργικό καθολικό κβαντικό υπολογιστή είναι ότι ακόμα πειραματιζόμαστε με τον τρόπο εμφύτευσης ενός τέτοιου αλγόριθμου «ανεκτικού σε σφάλματα» σε ένα κβαντικό κύκλωμα. Αυτή τη στιγμή μπορούμε να ελέγξουμε αρκετά καλά 10 qubits. Αλλά δεν υπάρχει τεχνική διόρθωσης σφαλμάτων, εξ όσων γνωρίζω, ικανή να ελέγχει τα χιλιάδες qubits που απαιτούνται για την κατασκευή μιας καθολικής μηχανής.

Με αυτό εργάζεστε;

Μελετάω τις δυνατότητες επεξεργασίας πληροφοριών παγιδευμένων ατόμων. Ο συνάδελφός μου Poul Jessen στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και εγώ πιέζουμε τη λογική δύναμη πέρα ​​από τα δυαδικά qubits. Για παράδειγμα, τι γίνεται αν μπορούμε να ελέγξουμε την υπέρθεση ενός ατόμου με, ας πούμε, 16 διαφορετικά επίπεδα ενέργειας; Χρησιμοποιώντας τη βάση 16, μπορούμε στη συνέχεια να αποθηκεύσουμε αυτό που ονομάζουμε "qudit" σε ένα μόνο άτομο. Αυτό θα μας μετακινούσε πέρα ​​από την ταχύτητα επεξεργασίας πληροφοριών που μπορεί να αποκτήσει ένα σύστημα βάσης 2, το qubit.

Τι άλλες επιλογές έχουμε;

Μπορεί να υπάρχουν σημαντικές εφαρμογές διαθέσιμες για την κατασκευή μη καθολικών μηχανών:Ειδικού σκοπού, αναλογικοί κβαντικοί προσομοιωτές σχεδιασμένοι να επιλύουν συγκεκριμένα προβλήματα, όπως πώς λειτουργούν οι υπεραγωγοί σε θερμοκρασία δωματίου ή πώς αναδιπλώνεται μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη.

Είναι όντως υπολογιστές;

Δεν είναι καθολικές μηχανές ικανές να λύσουν οποιοδήποτε είδος απορίας. Αλλά πείτε ότι θέλω να διαμορφώσω το μοντέλο της παγκόσμιας κλιματικής αλλαγής. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να γράψετε ένα μαθηματικό μοντέλο και στη συνέχεια να λύσετε τις εξισώσεις σε έναν ψηφιακό υπολογιστή. Αυτό συνήθως κάνουν οι επιστήμονες του κλίματος. Ένας άλλος τρόπος είναι να προσπαθήσουμε να προσομοιώσουμε κάποια πτυχή του κλίματος της γης σε ένα ελεγχόμενο πείραμα. Μπορώ να δημιουργήσω ένα απλό φυσικό σύστημα που υπακούει στους ίδιους νόμους κίνησης με το σύστημα που προσπαθώ να μοντελοποιήσω — αναμειγνύοντας άζωτο, οξυγόνο και υδρογόνο σε μια δεξαμενή, για παράδειγμα. Αυτό που συμβαίνει μέσα στη δεξαμενή είναι ένας πραγματικός υπολογισμός που μου λέει κάτι για τις ατμοσφαιρικές αναταράξεις υπό ορισμένες συνθήκες.

Είναι το ίδιο με έναν αναλογικό κβαντικό προσομοιωτή — χρησιμοποιώ ένα ελεγχόμενο φυσικό σύστημα για να προσομοιώσω ένα άλλο. Για παράδειγμα, η επιτυχής προσομοίωση ενός υπεραγωγού με μια τέτοια συσκευή θα αποκάλυπτε την κβαντική μηχανική της υπεραγωγιμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει στην κατασκευή μη εύθραυστων υπεραγώγιμων υλικών για πολλές χρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής λιγότερο εύθραυστων κβαντικών κυκλωμάτων. Ας ελπίσουμε ότι μπορούμε να μάθουμε πώς να κατασκευάζουμε έναν ισχυρό παγκόσμιο ψηφιακό υπολογιστή πειραματιζόμενοι με αναλογικούς προσομοιωτές.

Έχει φτιάξει κανείς έναν λειτουργικό αναλογικό κβαντικό προσομοιωτή;

Το 2002, μια ομάδα στο Ινστιτούτο Max Planck στη Γερμανία κατασκεύασε ένα οπτικό πλέγμα - ένα υπερψυγμένο κουτί αυγών από φως - και το έλεγξε με παλμική δύναμη ακτίνων λέιζερ σε αυτό. Αυτή ήταν μια θεμελιωδώς αναλογική συσκευή σχεδιασμένη να υπακούει στις κβαντομηχανικές εξισώσεις κίνησης. Η σύντομη ιστορία είναι ότι προσομοίωσε επιτυχώς τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα μεταβαίνουν μεταξύ τους ως υπερρευστά ή ως μονωτές. Αυτό το πείραμα πυροδότησε πολλή έρευνα στον αναλογικό κβαντικό υπολογισμό με οπτικά πλέγματα και παγίδες ψυχρού ατόμου.

Ποιες είναι οι κύριες προκλήσεις για αυτούς τους κβαντικούς προσομοιωτές;

Επειδή η εξέλιξη της αναλογικής προσομοίωσης δεν είναι ψηφιοποιημένη, το λογισμικό δεν μπορεί να διορθώσει τα μικροσκοπικά σφάλματα που συσσωρεύονται κατά τον υπολογισμό, καθώς θα μπορούσαμε να διορθώσουμε τον θόρυβο σε ένα μηχάνημα γενικής χρήσης. Η αναλογική συσκευή πρέπει να διατηρεί μια κβαντική υπέρθεση ανέπαφη για αρκετό καιρό ώστε η προσομοίωση να συνεχίσει την πορεία της χωρίς να καταφύγει σε ψηφιακή διόρθωση σφαλμάτων. Αυτή είναι μια ιδιαίτερη πρόκληση για την αναλογική προσέγγιση της κβαντικής προσομοίωσης.

Είναι η μηχανή D-Wave κβαντικός προσομοιωτής;

Το πρωτότυπο D-Wave δεν είναι ένας παγκόσμιος κβαντικός υπολογιστής. Δεν είναι ψηφιακό, ούτε διορθώνει σφάλματα, ούτε ανοχή σφαλμάτων. Είναι ένα αμιγώς αναλογικό μηχάνημα σχεδιασμένο να λύνει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα βελτιστοποίησης. Δεν είναι σαφές εάν πληροί τις προϋποθέσεις ως κβαντική συσκευή.

Θα αναπτυχθεί ένας επεκτάσιμος κβαντικός υπολογιστής κατά τη διάρκεια της ζωής σας;

Ξεπερνάμε τον εφιάλτη. Σε όλο τον κόσμο, πολλά πανεπιστημιακά εργαστήρια εργάζονται σκληρά για να αφαιρέσουν ή να παρακάμψουν το οδόφραγμα της ανοχής σφαλμάτων. Οι ακαδημαϊκοί ερευνητές πρωτοστατούν, διανοητικά. Για παράδειγμα, οι ομάδες των Rob Schoelkopf και Michel H. Devoret στο Yale χρησιμοποιούν τεχνολογίες υπεραγωγιμότητας κοντά στην ανοχή σφαλμάτων.

Αλλά η κατασκευή ενός λειτουργικού καθολικού ψηφιακού κβαντικού υπολογιστή πιθανότατα θα απαιτήσει κινητοποίηση πόρων βιομηχανικής κλίμακας. Για το σκοπό αυτό, η IBM διερευνά κβαντικούς υπολογιστές με υπεραγώγιμα κυκλώματα με προσωπικό κυρίως από τους ομίλους του Yale. Η Google συνεργάζεται με το εργαστήριο του John Martinis στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. Η HRL Laboratories εργάζεται σε κβαντικούς υπολογιστές με βάση το πυρίτιο. Η Lockheed Martin εξερευνά παγίδες ιόντων. Και ποιος ξέρει τι κάνει η Υπηρεσία Εθνικής Ασφάλειας.

Αλλά γενικά στα ακαδημαϊκά εργαστήρια, χωρίς αυτούς τους πόρους βιομηχανικής κλίμακας, οι επιστήμονες εστιάζουν όλο και περισσότερο στο να μάθουν πώς να ελέγχουν αναλογικούς κβαντικούς προσομοιωτές. Υπάρχει βραχυπρόθεσμος καρπός που πρέπει να μαζευτεί σε αυτόν τον χώρο — τόσο από πνευματική άποψη όσο και στο νόμισμα των ακαδημαϊκών:δημοσιεύσιμες εργασίες.

Είστε πρόθυμοι να συμβιβαστείτε με την αναλογική;

Υποστηρίζω την πλήρη επιδίωξη της ψηφιακής προσέγγισης. Πριν πεθάνω, θα ήθελα πολύ να δω μόνο ένα καθολικό λογικό qubit που μπορεί να διορθωθεί επ' αόριστον το σφάλμα. Θα ταξινομούνταν αμέσως από την κυβέρνηση, φυσικά. Αλλά ονειρεύομαι, ανεξάρτητα.