Μετά από χρόνια αποφυγής, το Υπουργείο Ενέργειας εντάσσεται στην προσπάθεια ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών
Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) εντάσσεται στην προσπάθεια ανάπτυξης κβαντικών υπολογιστών, συσκευών που θα εκμεταλλεύονται την κβαντική μηχανική για να αντιμετωπίσουν προβλήματα που κατακλύζουν τους συμβατικούς υπολογιστές. Η πρωτοβουλία έρχεται καθώς η Google και άλλες εταιρείες αγωνίζονται για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή που μπορεί να επιδείξει «κβαντική υπεροχή» νικώντας τους κλασικούς υπολογιστές σε ένα πρόβλημα δοκιμής. Αλλά η επίτευξη αυτού του ορόσημου δεν σημαίνει ότι υπάρχουν πρακτικές χρήσεις και η νέα προσπάθεια DOE 40 εκατομμυρίων δολαρίων έχει σκοπό να δώσει ώθηση στην ανάπτυξη χρήσιμων αλγορίθμων κβαντικής υπολογιστικής για το έργο της στη χημεία, την επιστήμη των υλικών, την πυρηνική φυσική και τη σωματιδιακή φυσική.
«Αναζητούμε αλγόριθμους που μπορούν να προωθήσουν την επιστήμη», λέει ο Stephen Binkley, αναπληρωτής διευθυντής του Γραφείου Επιστήμης 5,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων της DOE στην Ουάσιγκτον, DC, ο οποίος σε μια ανοιχτή επιστολή στις 29 Νοεμβρίου 2017 προέτρεψε τους ερευνητές να υποβάλουν προτάσεις για μια τέτοια εργασία.
Η κυβέρνηση των ΗΠΑ ξοδεύει ήδη περίπου 250 εκατομμύρια δολάρια ετησίως για κβαντικούς υπολογιστές, κυρίως μέσω του Γραφείου Ερευνών του Στρατού, λέει ο Christopher Monroe, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park και συνιδρυτής της startup κβαντικών υπολογιστών IonQ. Αλλά τα χρήματα της DOE θα πάνε κυρίως στα εθνικά της εργαστήρια. Η Monroe λέει ότι οι ερευνητές εκεί μπορούν να παίξουν πρωταγωνιστικό ρόλο στην ανάπτυξη των μηχανών. «Η βιομηχανία δεν μπορεί να το κάνει επειδή δεν έχει ανθρώπους και οι ακαδημαϊκοί δεν μπορούν να το κάνουν επειδή δεν χτίζουν πράγματα».
Ενώ ένας συμβατικός υπολογιστής χειρίζεται bits που μπορούν να ρυθμιστούν είτε στο 0 είτε στο 1, ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί κβαντικά bit ή qubit που, παραδόξως, μπορούν να ρυθμιστούν σε 0 και 1 ταυτόχρονα. Ένα qubit μπορεί να είναι ένα μπάλωμα από υπεραγώγιμο μέταλλο που μπορεί να φορτιστεί ηλεκτρικά για να κωδικοποιήσει το 1, αφόρτιστο για να κωδικοποιήσει το 0 ή και φορτισμένο και αφόρτιστο ταυτόχρονα. Τα παγιδευμένα ιόντα, τα οποία μπορούν να περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις ή και στις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως qubits. Με τη δυνατότητα αμφίδρομης ταυτόχρονης λειτουργίας τους, μόλις 300 qubits θα μπορούσαν ταυτόχρονα να κωδικοποιήσουν περισσότερους αριθμούς από ό,τι υπάρχουν άτομα στο παρατηρήσιμο σύμπαν.
Ωστόσο, είναι ο τρόπος με τον οποίο οι κβαντικοί υπολογιστές επιλύουν προβλήματα που εξηγεί τη δύναμή τους — και τους περιορισμούς τους. Τα προβλήματα μπορούν να κωδικοποιηθούν έτσι ώστε οι πιθανές λύσεις να αντιστοιχούν σε διαφορετικά κβαντικά κύματα που διασχίζουν τα qubits. Ρυθμίστε τα πράγματα έτσι ώστε τα κύματα να παρεμβαίνουν με τον σωστό τρόπο και οι λάθος λύσεις θα ακυρώσουν η μία την άλλη ενώ η σωστή λύση θα εμφανιστεί. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε γρήγορα να συνυπολογίσει μεγάλους αριθμούς, επιτρέποντάς του ενδεχομένως να σπάσει τα τρέχοντα πρωτόκολλα κρυπτογράφησης του Διαδικτύου. Αλλά η προσέγγιση δεν μπορεί να βοηθήσει κάθε υπολογισμό.
Για παράδειγμα, οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα βοηθήσουν στην ανάλυση των δισεκατομμυρίων καταγραφών μεμονωμένων συγκρούσεων σωματιδίων που παράγονται από θρυμματιστές ατόμων όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στην Ελβετία, λέει ο James Amundson, υπολογιστικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi στη Batavia του Ιλινόις. Κάθε ένα από τα αρχεία είναι εύκολο να αναλυθεί, επομένως χρειάζεται μόνο να τροφοδοτηθεί μέσω μιας στρατιάς συνηθισμένων υπολογιστών που λειτουργούν παράλληλα, λέει ο Amundson. Ένας κβαντικός υπολογιστής δεν μπορεί να επιταχύνει τη διαδικασία.
Μια λίστα υποχρεώσεων κβαντικών υπολογιστών
Ωστόσο, οι μηχανές υπόσχονται πολλά για ορισμένα προβλήματα, λένε οι ερευνητές, όπως αυτά που περιλαμβάνουν τη μοντελοποίηση ή την προσομοίωση εγγενώς κβαντικών μηχανικών διεργασιών. Στη χημεία, για παράδειγμα, τα ένζυμα που ονομάζονται νιτρογενάσες καταλύουν τις αντιδράσεις που επιτρέπουν στα βακτήρια που δεσμεύουν το άζωτο να μετατρέψουν το άζωτο από τον αέρα σε μια μορφή που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα φυτά. Κανένας συμβατικός υπολογιστής δεν μπορεί να υπολογίσει ακριβώς πώς λειτουργεί η διαδικασία, αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε, λέει ο Wibe de Jong, υπολογιστικός χημικός στο Lawrence Berkeley National Laboratory στο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνια. "Υπάρχουν πολλές καταλυτικές διαδικασίες που είναι ακόμα πολύ δύσκολο να μοντελοποιηθούν λόγω της υπολογιστικής πολυπλοκότητας", λέει.
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορεί επίσης να βοηθήσουν στο σχεδιασμό υλικών από τα ατομικά τους συστατικά. Και θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην πρόβλεψη του πώς συμπεριφέρεται η υπερπυκνή ύλη στα αστέρια νετρονίων ή πώς ένα πρωτόνιο διασπάται κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης σωματιδίων. Τέτοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν όλες την αλληλεπίδραση των κβαντικών κυμάτων που περιγράφουν τα υποατομικά σωματίδια. Η παρακολούθηση των ταλαντευόμενων κυμάτων κατακλύζει έναν συμβατικό υπολογιστή, αλλά ένας κβαντικός υπολογιστής χειρίζεται αυτόματα αυτή την πτυχή ενός υπολογισμού, εξηγεί ο Martin Savage, πυρηνικός θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ.
Οι ερευνητές μόλις άρχισαν να ανακαλύπτουν πώς να χαρτογραφήσουν τέτοια προβλήματα στα qubits ενός κβαντικού υπολογιστή. Για να επιταχύνει τη διαδικασία, το DOE τον Σεπτέμβριο του 2017 ξεκίνησε δύο δοκιμαστικές κλίνες για να μπορέσουν οι σχεδιαστές και οι επιστήμονες να συνεργαστούν σε προσεγγίσεις στον κβαντικό υπολογισμό. Στο εργαστήριο του Μπέρκλεϋ, ο φυσικός Irfan Siddiqi και οι συνεργάτες του στοχεύουν να κατασκευάσουν τον δικό τους κβαντικό υπολογιστή 64 qubit χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα qubits. Τα σχόλια από τους χρήστες θα επηρεάσουν τα σχέδιά τους, όπως το πώς τα qubit είναι διατεταγμένα και συνδέονται μεταξύ τους σε ένα τσιπ, λέει ο Siddiqi.
Αντίθετα, μια δοκιμαστική βάση στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί θα παρέχει απομακρυσμένη πρόσβαση σε υπάρχοντα μηχανήματα στην IBM και στο IonQ. Αυτή η προσέγγιση θα πρέπει να πυροδοτήσει το ίδιο είδος «συν-σχεδιασμού» χωρίς να απαιτείται από τους ερευνητές του Oak Ridge να κατασκευάσουν μια μηχανή από την αρχή, λέει ο Raphael Pooser, ένας επιστήμονας κβαντικών πληροφοριών στο Oak Ridge. Επίσης, μοιάζει περισσότερο με τον τρόπο που η DOE αναπτύσσει τους υπερυπολογιστές της σε συνεργασία με τη βιομηχανία, λέει.
Στο μεταξύ, οι εμπορικές μηχανές γίνονται πιο ισχυρές. Αυτή την εβδομάδα, ερευνητές στο εργαστήριο της Google στη Σάντα Μπάρμπαρα της Καλιφόρνια, άρχισαν να δοκιμάζουν ένα τσιπ 50 qubit που πιστεύουν ότι θα επιτύχει κβαντική υπεροχή, αν και το πείραμα μπορεί να διαρκέσει ακόμα μήνες. Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές ανησυχούν ότι μια τέτοια επίδειξη μπορεί να παραπλανήσει το κοινό στη σκέψη ότι οι επιστήμονες έχουν φτάσει στο τέλος του δρόμου για την ανάπτυξη ενός χρήσιμου κβαντικού υπολογιστή. «Δεν είναι καν η αρχή του δρόμου», λέει ο Siddiqi.
Ο John Martinis, ο φυσικός που ηγείται της προσπάθειας της Google, λέει ότι η εταιρεία «καταλαβαίνει ότι η κβαντική υπεροχή είναι ένα μεγάλο ορόσημο και ότι θα χρειαστεί περισσότερος, ίσως πολύ περισσότερος, για να γίνει κάτι πρακτικό». Η DOE συμφωνεί σαφώς.
