„The Magazine” przeprowadził wywiady z ekspertami w dziedzinie kwantów. Odwiedził w tym celu siedem laboratoriów na Uniwersytecie Maryland. Rozmowy dotyczyły trwających badań i możliwości, jakie dają komputery kwantowe – informuje izraelska gazeta. Pozostaje jednak pytanie, kto zdominuje technologiczny wyścig zbrojeń?
„Obliczenia kwantowe zmienią oblicze naszej planety, nawet jeśli zajmie to jeszcze trochę czasu” – twierdzi Christopher Monroe, profesor zarówno na Uniwersytecie Maryland, jak i Duke University, a także współzałożyciel firmy IonQ zajmującej się obliczeniami kwantowymi.
Komputer kwantowe rozbudziły wielkie nadzieje. Są one wykonane z zupełnie innego rodzaju materiału i działają na zupełnie innych zasadach związanych z kubitami i mechaniką kwantową, a ich potencjał obliczeniowy przyćmiewa możliwości komputerów klasycznych.
Przewiduje się, że nie dość, że zniszczą Internet w obecnym jego kształcie, to zdominują też wojskowość i gospodarkę oraz wpłyną na codzienne życie.
Laboratoriów takich, jak te na Uniwersytecie Maryland, w których gościł „The Magazine”, jeszcze nie ma w Izraelu. Znajdują się w nich urządzenia, które wydają się być przeniesione prosto z filmów fantastycznych lub przyszłości: „wszelkiego rodzaju kubity (podstawa komputerów kwantowych), lasery wysadzające cele w powietrze, by wywołać plazmę tworzącą charakterystyczne »błony«, lasery na podczerwień, piece osiągające temperaturę 2000 ºC, piec tetra-łukowy do hodowania kryształów krzemu, specjalne lodówki rozcieńczające do kriostoryfikacji (głębokiego zamrażania) oraz różnorodne komory próżniowe”. By wejść do danego laboratorium, reporterzy musieli zakładać specjalne chroniące oczy gogle. W przeciwnym razie ryzykowaliby utratę wzroku.
Wyścig w przyszłość
O to, kto będzie mieć komputer kwantowy, walczą przede wszystkim USA i Chiny. I to one wciąż znajdują się na czele wyścigu. Inne kraje pozostają w tyle, chociaż już pracują nad stworzeniem aplikacji wykorzystujących nowe komputery, które zbudują ci dwaj giganci.
Kto jednak zdolny jest zwyciężyć w tej rywalizacji? Google, Microsoft, Amazon, IBM czy Honeywell? Przyszłość będzie należeć do jednego z tych gigantów, czy może do konkurenta skoncentrowanego wyłącznie na kwantach, takiego jak IonQ – firmy Monroe?
Na razie to Google osiągnął supremację kwantową, gdy jego 54-kubitowa maszyna kwantowa Sycamore jako pierwsza w 2019 r. sprawdzając dane wyjściowe z kwantowego generatora liczb losowych, wykonała obliczenia niemożliwe dla klasycznego komputera. W niecałe trzy minuty rozwiązała problem, który zająłby zwykłym komputerom tysiące lat.
Chociaż Chiny depczą amerykańskiej firmie po piętach i udało im się niedawno odtworzyć eksperyment Google, to Google jest nadal uważany za lidera w tej dziedzinie.
Co więcej, gigant ten obiecał również, że do 2029 r. osiągnie świętego Graala obliczeń kwantowych. Oznacza to, że stworzy system tak duży, że będzie on w stanie zrewolucjonizować Internet, kwestie militarne i gospodarcze.
Tymczasem IonQ Christophera Monroe ma tylko 32 kubity, a jednak profesor uważa, że to on ma szanse zgarnąć wygraną w technologicznym wyścigu. Krytykuje eksperyment Google. Twierdzi, że z biznesowego punktu widzenia, był on „dużym rozproszeniem uwagi, czego nie kryją nawet pracownicy firmy. Musieli przeprowadzać symulacje, aby udowodnić, jak trudno byłoby robić przy pomocy starych komputerów to, co robią, zamiast budować lepsze komputery kwantowe i rozwiązywać przydatne algorytmy”.
Powiedział też, że „to było dość akademickie ćwiczenie. Problem, który zaatakowali, był jednym z tych rzadkich problemów, w których można coś udowodnić i można udowodnić, że superkomputer nie może tego zrobić. Mechanika kwantowa działa. To nie jest niespodzianka. Problem, z którym zmierzył się Google, był całkowicie bezużyteczny. System nie był wystarczająco elastyczny, aby zaprogramować go na inne problemy. Więc duża firma zrobiła wielką akademicką demonstrację. Wielkie mi halo” – powiedział.
„Google musiało powtórzyć swój eksperyment miliony razy… Sygnał spadł o rzędy wielkości. Istnieją specjalne problemy, aby uzyskać dane. Istnieją ogólne problemy, gdzie nie można utrzymać [spójności]”. Eksperyment Google i kubity „rozpadły się o siedmiokrotność stałej” – wyjaśniał Monroe. Twierdzi on, że dzięki komputerom kwantowym IonQ można wykonać 100 operacji w jednym czasie dla stałej.
W rozkładzie radioaktywnym stała czasowa jest związana ze stałą rozpadu i zasadniczo reprezentuje średni czas życia rozpadającego się systemu, takiego jak atom. Niektóre z taktyk potencjalnego przezwyciężenia rozpadu sięgają do wspomnianych wcześniej laserów, komór próżniowych i lodówek kriogenicznych.
„Wierzymy, że komputery kwantowe działają – teraz nadszedł czas, aby je zbudować” – podsumował Monroe. A opisując komputery kwantowe IonQ, powiedział: „32-kubitowy komputer jest piątej generacji. Trzecia i czwarta generacja jest dostępna dla [klientów] Microsoft, Amazon i Google Cloud. Jest to 11 kubitów, wprawdzie niewiele, ale nadal działa lepiej niż jakakolwiek maszyna IBM. Komputer 11-kubitowy jest bardzo czysty operacyjnie. Może wykonać około 100 operacji, zanim szum lasera spowoduje utratę koherencji [zanim kubity przestaną działać]. Jest to o wiele więcej operacji niż w przypadku nadprzewodników. Jeśli [komputer] ma milion kubitów, ale może wykonać tylko kilka ops [operacji], to jest nudny. Ale uwięzione jony dodające więcej kubitów w tym samym czasie sprawiają, że rzeczy są tańsze”.
Wyjaśniał też: „32-kubitowy komputer nie jest jeszcze w chmurze. Pracujemy prywatnie z finansami klientów”. Poinformował, że „w przyszłej publikacji omówiona zostanie »dziecięca wersja algorytmu«, która może być bardzo »interesująca, gdy zaczniesz ją skalować«. Być może w następnej generacji możemy zaprojektować go do rozwiązywania problemów optymalizacyjnych – coś, czego nie otrzymujemy z chmury, gdzie nie dostajemy żadnej telemetrii, co byłoby niezwykłą korzyścią dla klientów”.
Możliwość stworzenia 1000-kubitowej maszyny w bardzo krótkim czasie, bo do 2025 r. samo w sobie zmieni reguły gry. A to nie koniec, bo z pewnością z czasem powstaną znacznie większe komputery kwantowe.
Firma Monroe’a obecnie współpracuje z wieloma naukowcami z Izraela.
By kubity się nie rozpadały
Najważniejszym wyzwaniem związanym z komputerami kwantowymi jest korekcja błędów. Trzeba wymyślić jakiś proces, który zapobiegnie rozpadowi kubitów w tempie, w jakim rozpadają się one obecnie. To zapobiegnie przerywaniom obliczeń, zanim zostaną dokończone.
Monroe, który krytykuje podejście Google do tego problemu, sam jest za to samo krytykowany przez niektórych swoich kolegów akademickich. „Google stara się dotrzeć do miliona kubitów, które ze sobą dobrze nie współpracują” – twierdzi.
W przypadku IonQ specjalny proces kodowania mógłby pozwolić na stworzenie czegoś, co Monroe nazwał pojedynczym rodzajem „superkubitu”, który wyeliminowałby „99,9 proc. błędów natywnych”. W ten sposób będzie można zwyciężyć w dziedzinie obliczeń kwantowych z takim gigantem jak Google próbującym przedkładać ilość nad jakość.
Jednak wielu, także niektórzy jego koledzy z Uniwersytetu w Maryland uważają, że to podejście profesora jest nierealistyczne. Na tę krytykę odpowiedział, że „ich ścieżka ataku opiera się na »teorii korekcji błędów«. Implikuje ona, że będzie się wykonywać nieskończenie długie obliczenia, [ale] nikt nigdy nie będzie potrzebował tego wysokiego standardu do robienia interesów”.
Jego strategia polega na stopniowym dodawaniu kolejnych kubitów, co pozwala osiągnąć nieco lepsze rezultaty. Celem jest bowiem obejście problemu korekcji błędów. „Nie używamy korekcji błędów na naszym CPU [centralna jednostka obliczeniowa], ponieważ krzem jest tak stabilny. Jeśli zawiedzie w ciągu roku, nic się nie stanie”, ponieważ jest to więcej niż wystarczająco dużo czasu, aby było to ekonomicznie opłacalne – twierdzi.
Takie podejście Monroe wynika z tego, że łączy on biznes z nauką. Wyjaśnia, że „przemysł i środowiska akademickie nie zawsze widzą rzeczy w ten sam sposób. Naukowcy są szkoleni, aby udowadniać wszystko, co robimy. Jednak, jeśli komputer działa lepiej, aby rozwiązać pewien problem, nie musimy tego udowadniać”.
Na przykład, jeśli komputer kwantowy podwoił wartość portfela finansowego w porównaniu z zaleceniami finansowymi superkomputera, klient jest zachwycony, nawet jeśli nikt nie wie, jak to się stało.
Monroe zauważył, że kiedy problemy są rozwiązywane szybko a pewnych rzeczy „nie da się udowodnić, tam, gdzie obliczenia kwantowe znajdują wartość – akademicy tego nienawidzą. Są szkoleni, aby być pesymistami. Ja jednak wierzę, że komputery kwantowe znajdą wąskie zastosowania w ciągu pięciu lat”.
Jakie kubity są najlepsze?
Kolejnym zagadnieniem zaprzątającym głowy twórców nowych komputerów jest to, z czego powinny być wykonane same kubity. Monroe uważa, że należy pozostać przy fizyce ciała stałego i budować komputery z układów ciała stałego. „Google, Amazon i inni inwestują w komputery półprzewodnikowe. Ale nie widzę, żeby to się stało bez fundamentalnych przełomów w fizyce. Jeśli chcesz zbudować i zaprojektować urządzenie, jeśli chcesz mieć firmę, nie powinieneś być zależny od przełomów w fizyce” – twierdzi.
W przeciwieństwie do swoich konkurentów Monroe pracuje z naturalnymi atomami kwantowymi i sprawia, że działają, jak chce, używając niskiego ciśnienia zamiast niskich temperatur.
Swoje działania opisuje tak: „Pracuję z naładowanymi atomami lub jonami. Lewitujemy je wewnątrz komory próżniowej, która z roku na rok staje się coraz mniejsza. Mamy krzemowy chip. Atomy utrzymywane są przez elektrody, elektryczne pola siłowe. W komorze próżniowej nie ma żadnych ciał stałych ani powietrza, co oznacza, że atomy pozostają niezwykle dobrze odizolowane. Są to najdoskonalsze atomy, jakie znamy, więc możemy je skalować bez obawy o szczyt szumu [próg, po którego przekroczeniu kubity ulegają rozpadowi]. Możemy wybrać poziomy kubitów, które jeszcze nie uległy rozpadowi”.
Profesor uważa, że Google i IBM weszły w ślepy zaułek inwestując w naturalne kubity. „Jeśli powstanie krzemowy komputer kwantowy z półprzewodnika, Intel go wyprodukuje, ale nie wiem, jak będzie skalowany” – zastanawia się.
Kwanty zmieniły Uniwersytet Maryland
Johnpierre Paglione, profesor na Uniwersytecie Maryland, a od pięciu lat dyrektor Maryland Quantum Materials Center, twierdzi, że prace nad komputerami kwantowymi zmieniły kierunek badań centrum. Bardzo też przyczyniły się do jego rozwoju. 30 lat temu pracowało tu zaledwie siedem osób, dziś liczba ta wynosi około 100.
Potwierdza to dr Gretchen Campbell, dyrektor Joint Quantum Institute, która pokazała dziennikarzom laboratorium z cyfrowym urządzeniem mikromirror i wiązkami laserowymi odnoszącymi się do chmur atomowych i projektorów światła. Jeśli dodać do tego kilka dodatkowych wydziałów w Maryland, jak również partnerstwo z Narodowym Instytutem Norm i Technologii (NIST), liczba pracowników nawet znacznie przekracza 100 osób.
Campbell ujawniła „The Magazine”, że jedno z jej zadań polegało na znalezieniu specjalistów fizyki atomowej i fizyki materii skondensowanej i połączeniu ich z ekspertami, z dziedziny informatyki.
By technologie kwantowe mogły się rozwinąć, kluczowe jest zbadanie interakcji między sferą kwantową a algorytmami kwantowymi. Campbell zaznacza, że tu potrzeba „więcej matematyki i informatyki” oraz kontynuowania „przejścia z laboratoriów do zastosowań w świecie rzeczywistym… do przekładania na technologię i większej interakcji z przemysłem”.
Wiele zespołów pracuje więc przy badaniach laboratoryjnych i eksperymentach, które są tak zróżnicowane, jak różne dyscypliny. Paglione wspomina o możliwościach tworzenia „urządzeń kałamarnicy” lub czułych czujników magnetycznych, które mogłyby być skonstruowane przy użyciu nadprzewodzącego kwantowego urządzenia interferencyjnego.
Systemy magnetometryczne znalazłyby wiele praktycznych zastosowań. Wraz z „kałamarnicami” służyłyby do wykrywania pola magnetycznego próbek, ale także mogłyby być używane jako detektory w wodzie. Te wystarczająco czułe używano by do wykrywania zmian w polu magnetycznym generowanych na przykład przez łodzie podwodne. A więc mogłyby znaleźć zastosowanie w wojskowości, co nie uszło uwadze Departamentu Obrony USA.
Coraz więcej badań i odkryć
Multidyscyplinarny zespół Paglione’a kierowany przez Ichiro Takeuchi, profesora nauk materiałowych i inżynierii w Marylan uchwycił ostatnio najbardziej bezpośredni dowód na istnienie „kwantowego dziwactwa”, które pozwala cząstkom tunelować przez barierę tak, jakby jej w ogóle nie było. Badacze przeprowadzili udany eksperyment, w którym zaobserwowali tunelowanie Kleina. W świecie kwantowym tunelowanie umożliwia cząstkom, takim jak elektrony, przejście przez barierę, nawet jeśli brakuje im energii do jej przekroczenia. Wyższa bariera zwykle utrudnia przejście i mniej cząstek jest w stanie się przez nią przedostać. Zjawisko to znane jako tunelowanie Kleina zachodzi, gdy bariera staje się całkowicie przezroczysta i otwiera portal, przez który cząstki mogą przejść niezależnie od wysokości bariery. Jest to ważne odkrycie, gdyż pozwoli inżynierom zaprojektować bardziej jednolite komponenty do budowy komputerów kwantowych i czujników kwantowych
To właśnie naukowcom i inżynierom z Centrum Nanofizyki i Zaawansowanych Materiałów Maryland, Joint Quantum Institute oraz Centrum Teorii Materii Skondensowanej, a także z Wydziału Inżynierii i Materiałoznawstwa oraz Wydziału Fizyki, udało się dokonać najbardziej przekonujących pomiarów tego zjawiska, do tej pory.
Wcześniej obserwacja tego efektu uznawana była za niemożliwą – tunelowanie Kleina było bowiem początkowo przewidywane jako zjawisko występujące w świecie wysokoenergetycznych cząstek kwantowych poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Tak było do czasu, gdy naukowcy odkryli, że niektóre z zasad rządzących szybko poruszającymi się cząstkami kwantowymi mogą również odnosić się do stosunkowo powolnych cząstek podróżujących w pobliżu powierzchni niektórych bardzo niezwykłych materiałów.
Paglione przyznaje, że „jednym z kluczy do tego sukcesu był multidyscyplinarny zespół, którym dysponuje”. „Posiadanie ekspertów od fizyki topologicznej, syntezy cienkich warstw, spektroskopii i teoretycznego zrozumienia naprawdę doprowadziło nas do tego punktu” – powiedział.
Pomysł polega na tym, że interakcje pomiędzy nadprzewodnikami i innymi materiałami są centralnymi składnikami niektórych architektur komputerów kwantowych i urządzeń do precyzyjnego wykrywania. Jednakże zawsze istniał problem, że połączenie, lub miejsce skrzyżowania, gdzie oddziałują one na siebie, jest nieco inne. Takeuchi twierdzi, że prowadziło to do poświęcania niezliczonych ilości czasu i energii na dostrajanie i kalibrowanie w celu osiągnięcia jak najlepszej wydajności. Powiedział też, że tunelowanie Kleina może wyeliminować tę zmienność, która siała spustoszenie w interakcjach między urządzeniami.
Nad stworzeniem kwantowej sieci komunikacyjnej pracuje z kolei przewodniczący wydziału fizyki prof. Steve Rolston. Wyjaśnił on, że kiedy para fotonów jest splątana kwantowo, można osiągnąć kwantowe szyfrowanie w sieci komunikacyjnej, używając splątanych cząstek do tworzenia bezpiecznych kluczy, których nie można zhakować.
Istnieją różne ścieżki do osiągnięcia takiej sieci kwantowej. Rolston jest jednak sceptyczny wobec innych w tej dziedzinie, postrzegając ich jako idących na skróty. Krytykuje szczególnie osiągnięcia Chin. Według niego nikt jeszcze nie wymyślił, jak rozszerzyć bezpieczną sieć kwantową na wystarczająco dużą przestrzeń, aby uczynić ją użyteczną i rynkową w sensie praktycznym, a istniejące sieci kwantowe są ograniczone do bardzo małych przestrzeni. Kiedy chce się zwiększyć ich zasięg, muszą być stosowane rozmaite sztuczki, osłabiające ich bezpieczeństwo. Z powodu tych ograniczeń Rolston posunął się nawet do stwierdzenia, że jego zdaniem amerykańska Agencja Bezpieczeństwa Narodowego traktuje tę kwestię jako element odwracający uwagę.
Uważa on też, że mimo problemów z Chinami współpraca w dziedzinie kwantów powinna być kontynuowana, zwłaszcza że wszystkie badania prowadzone przez jego ośrodek są i tak upubliczniane.
Nie tylko nauka, ale i przemysł
Naukowiec zgadza się z Monroe’em co do różnicy między naukowcami a ludźmi skupionymi na przemyśle. Powiedział, że „nawet Monroe musiałby przyznać, że nikt nie jest bliski prawdziwego świętego Graala komputerów kwantowych – komputerów z ogromną liczbą kubitów – i że założyciel IonQ liczy na to, że interesujące problemy optymalizacyjne będą możliwe do rozwiązania przez przemysł w stopniu, który uzasadni szum wokół nich”.
Jest jednak pesymistą co do tego, że przekształcenie świata jest tuż za rogiem. Nie wierzy bowiem, że mniejsze komputery kwantowe zdobędą wystarczająca przewagę w rozwiązywaniu problemów optymalizacyjnych w biznesie.
Wygląda na to, ze trzeba wykazać się cierpliwością, bo „dłuższa i stabilna ścieżka jest tą, która w końcu przyniesie korzyści”.
Kto ma rację? Nie wiadomo. Przynajmniej na razie, Nie wiadomo też, kto zwycięży w wyścigu po kwanty. Ktokolwiek to jednak będzie – radykalnie zmieni świat, jaki znamy.
