Venäläiset tutkijat esittelivät kehityksen, jonka heidän mukaansa pitäisi muuttaa radikaalisti ihmiskunnan elämää. Maailman suurimmat teknologiayritykset kehittävät kvanttitietokoneita, jotka voivat toimia miljoonia kertoja nykyaikaisia ​​käyttöjärjestelmiä nopeammin. Mutta he ovat jo tunnustaneet kollegoidensa voiton.

Se näytti fantastiselta juuri eilen - kvanttitietokoneet, jotka pystyvät ylittämään kaikki olemassa olevat laitteet. Ne ovat niin voimakkaita, että ne voivat joko avata uusia näköaloja ihmiskunnalle tai kaataa kaikki turvajärjestelmät, koska ne voivat hakkeroida niitä.

"Toimiva kvanttitietokone on paljon pahempi kuin atomipommi", sanoo Sergei Belousov, Acroniksen toimitusjohtaja ja Venäjän Quantum Centerin perustaja.

Suurimmat yritykset panostavat kehittämiseen: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Mutta tänään valokeilassa on Mihail Lukin, Harvardin fyysikko ja yksi Venäjän kvanttikeskuksen perustajista. Hänen tiiminsä onnistui luomaan tähän mennessä tehokkaimman kvanttitietokoneen.

"Tämä on yksi suurimmista kvanttijärjestelmistä, joka on luotu. Olemme siirtymässä järjestelmään, jossa klassiset tietokoneet eivät pysty selviytymään laskelmista. Teemme jo pieniä löytöjä, olemme nähneet uusia, teoreettisesti odottamattomia vaikutuksia, jotka voimme nyt, yritämme ymmärtää, emme edes täysin ymmärrä niitä”, sanoo Harvardin yliopiston professori, Venäjän perustaja. Kvanttikeskus Mikhail Lukin.

Kaikki johtuu tällaisten laitteiden tehosta. Kvanttitietokone pystyy tekemään laskelmia, jotka kestäisivät tuhansia vuosia nykypäivän supertietokoneella.

Kuinka se toimii? Perinteisissä tietokoneissa tieto ja laskelmat ovat bittejä. Jokainen bitti on joko nolla tai ykkönen. Mutta kvanttitietokoneet perustuvat kubitteihin, ja ne voivat olla superpositiotilassa, jossa jokainen kubitti on sekä nolla että ykkönen. Ja jos tavalliset tietokoneet joutuvat johonkin laskelmaan karkeasti sanottuna rakentamaan sekvenssejä, niin kvanttilaskut tapahtuvat rinnakkain, hetkessä. Mihail Lukinin tietokoneessa on 51 tällaista kubittia.

”Ensin hän teki järjestelmän, jossa oli eniten kubitteja. Varmuuden vuoksi. Tässä vaiheessa mielestäni se on yli kaksi kertaa niin monta kubittia kuin kukaan muu. Ja hän teki nimenomaan 51 kubittia, ei 49, koska Google sanoi jatkuvasti, että he tekisivät 49”, kertoo Sergei Belousov, Acroniksen toimitusjohtaja, Venäjän Quantum Centerin perustaja.

Hänelle ennustettiin tehokkaimman kvanttitietokoneen luomista. John Martinez on maailman suurimman kvanttilaboratorion, Google Corporationin, johtaja. Ja hän suunnitteli saavansa 49 kubitin tietokoneensa valmiiksi vain muutaman kuukauden sisällä.

"22 kubittia on maksimi, jonka voimme tehdä, käytimme kaiken taikuuden ja ammattitaitomme", hän sanoo.

Martinez ja Lukin esiintyivät samalla lavalla - Moskovassa, neljännessä kansainvälisessä kvanttikonferenssissa. Tiedemiehet eivät kuitenkaan pidä itseään kilpailijoina.

"On väärin ajatella sitä kilpailuna. Meillä on todellinen kilpailu luonnon kanssa. Koska kvanttitietokoneen luominen on todella vaikeaa. Ja on vain jännittävää, että joku onnistui luomaan järjestelmän, jossa on niin monta kubittia", sanoo John Martinez, Googlen Quantum Artificial Intelligence Laboratoryn johtaja.

Mutta miksi tarvitsemme kvanttitietokoneita? Jopa niiden luojat eivät itse tiedä varmasti. Niiden avulla voidaan kehittää täysin uusia materiaaleja ja satoja fysiikan ja kemian löytöjä. Kvanttitietokoneet ovat ehkä ainoa asia, joka voi avata ihmisaivojen ja tekoälyn mysteerin.

"Kun tieteellinen löytö tehdään, sen tekijät eivät ymmärrä kaikkea voimaa, jonka se tuo mukanaan. Kun transistori keksittiin, kukaan ei kuvitellut, että tietokoneita rakennettaisiin tämän transistorin varaan”, sanoo Ruslan Yunusov, Venäjän kvanttikeskuksen johtaja.

Yksi ensimmäisistä tietokoneista luotiin 1900-luvun 40-luvulla ja painoi 27 tonnia. Jos vertaamme sitä nykyaikaisiin laitteisiin, niin tavallinen älypuhelin on yhtä tehokas kuin 20 000 tällaista konetta. Ja tämä on yli 70 vuoden kehitystä. Mutta jos kvanttitietokoneiden aikakausi tulee, jälkeläisemme ihmettelevät, miten näitä antiikkia ylipäätään käytetään.

Kun puhutaan erinomaisista venäläisistä tiedemiehistä, monet muistavat menneiden vuosien sankarit - Mendelejevin, Pavlovin tai Landaun, unohtaen, että aikalaisten joukossa on monia merkittäviä tutkijoita. Venäjän tieteen päivää varten "Ullakko" keräsi niiden nimet, jotka tekivät merkittäviä löytöjä 2000-luvulla.

Fysiikka

Andrei Geim. Kuva: ITAR-TASS/ Stanislav Krasilnikov

Uudella vuosituhannella fysiikan Nobel-palkinto meni venäjänkielisille tiedemiehille kolme kertaa, vaikkakin vasta vuonna 2010 - 2000-luvulla tehdystä löydöstä. MIPT valmistuneet Andrei peli Ja Konstantin Novoselov Manchesterin yliopiston laboratoriossa he pystyivät ensimmäistä kertaa saamaan vakaan kaksiulotteisen hiilikiteen - grafeenin. Se on erittäin ohut - yhden atomin paksuinen - hiilikalvo, jolla on rakenteensa vuoksi monia mielenkiintoisia ominaisuuksia: huomattava johtavuus, läpinäkyvyys, joustavuus ja erittäin korkea lujuus. Grafeenille löytyy jatkuvasti uusia ja uusia käyttökohteita, esimerkiksi mikroelektroniikassa: siitä luodaan joustavia näyttöjä, elektrodeja ja aurinkopaneeleja.

Mihail Lukin. Kuva: ITAR-TASS/ Denis Vyshinsky

Toinen MIPT-tutkinnon suorittanut ja nyt fysiikan professori Harvardin yliopistossa Mihail Lukin , teki mahdottomalta näyttävän: hän sammutti valon. Tätä varten tiedemies käytti alijäähdytettyä rubidiumhöyryä ja kahta laseria: ohjausyksikkö teki väliaineesta valoa johtavan ja toinen toimi lyhyen valopulssin lähteenä. Kun ohjauslaser sammutettiin, valopulssin hiukkaset lakkasivat lähtemästä väliaineesta ikään kuin pysähtyivät siihen. Tämä kokeilu oli todellinen läpimurto kohti kvanttitietokoneiden luomista - täysin uudentyyppisiä koneita, jotka voivat suorittaa valtavan määrän operaatioita rinnakkain. Tiedemies jatkoi tutkimustaan ​​tällä alueella, ja vuonna 2012 hänen ryhmänsä Harvardissa loi tuolloin pisimpään elävän kubitin, pienimmän elementin tiedon tallentamiseen kvanttitietokoneeseen. Ja vuonna 2013 Lukin sai ensimmäistä kertaa fotoniaineen - eräänlaisen aineen, joka ei vain koostu atomeista, vaan valohiukkasista, fotoneista. Sitä on tarkoitus käyttää myös kvanttilaskentaan.

Juri Oganesyan (keskellä) sekä Georgi Flerov ja Konstantin Petrzhak. Kuva JINR:n sähköisestä arkistosta

Venäläiset tutkijat 2000-luvulla ovat laajentaneet merkittävästi jaksollista taulukkoa. Esimerkiksi tammikuussa 2016 siihen lisättiin elementtejä numeroilla 113, 115, 117 ja 118, joista kolme hankittiin ensin Dubnan yhteisestä ydintutkimusinstituutista (JINR) Venäjän akatemian akateemikon johdolla. Tieteistä Juri Oganesyan . Hänellä on myös kunnia löytää useita muita superraskaita alkuaineita ja niiden synteesireaktioita: uraania raskaampia alkuaineita ei ole luonnossa - ne ovat liian epävakaita, joten niitä syntyy keinotekoisesti kiihdytinissä. Lisäksi Oganesyan vahvisti kokeellisesti, että superraskaille elementeille on olemassa niin kutsuttu "vakauden saari". Kaikki nämä alkuaineet hajoavat hyvin nopeasti, mutta ensin teoreettisesti ja sitten kokeellisesti osoitettiin, että niiden joukossa pitäisi olla sellaisia, joiden elinikä ylittää merkittävästi taulukossa olevien naapuriensa eliniän.

Kemia

Artem Oganov. Kuva henkilökohtaisesta arkistosta

Kemisti Artem Oganov , USA:n, Kiinan ja Venäjän laboratorioiden johtaja ja nyt myös Skolkovon tiede- ja teknologiainstituutin professori loi algoritmin, jonka avulla voit etsiä tietokoneella aineita, joilla on ennalta määrätyt ominaisuudet, jopa mahdotonta. näkemys klassisesta kemiasta. Oganovin kehittämä menetelmä muodosti perustan USPEX-ohjelmalle (joka tarkoittaa venäjän sanaa "menestys"), jota käytetään laajalti kaikkialla maailmassa ("Ullakko" yksityiskohtaisesti). Sen avulla löydettiin uusia magneetteja ja aineita, joita voisi esiintyä äärimmäisissä olosuhteissa, kuten korkeassa paineessa. Oletetaan, että tällaisia ​​olosuhteita voi hyvinkin olla muilla planeetoilla, mikä tarkoittaa, että Oganovin ennustamat aineet ovat siellä.

Valeri Fokin. Biofarmaseuttinen klusteri "Pohjoinen"

On kuitenkin välttämätöntä paitsi mallintaa aineita, joilla on ennalta määrätyt ominaisuudet, vaan myös luoda niitä käytännössä. Tämän saavuttamiseksi kemiassa otettiin vuonna 1997 käyttöön uusi paradigma, niin kutsuttu klikkauskemia. Sana "klik" jäljittelee salvan ääntä, koska uusi termi otettiin käyttöön reaktioilla, joiden on kaikissa olosuhteissa yhdistettävä pieniä komponentteja haluttuun molekyyliin. Aluksi tiedemiehet eivät uskoneet ihmereaktion olemassaoloon, mutta vuonna 2002 Valeri Fokin , Lobatševskin mukaan nimetystä Nižni Novgorodin osavaltion yliopistosta valmistunut, joka työskentelee nyt Scripps-instituutissa Kaliforniassa, löysi tällaisen "molekyylisalvan": se koostuu atsidista ja alkyynistä ja toimii kuparin läsnä ollessa vedessä askorbiinihapon kanssa. Tämän yksinkertaisen reaktion avulla voidaan yhdistää täysin erilaisia ​​​​yhdisteitä: proteiineja, väriaineita, epäorgaanisia molekyylejä. Tällainen aiemmin tunnettujen ominaisuuksien "napsautus" synteesi on ensisijaisesti tarpeen uusia lääkkeitä luotaessa.

Biologia

Jevgeni Kunin. Kuva tutkijan henkilökohtaisesta arkistosta

Sairauden hoitamiseksi on kuitenkin joskus tarpeen viruksen tai bakteerin neutraloimisen lisäksi myös omien geenien korjaaminen. Ei, tämä ei ole tieteiselokuvan juoni: tutkijat ovat jo kehittäneet useita "molekyylisaksia", jotka pystyvät muokkaamaan genomia (lisätietoja hämmästyttävästä tekniikasta Attic-artikkelissa). Lupaavin niistä on CRISPR/Cas9-järjestelmä, joka perustuu bakteereissa ja arkeissa esiintyvään virussuojausmekanismiin. Yksi tämän järjestelmän avaintutkijoista on entinen maanmiehimme Jevgeni Kunin , joka on työskennellyt US National Center for Biotechnology Information -keskuksessa monta vuotta. CRISPR-järjestelmien lisäksi tiedemies on kiinnostunut monista genetiikan, evoluutio- ja laskennallisen biologian kysymyksistä, joten ei ole turhaa, että hänen H-indeksinsä (tutkijan artikkelien viittausindeksi, joka heijastaa hänen tutkimuksellaan kysyntää) on ylittänyt 130 - tämä on ehdoton ennätys kaikkien venäjänkielisten tutkijoiden joukossa.

Vjatšeslav Epstein. Kuva: Northwestern University

Vaaraa ei kuitenkaan nykyään aiheuta vain genomin hajoaminen, vaan myös yleisimmät mikrobit. Tosiasia on, että viimeisten 30 vuoden aikana ei ole luotu yhtään uudentyyppistä antibioottia, ja bakteerit ovat vähitellen immuuneja vanhoille. Ihmiskunnan onneksi tammikuussa 2015 tutkijaryhmä Northeastern Universitystä Yhdysvalloista ilmoitti luovansa täysin uuden antimikrobisen aineen. Tätä varten tutkijat kääntyivät maaperän bakteerien tutkimukseen, joita pidettiin aiemmin mahdottomina kasvaa laboratorio-olosuhteissa. Tämän esteen kiertämiseksi Koillis-yliopiston työntekijä, valmistunut Moskovan valtionyliopistosta Vjatšeslav Epshtein hän kehitti yhdessä kollegansa kanssa erityisen sirun kurittomien bakteerien kasvattamiseen aivan merenpohjassa - tällä ovelalla tavalla tiedemies ohitti ongelman, joka koski bakteerien lisääntynyttä "oikuutta", jotka eivät halunneet kasvaa petrimaljassa. Tämä tekniikka muodosti perustan laajalle tutkimukselle, jonka tuloksena syntyi antibiootti teiksobaktiini, joka pystyy selviytymään sekä tuberkuloosista että Staphylococcus aureuksesta.

Matematiikka

Grigory Perelman. Kuva: George M. Bergman - Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO)

Jopa tieteestä hyvin kaukana olevat ihmiset ovat luultavasti kuulleet matematiikasta Pietarista Grigory Perelman . Vuosina 2002-2003 hän julkaisi kolme paperia, jotka osoittivat Poincarén oletuksen. Tämä hypoteesi kuuluu topologiaksi kutsuttuun matematiikan haaraan ja selittää avaruuden yleisimmät ominaisuudet. Vuonna 2006 matemaattinen yhteisö hyväksyi todistuksen, ja Poincarén olettamuksesta tuli siten ensimmäinen ratkaistu ns. seitsemän vuosituhannen ongelmien joukossa. Näitä ovat klassiset matemaattiset ongelmat, joille ei ole löydetty todisteita moneen vuoteen. Todistuksestaan ​​Perelman palkittiin Fields-mitalilla, jota usein kutsutaan matemaatikoiden Nobel-palkinnoksi, sekä Clay Mathematics Instituten Millenium Problem Solving Prize -palkinnolla. Tiedemies kieltäytyi kaikista palkinnoista, mikä herätti yleisön huomion kaukana matematiikasta.

Stanislav Smirnov. Kuva: ITAR-TASS/ Juri Belinsky

Työskentelee Geneven yliopistossa Stanislav Smirnov vuonna 2010 hän voitti myös Fields-mitalin. Hänen arvostetuin palkintonsa matemaattisessa maailmassa oli todiste kaksiulotteisen perkolaation ja Ising-mallin konformisesta invarianssista tilastollisessa fysiikassa - tätä lausumatonta asiaa teoreetikot käyttävät kuvaamaan materiaalin magnetoitumista ja sitä käytetään kvanttien kehityksessä. tietokoneita.

Andrei Okunkov. Kuva: Radio Liberty

Perelman ja Smirnov ovat Leningradin matemaattisen koulun edustajia, tunnetun 239. koulun ja Pietarin valtionyliopiston matematiikan ja mekaniikan tiedekunnan valmistuneita. Mutta matemaattisten Nobel-ehdokkaiden joukossa oli myös moskovilaisia, esimerkiksi Columbian yliopiston professori, joka työskenteli useita vuosia Yhdysvalloissa ja valmistui Moskovan valtionyliopistosta. Andrei Okunkov . Hän sai Fields-mitalin vuonna 2006, samaan aikaan Perelmanin kanssa, saavutuksistaan, jotka yhdistävät todennäköisyysteorian, esitysteorian ja algebrallisen geometrian. Käytännössä Okunkovin työ on vuosien varrella löytänyt sovellusta sekä tilastollisessa fysiikassa kiteiden pintojen kuvaamisessa että merkkijonoteoriassa - fysiikan alalla, joka yrittää yhdistää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian periaatteet.

Tarina

Peter Turchin. Kuva: Stevens University of Technology

Hän ehdotti uutta teoriaa matematiikan ja humanististen tieteiden risteyksessä Petr Turchin . On yllättävää, että Turchin itse ei ole matemaatikko tai historioitsija: hän on biologi, joka opiskeli Moskovan valtionyliopistossa ja työskentelee nyt Connecticutin yliopistossa ja tutkii populaatioita. Populaatiobiologiset prosessit kehittyvät pitkän ajan kuluessa, ja niiden kuvaaminen ja analysointi edellyttävät usein matemaattisten mallien rakentamista. Mutta mallintamisen avulla voidaan myös ymmärtää paremmin yhteiskunnallisia ja historiallisia ilmiöitä ihmisyhteiskunnassa. Juuri tämän Turchin teki vuonna 2003 kutsuen uutta lähestymistapaa kliodynamiikaksi (historian museon Clion puolesta). Tätä menetelmää käyttäen Turchin itse loi "maallisia" demografisia syklejä.

Kielitiede

Andrei Zaliznyak. Kuva: Mitrius/wikimedia

Joka vuosi Novgorodissa, samoin kuin joissakin muissa muinaisissa Venäjän kaupungeissa, kuten Moskovassa, Pihkovassa, Rjazanissa ja jopa Vologdassa, löytyy yhä enemmän koivuntuoren kirjaimia, joiden ikä ulottuu 1000-1400-luvuille. Niistä löydät henkilökohtaista ja virallista kirjeenvaihtoa, lasten harjoituksia, piirroksia, vitsejä ja jopa rakkauskirjeitä - ”Ullakko” kertoo hauskimmista muinaisista venäläisistä kirjoituksista. Elävä kirjainten kieli auttaa tutkijoita ymmärtämään Novgorodin murretta sekä tavallisten ihmisten elämää ja Venäjän historiaa. Tunnetuin koivun tuohidokumenttien tutkija on tietysti Venäjän tiedeakatemian akateemikko Andrei Zaliznyak : Ei turhaan, että hänen vuosittaiset luentonsa, jotka on omistettu uusille kirjaimille ja vanhojen kirjaimille, ovat täynnä ihmisiä.

Klimatologia

Vasily Titov. Kuva: noaa.gov

Aamulla 26. joulukuuta 2004, Indonesian traagisen tsunamin päivänä, joka eri arvioiden mukaan tappoi 200-300 tuhatta NSU:sta valmistunutta ihmistä, joka työskenteli National Oceanic and Atmospheric Administrationin Tsunamin tutkimuskeskuksessa. Seattlessa (USA), Vasily Titov heräsi kuuluisa. Ja tämä ei ole vain puhekuva: saatuaan tietää Intian valtamerellä tapahtuneesta voimakkaimmasta maanjäristyksestä tiedemies päätti ennen nukkumaanmenoa käynnistää tsunamin aallon ennustusohjelman tietokoneellaan ja julkaisi sen tulokset verkkoon. Hänen ennusteensa osoittautui erittäin tarkaksi, mutta valitettavasti se tehtiin liian myöhään, joten se ei voinut estää ihmisuhreja. Nyt Titovin kehittämä tsunamin ennusteohjelma MOST on käytössä monissa maissa ympäri maailmaa.

Tähtitiede

Konstantin Batygin. Kuva: caltech.edu

Tammikuussa 2016 maailmaa järkytti toinen uutinen: alkuperäisessä aurinkokunnassamme. Yksi löydön tekijöistä on syntynyt Venäjällä Konstantin Batygin Kalifornian yliopistosta. Tutkittuaan kuuden kosmisen kappaleen liikettä, jotka sijaitsevat Neptunuksen, viimeisen tällä hetkellä tunnistetuista planeetoista, kiertoradan ulkopuolella, tutkijat ovat käyttäneet laskelmia osoittaakseen, että etäisyydellä, joka on seitsemän kertaa suurempi kuin etäisyys Neptunuksesta Aurinkoon, pitäisi olla toinen planeetta. kiertää aurinkoa. Sen koko on tutkijoiden mukaan 10 kertaa maan halkaisija. Kuitenkin, jotta voit olla täysin vakuuttunut kaukaisen jättiläisen olemassaolosta, on silti välttämätöntä nähdä se kaukoputkella.

Perjantaiaamuna 14. heinäkuuta kansainvälisessä kvanttiteknologian konferenssissa Mihail Lukin, Venäjän kvanttikeskuksen perustaja ja Harvardin yliopiston professori, puhui tutkimusryhmänsä täysin ohjelmoitavan 51 kubitin kvanttitietokoneen luomisesta. Ensi silmäyksellä tätä tulosta voidaan kutsua äkilliseksi läpimurroksi tällä alueella - jättiläiset, kuten Google ja IBM, ovat vasta lähestymässä 50 qubitin rajaa kvanttitietokoneessa. Juuri eilen kokeen yksityiskohtainen kuvaus ilmestyi arXiv.org-preprint-palvelimelle. Pääkirjoitus N+1 Päätin selvittää, mitä tapahtui ja mitä odottaa uudelta kvanttitietokoneelta.

Lyhyesti kvanttitietokoneista - universaaleista ja ei-universaalisista

Millainen on 51 qubit tietokone?

Katsotaanpa fyysikkojen uudessa työssään luomaa järjestelmää. Kubittien roolia siinä ovat kylmät rubidiumatomit, jotka on vangittu optiseen ansaan. Itse ansa on 101 optisen pinsetin ryhmä (kohdistetut lasersäteet). Atomia pidetään tasapainoasennossa pinseteillä sähkökenttägradientin vuoksi - se vetää puoleensa suurimman sähkökentän voimakkuuden omaavalle alueelle, joka sijaitsee pinsettien polttopisteessä. Koska kaikki pinsetit ovat rivissä, kaikki tietokoneen qubit-atomit ovat myös rivissä ketjussa.

Jokaisen rubidiumatomin "nolla" on sen virittymätön maatila. "One" on erityisesti valmistettu Rydbergin osavaltio. Tämä on kiihtynyt tila, jossa rubidiumin ulompi elektroni on hyvin kaukana ytimestä (50., 100., 1000. kiertoradalla), mutta on silti yhteydessä siihen. Suuren säteensä vuoksi Rydberg-atomit alkavat olla vuorovaikutuksessa (hylkivä) paljon suuremmilla etäisyyksillä kuin tavalliset. Tämä hylkiminen tekee mahdolliseksi muuttaa 51 rubidiumatomin rivi vahvasti vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten ketjuksi.

Kubittien tilojen ohjaamiseen käytetään erillistä laserjärjestelmää, joka pystyy herättämään ne Rydberg-tilaan. Uuden tietokoneen tärkein ja tärkein ominaisuus on kyky käsitellä suoraan jokaista 51 qubitistä. On myös monimutkaisempia atomiryhmiä, joissa havaitaan kietoutuneita kvanttitiloja (puhuimme äskettäin 16 miljoonasta atomista, jotka ovat kietoutuneet vuorovaikutukseen yhden fotonin kanssa), ja kvanttisimulaatioita on suoritettu yli sadalle kylmälle atomille. Mutta kaikissa näissä tapauksissa tutkijoilla ei ollut keinoa hallita järjestelmää tarkasti. Tästä syystä uutta järjestelmää kutsutaan täysin ohjelmoitavaksi kvanttitietokoneeksi.

Jokainen kvanttitietokoneen laskenta on tietyssä mielessä todellisen kvanttijärjestelmän simulaatio. Suurin osa uudesta työstä on omistettu tunnetun kvanttijärjestelmän - Ising-mallin - mallintamiseen. Se kuvaa (tässä tapauksessa) hiukkasten ketjua, joilla on nollasta poikkeavat spinit (magneettiset momentit), jotka ovat vuorovaikutuksessa naapuriensa kanssa. Ising-mallia käytetään usein kuvaamaan kiinteiden aineiden magnetismia ja magneettisia siirtymiä.

Kokeilu rakennettiin seuraavasti. Ensin hiukkaset jäähdytettiin ja vangittiin optisilla pinseteillä. Tämä on todennäköisyysprosessi, joten aluksi hiukkasjoukko oli kaoottinen. Mittaus- ja säätösarjaa käytettiin sitten luomaan yli 50 kylmän atomin virheetön ryhmä viritystilassa. Seuraavassa vaiheessa optiset pinsetit sammutettiin ja samalla järjestelmä käynnistettiin, mikä herätti atomit Rydberg-tilaan. Jonkin aikaa järjestelmä kehittyi van der Waalsin voimien vaikutuksen alaisena - atomit miehittivät heille "kätevimmät" asennot, minkä jälkeen pinsetit käynnistettiin uudelleen ja evoluution tulosta tutkittiin.

Riippuen siitä, kuinka lähellä kylmät atomit olivat jännittävää pulssia, fyysikot havaitsivat erilaisia ​​​​evoluutiotuloksia. Tämä johtuu siitä, että Rydberg-atomit pystyvät tukahduttamaan Rydberg-tilojen naapureiden virittymisen (johtuen vahvasta repulsioinnista). Tiedemiehet ovat havainneet järjestelmiä, joissa atomit järjestettiin evoluution jälkeen siten, että kunkin vierekkäisen Rydberg-atomiparin välillä oli tiukasti yksi, tiukasti kaksi tai tiukasti kolme tavallista.

Mielenkiintoista on, että hyvin järjestäytyneiden rakenteiden muodostuminen vapaan evoluution jälkeen tapahtui erittäin suurella todennäköisyydellä - jopa 51 kylmän atomin ryhmässä.

Nähdäkseen, kuinka evoluutioprosessi tapahtuu, tutkijat käynnistivät pinsetit ja "valokuvasivat" järjestelmän eri aikoina. Kävi ilmi, että joissakin tapauksissa kehitys tasapainotilaan tapahtui hyvin hitaasti: järjestelmä värähteli pitkään useiden tilojen välillä. Tämä tulos voidaan vahvistaa karkeilla klassisilla simulaatioilla, jotka sisältävät vuorovaikutuksia viereisten ja myöhempien naapuriatomien välillä analyysissä.

Onko tästä hyötyä?

Tämä on yksi niistä tapauksista, joissa kvanttimallinnus ennustaa todellisen uuden vaikutuksen. On syytä huomata, että on mahdotonta simuloida tarkasti 51 kylmän atomin järjestelmää käyttämällä klassista tietokonetta. Kaikkien sen mahdollisten tilojen kuvaamiseksi tarvitaan 2 51 bittiä RAM-muistia (noin petatavu). Tämä vaikutus vahvistettiin vain karkeilla simulaatioilla klassisella tietokoneella.

Mielenkiintoista on, että kvanttikemiallisissa laskelmissa syntyy täsmälleen päinvastainen tilanne - klassiset tietokoneet tarjoavat vain likimääräisen arvion monimutkaisten järjestelmien ominaisuuksista ja käyttävät tähän valtavia laskentaresursseja. Samalla näiden epäilemättä kvanttijärjestelmien suora analyysi antaa tarkan tuloksen.

Mihin muuhun siitä on hyötyä?

Esipainoksen lopussa kirjoittajat tarjoavat perinteisesti luettelon alueista, joilla uusi kehitys voi olla hyödyllinen. Voimme luetella joitain niistä: suuresta määrästä hiukkasista koostuvien superpositioiden luominen, spinjärjestelmien topologisten tilojen tutkiminen. Fyysikot huomauttavat erityisesti, että algoritmi soveltuu hyvin sellaisten järjestelmien optimointiongelmien ratkaisemiseen, joiden mitat selvästi ylittävät tavanomaisten tietokoneiden ulottuvuuden. Näihin tehtäviin kuuluu kemiallisten reaktioiden mallintaminen ja opetus.

Mikhail Lukinin ja hänen kollegoidensa luoma järjestelmä toimii nyt kvanttisimulaattorina - se simuloi itsensä kaltaisia ​​järjestelmiä. On kuitenkin syytä huomata, että yksittäisille Rydberg-atomipareille fyysikot ovat jo onnistuneet luomaan loogisia CNOT-portteja, joita käytetään sotkeutumiseen. Tästä syystä voidaan sanoa, että joitain yksinkertaisia ​​algoritmeja voidaan toteuttaa uudessa järjestelmässä (esim. Deutsch-algoritmi tai Shor-algoritmi hyvin pienille luvuille). Tässä vaiheessa nämä algoritmit eivät kuitenkaan ole hyödyllisiä.

Mikhail Lukin (vasemmalla) ja John Martinis (oikealla) - tiimin päällikkö, joka kehittää 49 qubitin kvanttitietokonetta Googlella

Venäjän kvanttikeskus

Tietyssä mielessä uusi laite pystyy jo ratkaisemaan ongelmia, joihin klassiset tietokoneet eivät pääse käsiksi – sitä ei voida simuloida tarkasti perinteisillä tietokoneilla. Mutta on liian aikaista puhua hyödyllisestä kvanttiylivoimasta, josta on jo hyötyä sovelletuissa ongelmissa. Monet tutkijat huomauttavat, että kilpailu kvanttiylivallasta ei tuo nyt mitään hyödyllistä sovellettavien laskentaongelmien kannalta.

On syytä huomata, että jo useita vuosia sitten tehdyt kokeet atomien kanssa optisissa hilassa ylittivät klassisten tietokoneiden tarkan mallinnuksen ulottuvuuden. He käyttävät kymmeniä toisiinsa liittyviä hiukkasia. Esimerkiksi heidän avullaan supersujuvuuteen ja suprajohtavuuteen liittyvät kvanttiyhteistyöilmiöt. Onko tämä kvanttiylivaltaa?

Vladimir Korolev

MOSKVA, heinäkuun 14- RIA News. Harvardissa työskentelevät venäläiset ja amerikkalaiset tutkijat ovat luoneet ja testaaneet maailman ensimmäisen kvanttitietokoneen, joka koostuu 51 kubitista. Laite on tähän mennessä monimutkaisin laskentajärjestelmä laatuaan, sanoi Harvardin yliopiston professori ja Venäjän kvanttikeskuksen (RCC) perustaja Mikhail Lukin.

Fyysikko ilmoitti tämän pitäessään raportin kansainvälisessä kvanttiteknologian konferenssissa ICQT-2017, joka pidetään RQC:n suojeluksessa Moskovassa. Tämän saavutuksen ansiosta Lukinin ryhmä nousi johtajaksi kilpailussa täysimittaisen kvanttitietokoneen luomiseksi, mikä on ollut epävirallista useiden vuosien ajan useiden maailman johtavien fyysikkojen välillä.

Kvanttitietokoneet ovat erityisiä laskentalaitteita, joiden teho kasvaa eksponentiaalisesti käyttämällä kvanttimekaniikan lakeja toimiessaan. Kaikki tällaiset laitteet koostuvat kubiteista - muistisoluista ja samalla primitiivisistä laskentamoduuleista, jotka pystyvät tallentamaan arvojen spektrin nollan ja yhden välillä.

Nykyään tällaisten laitteiden kehittämiseen on kaksi pääasiallista lähestymistapaa - klassinen ja adiabaattinen. Ensimmäisen kannattajat yrittävät luoda universaalin kvanttitietokoneen, jonka kubitit noudattaisivat samoja sääntöjä, joiden mukaan tavalliset digitaaliset laitteet toimivat. Työskentely tällaisen laskentalaitteen kanssa ei ihannetapauksessa eroaisi paljon tavasta, jolla insinöörit ja ohjelmoijat käyttävät perinteisiä tietokoneita. Adiabaattinen tietokone on helpompi luoda, mutta sen toimintaperiaatteet ovat lähempänä 1900-luvun alun analogisia tietokoneita kuin nykyaikaisia ​​digitaalisia laitteita.

Viime vuonna useat tutkijaryhmät ja insinöörit Yhdysvalloista, Australiasta ja useista Euroopan maista ilmoittivat olevansa lähellä tällaisen koneen luomista. Tämän epävirallisen kilpailun johtajana pidettiin Googlen John Martinisin tiimiä, joka kehitti epätavallista "hybridi" -versiota universaalista kvanttitietokoneesta yhdistäen elementtejä analogisesta ja digitaalisesta lähestymistavasta tällaisiin laskelmiin.

Lukin ja hänen kollegansa RCC:ssä ja Harvardissa ohittivat Martinisin ryhmän, joka, kuten Martinis kertoi RIA Novostille, työskentelee nyt luodakseen 22 kubitin tietokoneen, jossa ei käytetä suprajohtimia, kuten Googlen tutkijat, vaan eksoottisia "kylmiä atomeja".

Kuten venäläiset ja amerikkalaiset tutkijat ovat havainneet, erityisten laser-"häkkien" sisällä pidettyä ja erittäin alhaisiin lämpötiloihin jäähdytettyä atomisarjaa voidaan käyttää kvanttitietokoneen kubitteina, jotka ylläpitävät vakaan toiminnan melko monissa olosuhteissa. Tämän ansiosta fyysikot pystyivät luomaan tähän mennessä suurimman kvanttitietokoneen, joka koostui 51 kubitista.

Lukinin tiimi on jo ratkaissut useita samankaltaisia ​​kubitteja käyttämällä useita fyysisiä ongelmia, joita on erittäin vaikea simuloida "klassisilla" supertietokoneilla. Esimerkiksi venäläiset ja amerikkalaiset tutkijat pystyivät laskemaan, kuinka suuri toisiinsa liittyvien hiukkasten pilvi käyttäytyy, ja havaitsivat sen sisällä tapahtuvia aiemmin tuntemattomia vaikutuksia. Kävi ilmi, että kun viritys vaimenee, tietyntyyppiset värähtelyt voivat jäädä ja säilyä järjestelmässä käytännössä loputtomiin, mitä tutkijat eivät olleet aiemmin epäilleet.

Näiden laskelmien tulosten tarkistamiseksi Lukin ja hänen kollegansa joutuivat kehittämään erityisen algoritmin, joka mahdollisti samanlaisten laskelmien suorittamisen erittäin karkeassa muodossa tavallisilla tietokoneilla. Tulokset olivat yleensä johdonmukaisia, mikä vahvisti, että Harvardin tutkijoiden 51 qubit järjestelmä toimii käytännössä.

Lähitulevaisuudessa tutkijat aikovat jatkaa kokeita kvanttitietokoneella. Lukin ei sulje pois, että hänen tiiminsä yrittää ajaa sillä Shorin kuuluisaa kvanttialgoritmia, joka mahdollistaa useimpien olemassa olevien RSA-algoritmiin perustuvien salausjärjestelmien rikkomisen. Lukinin mukaan artikkeli, jossa on ensimmäiset kvanttitietokoneen tulokset, on jo hyväksytty julkaistavaksi yhdessä vertaisarvioiduista tieteellisistä julkaisuista.

Mikhail Lukinin tiimi loi yhden tehokkaimmista kvanttitietokoneista vuonna 2017. Tiedemiehen avulla RBC selvittää, mitkä ovat kvanttikilpailun menestymisen kriteerit ja milloin on odotettavissa kvanttiylivaltaa

Kaksikymmentä vuotta sitten kvanttitietokoneita pidettiin tieteiskirjallisuutena, mutta pian ne yllättävät meitä enemmän kuin tavallinen PC. "Uskon, että viiden tai kymmenen vuoden kuluttua on mahdotonta tulla toimeen ilman kvanttiteknologiaa monilla ihmisen toiminnan alueilla", sanoo Harvardin professori Mikhail Lukin, jonka tiimi loi yhden tehokkaimmista kvanttitietokoneista vuonna 2017.

Mihail Lukin lähti Amerikkaan noin neljännesvuosisata sitten. Vuonna 1993 MIPT:n fyysisen ja kvanttielektroniikan tiedekunnasta valmistunut Marlan Scully, maailmankuulu kvanttioptiikan tutkija, kutsui tutkijakouluun Texas A&M -yliopistossa. Teksasissa vuonna 1998 Lukin puolusti väitöskirjaansa laserien käytöstä ympäristön hallinnassa. Mutta Mikhail Lukin teki tärkeimmät tieteelliset kokeensa seuraavan vuosikymmenen aikana Harvardin yliopistossa. Täällä hänestä tuli fysiikan professori, sitten Harvardin kvanttifysiikan keskuksen ja Ultrakylmien atomien keskuksen johtaja.

”Olin erittäin onnekas: löysin itseni Harvardista erityisolosuhteissa. Tavallinen postdoc (tutkija, joka on äskettäin saanut tohtorin tutkinnon, joka vastaa suunnilleen venäläistä kandidaattia. - RBC) on työskenneltävä yhdessä tieteellisessä ryhmässä ja osallistuttava johonkin erityiseen pitkälle erikoistuneeseen projektiin. Minulla oli täydellinen vapaus, Lukin kertoi RBC-lehdelle.

Lukin sanoo, että häntä ja hänen kollegojaan on pyydetty monta kertaa töihin yrityksiin, jotka ovat lähteneet kilpailemaan kvanttitietokoneen luomisesta, mutta hän kieltäytyy aina: "Sanoisin, että ylivoimaisesti luovin toiminta tällä alalla tapahtuu edelleen yliopistoissa. .”

Tiedemies ja hänen ryhmänsä ovat viimeisten 16 vuoden aikana tehneet "työskentelyn sallivuuden" ilmapiirissä kokeita, jotka ovat hämmästyttäneet tieteellistä maailmaa: esimerkiksi pysäyttäneet valoa tai luoneet fotonisia molekyylejä – aineita, jotka ovat samanlaisia ​​kuin Tähtien sota -valomiekkoja – ja aikakiteitä. , rakenteet, olivat aiemmin olemassa vain teoriassa. Näiden vuosien aikana hän myös vaali ajatusta kvanttilaskentaa koskevasta kokeesta, joka teki kesällä 2017 Lukinista ja hänen laboratorioistaan ​​kuuluisia kaikkialla maailmassa.

Kvanttitietotiede

Vielä 1990-luvun alussa kukaan ei ottanut kvanttitietokoneiden luomista vakavasti edes tiedeyhteisössä, Lukin sanoo: "Mutta sitten tapahtui kaksi niin sanotusti vallankumousta kerralla."

Vuonna 1994 amerikkalainen Peter Shor kehitti kvanttitekijälaskenta-algoritmin, joka nimettiin myöhemmin hänen mukaansa. ”Kahden, jopa erittäin suuren alkuluvun kertominen on helppoa, mutta sen selvittäminen, mitkä alkutekijät jakavat suuren luvun, on tietokoneelle erittäin vaikea tehtävä. Faktorisointi on kaiken nykyaikaisen kryptografian taustalla”, Lukin selittää.

Kuva: Kuva: Sasha Maslov RBC:lle

Tavalliset tietokoneet pystyvät rikkomaan nykyaikaisia ​​salausjärjestelmiä, mutta ne vievät niin paljon resursseja ja aikaa, että tulos on hyödytön. Kvanttitietokone pystyy ratkaisemaan tällaiset ongelmat lähes välittömästi, ja Shorin algoritmista tuli ensimmäinen todiste tällaisten laitteiden luomisen käytännön merkityksestä. "Toiseksi samaan aikaan kokeellisessa fysiikassa tapahtui suuria muutoksia: tutkijat oppivat jäähdyttämään atomeja hyvin ja eristämään yksittäisiä hiukkasia", Lukin jatkaa.

Samassa kvanttitietokoneiden käännekohdassa vuonna 1994 kaksi eurooppalaista fyysikkoa, Peter Zoller ja Juan Ignacio Sirac, julkaisivat tieteellisen artikkelin, jossa he kuvasivat ioniloukkua käyttävää kvanttitietokonetta. ”Kvanttitietotiede oli vasta lapsenkengissään, muilla tutkijoilla oli vain abstrakteja ideoita kvanttitietokoneista, kukaan ei edes miettinyt vakavasti, voidaanko se tehdä vai ei. Zollerin ja Sirakin julkaisu muutti kaiken: kävi selväksi, että kvanttitietokone oli mahdollista rakentaa, ja jopa konkreettinen ehdotus ilmestyi, Lukin muistelee.

Mihail tapasi artikkelin kirjoittajat 2000-luvun alussa: "He olivat jo kuuluisia ihmisiä, ja minä olin nuori pyrkivä tiedemies. Mutta kävi ilmi, että ajatuksemme ovat hyvin samankaltaisia. Yhdistimme voimamme ja kirjoitimme artikkelisarjan, jossa kuvailimme teoreettisesti ideoita, jotka muodostivat tämän päivän käytännön työmme perustan.

2000-luvulla monet tieteelliset ryhmät alkoivat tehdä kokeita suprajohtimilla - materiaaleilla, jotka menettävät sähkövastuksensa kokonaan matalissa lämpötiloissa. Lukinin ryhmä puolestaan ​​päätti yrittää keskittyä "kylmiin atomeihin" - hiukkasiin, jotka jäähdytettiin melkein absoluuttiseen nollaan ja asetettiin laserien luomiin optisiin ansoihin. Jos tarvittavat ehdot täyttyvät, niitä voidaan käyttää melko stabiileina kvanttibitteinä (qubits).

Lukin ei uskaltanut tehdä todellista kvanttitietokonetta 2000-luvun puolivälissä: projekti vaikutti liian riskialtiselta ja tekninen perusta puuttui. Hänen ryhmänsä Harvardissa on useiden vuosien ajan tutkinut muita tapoja tehdä kubitteja kvanttitietokonetta varten – esimerkiksi timantin epäpuhtauksista. Tällaisista tutkimuksista syntyi muitakin käytännön projekteja: esimerkiksi professorin entiset opiskelijat keksivät, kuinka timanteista voidaan tehdä lääketieteen kvanttiantureita.

2010-luvulla kvanttilaskennasta ei enää puhuttu yksinomaan tutkimuskeskusten laboratorioissa, vaan suuret IT-yritykset kiinnostuivat siitä vakavasti.

Todellinen kvantti

Useita vuosia sitten ei vain tätä alaa pitkään tutkinut IBM, vaan myös Google, Intel ja Microsoft, joita sillä ei ollut aiemmin huomattu, ilmoittivat aikomuksestaan ​​rakentaa toimivia kvanttitietokoneiden prototyyppejä.
Samaan aikaan kanadalainen yritys D-Wave on valmistanut ja myynyt "oikeita kvanttitietokoneita" vuodesta 2011 lähtien - ensin 16, sitten 28 ja muutaman vuoden kuluttua 512 kubitin kapasiteetilla. Nykyään yritys tarjoaa jo 2000 qubit tietokoneita. D-Wavella on vakavia ostajia: Google, NASA, Lockheed Martin, Volkswagen Group. Asiattomalle saattaa tuntua, että kvanttitulevaisuus on jo saapunut – kyllä ​​ja ei.

D-Wave tuottaa niin sanottuja adiabaattisia tietokoneita - ymmärtääksesi niiden erot täysimittaisiin kvanttitietokoneisiin, sinun on luettava ainakin lyhyt kvanttifysiikan kurssi. Sovelletussa mielessä ero on siinä, että D-Wave-tietokoneet pystyvät ratkaisemaan vain hyvin suppean valikoiman optimointiongelmia. Googlella esimerkiksi valittiin yksi ongelma D-Wave-tietokoneelle, jonka adiabaattinen tietokone ratkaisi miljoonia kertoja nopeammin kuin klassinen. Tästä oli kuitenkin mahdotonta saada todellista hyötyä, eikä konetta ollut tarkoitettu muiden ongelmien ratkaisemiseen.
Edistys "oikeiden" kvanttitietokoneiden luomisessa on vaatimattomampaa: viime aikoihin asti niiden teho ei ylittänyt 17-20 kubittia, ja Lukin sanoo, ettei hän pari vuotta sitten uskonut mahdollisuuteen luoda laitetta enemmän tehoa. Mutta kesällä 2017 Lukinin ryhmä ilmoitti 51 kubitin kvanttisimulaattorin toimivan prototyypin luomisesta, ja kirjaimellisesti kuukautta myöhemmin Marylandin yliopiston professori Christopher Monroen ryhmä ilmoitti 53 kubitin simulaattorin luomisesta. Laitteita ja niillä tehtyjen ensimmäisten kokeiden tuloksia kuvataan Nature-lehdessä marraskuun lopussa julkaistussa artikkelissa.

Optisten ansojen atomit ja suprajohteet ovat nykyään kaksi tekniikkaa kvanttitietokoneiden luomiseen, jotka ovat edellä kaikkia muita teknologioita, professori Christopher Monroe kertoi RBC-lehdelle. "Molemmat lähestymistavat ovat nyt pisteessä, jossa meillä on selkeä käsitys siitä, kuinka rakentaa melko suuria laitteita ja ideoita niiden skaalaamiseksi", hän sanoi. "Suprajohteet ovat toistaiseksi osoittaneet heikompaa suorituskykyä, mutta koska kubitit on painettu sirulle, niitä on helpompi skaalata. Atomien kanssa on helpompi työskennellä, koska jokainen atomikubitti on määritelmänsä mukaan identtinen. On muita samankaltaisia ​​teknologioita, jotka ovat saavuttamassa meitä, mukaan lukien neutraalit atomikubitit, joita Mikhail Lukinin ryhmä valmistaa."

Kilpaile kubiteista

Kubittien määrä näyttää yksinkertaiselta ja suoraviivaiselta menestyksen mittarilta, mutta kvanttifysiikassa mikään ei ole yksinkertaista tai suoraviivaista. Kubittien määrä on vain yksi kolmesta "akselista", jolle kvanttitietokone on rakennettu, professori Lukin selittää. Toinen on koherenssi, kubittien kyky olla superpositiotilassa (muistakaa Schrödingerin kissa), olla sekä nolla että yksi samaan aikaan - koko kvanttilaskennan teoria perustuu tähän kvanttimekaniikan ilmiöön.

Tämä kyky määrittää ajan, jonka aikana kone voi toimia: mitä pidempi koherenssiaika on, sitä enemmän laskelmia tietokone pystyy suorittamaan. ”Jos sinulla on miljoona kubittia, mutta et voi suorittaa niille riittävää määrää operaatioita, sinulla ei ole kvanttitietokonetta. Esimerkiksi D-Wave-tietokoneissa jokaisen alkukubitin koherenssi on niin alhainen, että ei ole selvää, onko siellä kvanttiominaisuuksia ollenkaan vai ei”, Lukin sanoo.

Lopuksi kolmas "akseli" on ohjelmoitavuuden aste, se kuvaa kuinka monta erityyppistä ongelmaa voidaan ratkaista kvanttitietokoneella, Lukin jatkaa. ”Simulaattorissamme on melko hyvä koherenssi ja melko suuri määrä kubitteja, mutta muissa järjestelmissä on tämä kaikki. Tärkeää on, että onnistuimme tekemään järjestelmän, jolla on korkea ohjelmoitavuus”, hän sanoo.

Ero kvanttisimulaattorin ja yleiskäyttöisen kvanttitietokoneen välillä on siinä, että edellinen voidaan ohjelmoida suorittamaan vain tietynlainen tehtävä, professori Monroe selittää: "Mutta kauneus on, että simulaattori voidaan muuttaa yleiskäyttöiseksi tietokoneeksi. tulevaisuudessa." Totta, niiden välille ei aina ole mahdollista vetää selkeää rajaa, lisää Lukin.

”Kvanttisimulaattori, joka voidaan ohjelmoida millä tahansa tavalla, tulee universaaliksi. Osoittautuu, että tietokoneen ja simulaattorin välinen raja on hyvin epäselvä, ja nyt ei ole selvää, voidaanko sitä määritellä ollenkaan. Mutta tämä on normaalia, olemme nyt kirjaimellisesti tieteen eturintamassa, ja tämä tapahtuu kaikkien uusien ilmiöiden kanssa”, tutkija selittää.

Optimismi ilman todisteita

Edes tiedemiehet eivät ole vielä ryhtyneet hahmottelemaan kaikkia tehtäviä, joissa kvanttitietokone on tavanomaista parempi. ”Shorin algoritmi on tietyssä mielessä ainutlaatuinen, koska tämä on yksi harvoista tehtävistä, joista tiedämme varmasti, että kvanttitietokone pystyy käsittelemään sitä paremmin kuin perinteinen, tämä on todistettu. On olemassa monia muita erittäin lupaavia algoritmeja, mukaan lukien samalle kombinatoriselle optimoinnille, joista ei ole vielä todisteita”, Lukin kohauttaa olkapäitään.

Kuva: Kuva: Sasha Maslov RBC:lle

Toisaalta Shorin algoritmi ja kryptografisten tietoturvajärjestelmien kvanttihakkeroinnin väistämättömyys houkuttelivat suuria summia valtion varoja tälle alueelle. Johtaja tässä mielessä on Kiina, joka äskettäin lupasi investoida 11,5 miljardia dollaria uuden kvanttikeskuksen rakentamiseen, toisaalta koodien purkamisesta tulee tärkeä, mutta pieni osa kvanttitietokoneiden toiminnasta, Lukin toivoo. ”En pidä Shorin algoritmista, että se on pääasiassa tuhoisaa. Olen kuitenkin varma, että kvanttitietokoneella on vielä ennen käyttöönottoa aikaa tuoda ihmiskunnalle monia etuja”, hän sanoo.

Nature-lehdessä marraskuun lopussa julkaistussa artikkelissa tutkijat kertoivat, että he pystyivät näkemään kvanttikiteiden muodostumisen - materiaalin, jota voidaan käyttää kvanttimuistin luomiseen kvanttitietokoneissa. "Se mitä teimme, ei voi simuloida suoraan klassisilla tietokoneilla; tästä näkökulmasta voidaan sanoa, että kvanttiylivoima on jo osoitettu", Lukin sanoo. "Tämä on tärkeää tieteelle: olemme jo saavuttaneet rajan, jossa kvanttitietokoneet alkavat olla hyödyllisiä."

Uskotaan, että kvanttiylivalta saavutetaan, kun kvanttitietokoneet pystyvät käsittelemään käytännön ongelmia paremmin kuin klassiset supertietokoneet. Klassisten tietokoneiden teho kasvaa jatkuvasti, mutta on joukko tehtäviä, joihin niillä ei vieläkään ole tarpeeksi resursseja selviytyäkseen, eikä tätä voida korjata yksinkertaisesti lisäämällä niiden laskentakykyä, Lukin selittää. Niiden joukossa ovat esimerkiksi kombinatoriset optimointiongelmat, joita esiintyy millä tahansa alalla.

”Klassinen esimerkki on matkustavan myyjän ongelma. Kuvitellaan, että Aeroflot haluaa optimoida lentoreittejä niin, että se kuluttaa vähemmän polttoainetta ja samalla kattaa laajemman alueen ja tekee lennoista matkustajille mukavia. Klassinen tietokone ei selviä hyvin tämän tyyppisistä ongelmista, se on sille liian monimutkainen ja siinä on liian monia mahdollisia vastauksia. Hän ei voi muuta kuin kokeilla eri vaihtoehtoja yksitellen, tämä vie valtavasti aikaa ja vaatii paljon voimaa”, Lukin selittää.

Kvanttitietokone pystyy käymään näitä vaihtoehtoja läpi ei peräkkäin, vaan rinnakkain, mikä nopeuttaa fantastisesti laskentaprosessia - kirjaimellisesti minuutteja vuosien sijaan. Tällaisten ongelmien tehokas ratkaiseminen on erittäin tärkeää moderneille tietojenkäsittelytieteen aloille, kuten tekoälylle tai koneoppimiselle, Lukin lisää.

Kvanttitietokoneen muiden mahdollisten sovellusten joukossa fyysikot mainitsevat uusien materiaalien mallintamisen, joilla on tietyt ominaisuudet ja erilaisia ​​kemiallisia prosesseja. "Yksinkertaisia ​​kemiallisia reaktioita on erittäin vaikea simuloida klassisilla tietokoneilla, koska niiden esiintymiseen on niin monia vaihtoehtoja", Lukin selittää. "Kvanttitietokoneet todennäköisesti pystyvät tekemään tämän." Ja jonkin kemiallisen reaktion tehokkuuden lisääminen kirjaimellisesti parilla prosentilla voi luoda uuden teollisuuden." Monroe on myös hänen kanssaan samaa mieltä: hän näkee kvanttilaskennan tärkeimmät näkymät logistiikassa, uusien materiaalien ja lääkkeiden luomisessa lääketeollisuudessa sekä monenlaisessa optimoinnissa.

Kvantti Internet

Yksi fyysikkojen ja insinöörien tärkeimmistä ongelmista on kvanttitietokoneiden skaalaus. "Tänään emme tiedä tarkalleen, kuinka skaalata nämä järjestelmät yli noin tuhannen kubitin. Ideoita on erilaisia, niistä lupaavin on mielestäni idea modulaarisesta arkkitehtuurista”, Lukin sanoo. "Sen sijaan, että lisäisimme kubitteja yhdelle koneelle, luomme kvanttitietokoneiden verkon. Jokainen tietokone, jonka teho on parin sadan kubitin, on kytketty johonkin "kvantti-internetiin". Useat ryhmät työskentelevät parhaillaan samanlaisten konseptien parissa, mukaan lukien Lukinin ryhmä, mutta kaikki ovat suhteellisen varhaisessa vaiheessa.

Mikhailin Harvardin ryhmässä työskentelee noin 30 henkilöä, mutta kvanttisimulaattorin parissa työskentelee paljon enemmän: se syntyi kolmen tieteellisen laboratorion yhteisvoimin. Yhteensä Lukinin mukaan maailmassa on noin kymmenen samanlaista keskusta, joissa kehitystä tapahtuu kvanttiteknologian kärjessä. Suurin osa niistä on nyt siirtymässä puhtaasta fysikaalisesta kokeilusta kohti käytännön kehitystä, ja yritysten rooli kasvaa yhä enemmän. "Puhtaan tieteen lisäksi nyt on ratkaistava selkeästi määriteltäviä insinööriongelmia, ja tämä tehdään paljon nopeammin ja tehokkaammin yrityksissä kuin yliopistoissa", Lukin sanoo. "Me osaamme jo rakentaa riittävän suuren kvanttitietokoneen, nyt on varmistettava, että järjestelmä ei toimi tasolla "vain jatko-opiskelija keksii", vaan tasolla "tule, laita se päälle" , se toimii." Täällä yksityiset yritykset ovat erittäin vahvoja, samoin kuin käytännön sovellutuksia.

Seuraavien viiden vuoden aikana luodaan monia toimivia kvanttikoneita, Monroe on varma. Ja kymmenen vuoden kuluttua tulee täysimittainen kvanttitietokone, jonka ohjelmoivat ihmiset, jotka eivät tiedä eivätkä erityisemmin välitä siitä, miten se toimii sisällä, hän uskoo: "Silloin alkaa sen todellisten käytännön sovellusten etsiminen." Nyt yleiset muutaman kymmenen kubitin kvanttitietokoneet voivat toimia vain keinotekoisesti luoduilla algoritmeilla, Monroe jatkaa: "Eikä tämä ole niin mielenkiintoista, koska niin pieni järjestelmä voidaan helposti simuloida tavallisella tietokoneella."

Kvanttitietokoneet ovat samassa vaiheessa, jossa ensimmäiset klassiset tietokoneet olivat aikanaan, Lukin sanoo: "Peter Shor itse puhuu usein tästä: silloin oli myös ideoita algoritmeista, jotka ehkä toimisivat tehokkaasti, mutta ehkä eivät." . Kun ensimmäisistä klassisista tietokoneista tuli todellisia laitteita, tiedemiehet ja insinöörit alkoivat testata näitä algoritmeja niillä, ja monet niistä osoittautuivat erittäin tehokkaiksi, Lukin sanoo: "Luulen, että samoin tapahtuu kvanttialgoritmeilla."

Tuleeko kvanttitietokoneesta yhtä yleinen laite kuin tavallisesta PC:stä? Vaikka kukaan ei tiedä tätä, kaikki riippuu tietyistä esimerkeistä ja sovelluksista, jotka voivat tulla osaksi elämäämme, Mikhail Lukin vastaa. "Kuka olisi uskonut vielä 20 vuotta sitten, että tästä tulee oikea tietokone", hän päättää ja osoittaa edessään olevaa matkapuhelinta.