Cientistas russos apresentaram um desenvolvimento que, segundo eles, deveria mudar radicalmente a vida da humanidade. As maiores corporações de tecnologia do mundo estão desenvolvendo computadores quânticos que podem funcionar milhões de vezes mais rápido que os sistemas operacionais modernos. Mas já reconheceram a vitória dos colegas.

Parecia fantástico ontem - computadores quânticos capazes de superar todos os dispositivos existentes. Eles são tão poderosos que podem abrir novos horizontes para a humanidade ou derrubar todos os sistemas de segurança porque podem hackeá-los.

“Um computador quântico funcional é muito pior do que uma bomba atômica”, diz Sergei Belousov, CEO da Acronis e cofundador do Centro Quantum Russo.

As maiores corporações estão investindo no desenvolvimento: Google, IBM, Microsoft, Alibaba. Mas hoje os holofotes estão sobre Mikhail Lukin, físico de Harvard e um dos fundadores do Centro Quântico Russo. Sua equipe conseguiu criar o computador quântico mais poderoso até hoje.

“Este é um dos maiores sistemas quânticos já criados. Estamos entrando em um regime em que os computadores clássicos não conseguem fazer cálculos. Já estamos fazendo pequenas descobertas, vimos novos efeitos que não eram esperados teoricamente, que podemos agora, estamos tentando entender, nem os entendemos completamente”, diz professor da Universidade de Harvard, cofundador da Russian Centro Quântico Mikhail Lukin.

Tudo por causa do poder de tais dispositivos. Cálculos que levariam milhares de anos nos supercomputadores atuais podem ser feitos por um computador quântico num instante.

Como funciona? Nos computadores convencionais, informações e cálculos são bits. Cada bit é zero ou um. Mas os computadores quânticos são baseados em qubits e podem estar em um estado de superposição, onde cada qubit é zero e um. E se para qualquer cálculo os computadores comuns precisam, grosso modo, construir sequências, então os cálculos quânticos ocorrem em paralelo, em um instante. Existem 51 desses qubits no computador de Mikhail Lukin.

“Primeiro, ele criou um sistema com mais qubits. Apenas no caso de. Neste ponto, acho que isso representa mais do que o dobro de qubits que qualquer outra pessoa. E ele fez especificamente 51 qubits, não 49, porque o Google dizia que faria 49”, explica Sergei Belousov, CEO da Acronis, cofundador do Russian Quantum Center.

A criação do computador quântico mais poderoso foi prevista para ele. John Martinez é o chefe do maior laboratório quântico do mundo, o Google Corporation. E ele planejava terminar seu computador de 49 qubits em apenas alguns meses.

“22 qubits é o máximo que conseguimos fazer, usamos toda a nossa magia e profissionalismo”, afirma.

Martinez e Lukin se apresentaram no mesmo palco - em Moscou, na Quarta Conferência Internacional Quantum. No entanto, os cientistas não se consideram rivais.

“É errado pensar nisso como uma corrida. Temos uma verdadeira corrida com a natureza. Porque é realmente difícil criar um computador quântico. E é simplesmente emocionante que alguém tenha conseguido criar um sistema com tantos qubits”, diz John Martinez, chefe do Laboratório de Inteligência Artificial Quântica do Google.

Mas por que precisamos de computadores quânticos? Mesmo os próprios criadores não têm certeza. Com a ajuda deles, materiais completamente novos e centenas de descobertas em física e química podem ser desenvolvidos. Os computadores quânticos são talvez a única coisa que pode desvendar o mistério do cérebro humano e da inteligência artificial.

“Quando uma descoberta científica é feita, seus criadores não percebem todo o poder que ela trará. Quando o transistor foi inventado, ninguém imaginava que os computadores seriam construídos com base nele”, diz Ruslan Yunusov, diretor do Centro Quântico Russo.

Um dos primeiros computadores foi criado na década de 40 do século XX e pesava 27 toneladas. Se compararmos com dispositivos modernos, então um smartphone comum é tão poderoso quanto 20.000 dessas máquinas. E isso são mais de 70 anos de progresso. Mas se chegar a era dos computadores quânticos, nossos descendentes se perguntarão como usar essas antiguidades.

Quando se trata de cientistas russos de destaque, muitos se lembram dos heróis do passado - Mendeleev, Pavlov ou Landau, esquecendo que entre nossos contemporâneos existem muitos pesquisadores de destaque. Para o Dia da Ciência Russa, “Attic” coletou os nomes daqueles que fizeram descobertas significativas no século XXI.

Física

Andrey Geim. Foto: ITAR-TASS/ Stanislav Krasilnikov

No novo milênio, o Prêmio Nobel de Física foi concedido três vezes a cientistas de língua russa, embora apenas em 2010 - por uma descoberta feita no século XXI. Graduados do MIPT Jogo Andrey E Konstantin Novoselov No laboratório da Universidade de Manchester, pela primeira vez, eles conseguiram obter um cristal de carbono bidimensional estável - o grafeno. É um filme de carbono muito fino - com a espessura de um átomo - que, devido à sua estrutura, possui muitas propriedades interessantes: notável condutividade, transparência, flexibilidade e altíssima resistência. Novas e novas áreas de aplicação para o grafeno são constantemente encontradas, por exemplo, na microeletrônica: a partir dele são criados displays flexíveis, eletrodos e painéis solares.

Mikhail Lukin. Foto: ITAR-TASS/ Denis Vyshinsky

Outro graduado do MIPT e agora professor de física na Universidade de Harvard Mikhail Lukin , fez o aparentemente impossível: apagou a luz. Para isso, o cientista utilizou vapor de rubídio super-resfriado e dois lasers: o de controle tornava o meio condutor de luz e o segundo servia como fonte de um pulso de luz curto. Quando o laser de controle foi desligado, as partículas do pulso de luz pararam de sair do meio, como se parassem nele. Este experimento foi um verdadeiro avanço na criação de computadores quânticos - máquinas de um tipo completamente novo que podem realizar um número colossal de operações em paralelo. O cientista continuou suas pesquisas nessa área e, em 2012, seu grupo em Harvard criou o qubit de vida mais longa da época, o menor elemento para armazenar informações em um computador quântico. E em 2013, Lukin obteve pela primeira vez matéria fotônica - uma espécie de substância que não consiste apenas em átomos, mas em partículas de luz, fótons. Também está planejado para ser usado para computação quântica.

Yuri Oganesyan (centro) com Georgy Flerov e Konstantin Petrzhak. Foto do arquivo eletrônico JINR

Os cientistas russos do século 21 expandiram significativamente a tabela periódica. Por exemplo, em janeiro de 2016, foram adicionados elementos com os números 113, 115, 117 e 118, três dos quais foram obtidos pela primeira vez no Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear (JINR) em Dubna, sob a liderança de um acadêmico da Academia Russa. de Ciências Yuri Oganesyan . Ele também tem a honra de descobrir uma série de outros elementos superpesados ​​​​e suas reações de síntese: elementos mais pesados ​​que o urânio não existem na natureza - eles são muito instáveis, por isso são criados artificialmente em aceleradores. Além disso, Oganesyan confirmou experimentalmente que para elementos superpesados ​​existe uma chamada “ilha de estabilidade”. Todos esses elementos decaem muito rapidamente, mas primeiro teoricamente e depois experimentalmente foi demonstrado que entre eles deveria haver alguns cujo tempo de vida excede significativamente o tempo de vida de seus vizinhos na tabela.

Química

Artem Oganov. Foto do arquivo pessoal

Químico Artem Oganov , chefe de laboratórios nos EUA, China e Rússia, e hoje também professor do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia, criou um algoritmo que permite usar um computador para procurar substâncias com propriedades pré-determinadas, até mesmo impossíveis do ponto de vista visão da química clássica. O método desenvolvido por Oganov formou a base do programa USPEX (que se lê como a palavra russa para “sucesso”), que é amplamente utilizado em todo o mundo (“Attic” em detalhes). Com sua ajuda, foram descobertos novos ímãs e substâncias que poderiam existir em condições extremas, como alta pressão. Supõe-se que tais condições possam existir em outros planetas, o que significa que as substâncias previstas por Oganov estão lá.

Valéry Fokin. Cluster biofarmacêutico "Norte"

Porém, é necessário não apenas modelar substâncias com propriedades pré-determinadas, mas também criá-las na prática. Para conseguir isso, um novo paradigma foi introduzido na química em 1997, a chamada química do clique. A palavra “clique” imita o som de uma trava, pois o novo termo foi introduzido para reações que devem, sob quaisquer condições, conectar pequenos componentes na molécula desejada. No início, os cientistas desconfiaram da existência de uma reação milagrosa, mas em 2002 Valery Fokin , formado pela Universidade Estadual de Nizhny Novgorod em homenagem a Lobachevsky, agora trabalhando no Instituto Scripps na Califórnia, descobriu essa “trava molecular”: consiste em uma azida e um alcino e funciona na presença de cobre em água com ácido ascórbico. Usando esta reação simples, compostos completamente diferentes podem ser combinados entre si: proteínas, corantes, moléculas inorgânicas. Essa síntese “clique” de substâncias com propriedades previamente conhecidas é necessária principalmente na criação de novos medicamentos.

Biologia

Eugene Kunin. Foto do arquivo pessoal do cientista

Porém, para tratar uma doença, às vezes é necessário não só neutralizar um vírus ou bactéria, mas também corrigir os próprios genes. Não, este não é o enredo de um filme de ficção científica: os cientistas já desenvolveram vários sistemas de “tesouras moleculares” capazes de editar o genoma (mais sobre a incrível tecnologia no artigo do Attic). O mais promissor entre eles é o sistema CRISPR/Cas9, que se baseia no mecanismo de proteção contra vírus existente em bactérias e arquéias. Um dos principais pesquisadores deste sistema é o nosso ex-compatriota Evgeniy Kunin , que trabalha há muitos anos no Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia dos EUA. Além dos sistemas CRISPR, o cientista se interessa por diversos assuntos de genética, biologia evolutiva e computacional, então não é à toa que seu índice H (o índice de citação dos artigos de um cientista, refletindo o quanto sua pesquisa é requisitada) ultrapassou 130 - este é um recorde absoluto entre todos os cientistas de língua russa.

Vyacheslav Epstein. Foto da Universidade Northwestern

No entanto, o perigo actual não reside apenas nas quebras do genoma, mas também nos micróbios mais comuns. O fato é que, nos últimos 30 anos, nenhum novo tipo de antibiótico foi criado e as bactérias estão gradualmente se tornando imunes aos antigos. Felizmente para a humanidade, em janeiro de 2015, um grupo de cientistas da Northeastern University, nos Estados Unidos, anunciou a criação de um agente antimicrobiano completamente novo. Para isso, os cientistas recorreram ao estudo das bactérias do solo, que antes eram consideradas impossíveis de crescer em laboratório. Para contornar esse obstáculo, um funcionário da Northeastern University, formado pela Moscow State University Vyacheslav Epstein junto com um colega, ele desenvolveu um chip especial para cultivar bactérias indisciplinadas bem no fundo do oceano - desta forma astuta, o cientista contornou o problema do aumento do “capricho” de bactérias que não queriam crescer em uma placa de Petri. Essa técnica serviu de base para um grande estudo, cujo resultado foi o antibiótico teixobactina, que pode combater tanto a tuberculose quanto o Staphylococcus aureus.

Matemática

Grigory Perelman. Foto: George M. Bergman - Instituto de Matemática Oberwolfach (MFO)

Mesmo pessoas muito distantes da ciência provavelmente já ouviram falar de matemática em São Petersburgo Grigory Perelman . Em 2002-2003, publicou três artigos comprovando a conjectura de Poincaré. Esta hipótese pertence a um ramo da matemática denominado topologia e explica as propriedades mais gerais do espaço. Em 2006, a prova foi aceita pela comunidade matemática, e a conjectura de Poincaré tornou-se assim a primeira a ser resolvida entre os chamados problemas dos sete milênios. Estes incluem problemas matemáticos clássicos para os quais não foram encontradas provas há muitos anos. Por sua prova, Perelman recebeu a Medalha Fields, muitas vezes chamada de Prêmio Nobel para matemáticos, bem como o Prêmio de Solução de Problemas do Milênio do Clay Mathematics Institute. O cientista recusou todos os prêmios, o que atraiu a atenção de um público distante da matemática.

Stanislav Smirnov. Foto: ITAR-TASS/ Yuri Belinsky

Trabalhando na Universidade de Genebra Stanislav Smirnov em 2010 também ganhou a Medalha Fields. Seu prêmio de maior prestígio no mundo matemático foi a prova da invariância conforme da percolação bidimensional e do modelo de Ising na física estatística - essa coisa impronunciável é usada pelos teóricos para descrever a magnetização de um material e é usada no desenvolvimento da tecnologia quântica. computadores.

Andrei Okunkov. Foto: Rádio Liberdade

Perelman e Smirnov são representantes da Escola de Matemática de Leningrado, graduados da conhecida 239ª escola e da Faculdade de Matemática e Mecânica da Universidade Estadual de São Petersburgo. Mas também havia moscovitas entre os indicados ao Prêmio Nobel de matemática, por exemplo, um professor da Universidade de Columbia que trabalhou por muitos anos nos EUA e formado pela Universidade Estadual de Moscou. Andrei Okunkov . Ele recebeu a Medalha Fields em 2006, ao mesmo tempo que Perelman, por suas realizações conectando teoria das probabilidades, teoria da representação e geometria algébrica. Na prática, o trabalho de Okunkov ao longo dos anos encontrou aplicação tanto na física estatística para descrever as superfícies dos cristais, quanto na teoria das cordas - um campo da física que tenta combinar os princípios da mecânica quântica e da teoria da relatividade.

História

Pedro Turchin. Foto: Universidade de Tecnologia Stevens

Ele propôs uma nova teoria na intersecção da matemática e das humanidades Petr Turchin . É surpreendente que o próprio Turchin não seja um matemático ou um historiador: ele é um biólogo que estudou na Universidade Estadual de Moscou e agora trabalha na Universidade de Connecticut e estuda populações. Os processos da biologia populacional se desenvolvem ao longo de um longo período de tempo, e sua descrição e análise muitas vezes requerem a construção de modelos matemáticos. Mas a modelagem também pode ser usada para compreender melhor os fenômenos sociais e históricos da sociedade humana. Foi exatamente isso que Turchin fez em 2003, chamando a nova abordagem de cliodinâmica (em nome da musa da história Clio). Usando este método, o próprio Turchin estabeleceu ciclos demográficos “seculares”.

Linguística

Andrey Zaliznyak. Foto: Mitrius/wikimedia

Todos os anos, em Novgorod, bem como em algumas outras cidades russas antigas, como Moscou, Pskov, Ryazan e até Vologda, são encontradas cada vez mais letras de casca de bétula, cuja idade remonta aos séculos XI-XV. Neles você encontra correspondência pessoal e oficial, exercícios infantis, desenhos, piadas e até cartas de amor - “O Sótão” é sobre as mais engraçadas inscrições russas antigas. A linguagem viva das letras ajuda os pesquisadores a compreender o dialeto de Novgorod, bem como a vida das pessoas comuns e a história da Rus'. O pesquisador mais famoso de documentos de casca de bétula é, obviamente, Acadêmico da Academia Russa de Ciências Andrey Zaliznyak : Não é à toa que suas palestras anuais, dedicadas a cartas recém-descobertas e à decifração de cartas antigas, estão lotadas de gente.

Climatologia

Vasily Titov. Foto de noaa.gov

Na manhã de 26 de dezembro de 2004, dia do trágico tsunami na Indonésia, que, segundo várias estimativas, matou 200-300 mil pessoas, um graduado da NSU, trabalhando no Centro de Pesquisa de Tsunami da Administração Oceânica e Atmosférica Nacional em Seattle (EUA), Vasily Titov acordei famoso. E isso não é apenas uma figura de linguagem: ao saber do terremoto mais forte ocorrido no Oceano Índico, o cientista, antes de ir para a cama, decidiu rodar em seu computador um programa de previsão de ondas de tsunami e postou seus resultados online. A sua previsão revelou-se muito precisa, mas, infelizmente, foi feita tarde demais e, portanto, não conseguiu evitar vítimas humanas. Agora, o programa de previsão de tsunamis MOST, desenvolvido por Titov, é usado em muitos países ao redor do mundo.

Astronomia

Konstantin Batygin. Foto de caltech.edu

Em janeiro de 2016, o mundo ficou chocado com outra notícia: no nosso sistema solar nativo. Um dos autores da descoberta nasceu na Rússia Konstantin Batygin da Universidade da Califórnia. Tendo estudado o movimento de seis corpos cósmicos localizados além da órbita de Netuno, o último dos planetas atualmente reconhecidos, os cientistas usaram cálculos para mostrar que a uma distância sete vezes maior que a distância de Netuno ao Sol, deveria haver outro planeta. orbitando o Sol. Seu tamanho, segundo os cientistas, é 10 vezes o diâmetro da Terra. Porém, para estar completamente convencido da existência do gigante distante, ainda é necessário vê-lo com um telescópio.

Na manhã de sexta-feira, 14 de julho, na Conferência Internacional sobre Tecnologias Quânticas, Mikhail Lukin, cofundador do Centro Quântico Russo e professor da Universidade de Harvard, falou sobre a criação de um computador quântico de 51 qubits totalmente programável por seu grupo de pesquisa. À primeira vista, esse resultado pode ser considerado um avanço repentino nesta área - gigantes como Google e IBM estão apenas se aproximando da marca de 50 qubits em um computador quântico. Ainda ontem, uma descrição detalhada do experimento apareceu no servidor de pré-impressão arXiv.org. Editorial N+1 Decidi descobrir o que aconteceu e o que esperar do novo computador quântico.

Brevemente sobre computadores quânticos - universais e não universais

Como é um computador de 51 qubits?

Vejamos o sistema criado pelos físicos em seu novo trabalho. O papel dos qubits nele é desempenhado por átomos frios de rubídio capturados em uma armadilha óptica. A armadilha em si é um conjunto de 101 pinças ópticas (feixes laser focados). O átomo é mantido em posição de equilíbrio pela pinça devido ao gradiente do campo elétrico - ele é atraído para a região com intensidade máxima do campo elétrico, que está localizada no ponto focal da pinça. Como todas as pinças estão alinhadas em uma fileira, todos os átomos de qubit do computador também estão alinhados em uma cadeia.

“Zero” para cada um dos átomos de rubídio é o seu estado fundamental, não excitado. “One” é um estado de Rydberg especialmente preparado. Este é um estado excitado em que o elétron externo do rubídio está muito longe do núcleo (no 50º, 100º, 1000º orbital), mas ainda permanece associado a ele. Devido ao seu grande raio, os átomos de Rydberg começam a interagir (repelir) a distâncias muito maiores do que os átomos comuns. Essa repulsão é o que torna possível transformar uma fileira de 51 átomos de rubídio em uma cadeia de partículas que interagem fortemente.

Para controlar os estados dos qubits, é usado um sistema separado de lasers, capaz de excitá-los até o estado Rydberg. A principal e mais importante característica do novo computador é a capacidade de endereçar diretamente cada um dos 51 qubits. Existem também conjuntos de átomos mais complexos nos quais são observados estados quânticos emaranhados (falamos recentemente sobre 16 milhões de átomos emaranhados pela interação com um único fóton), e simulações quânticas foram realizadas em mais de cem átomos frios. Mas em todos esses casos, os cientistas não tinham como controlar o sistema com precisão. É por isso que o novo sistema é chamado de computador quântico totalmente programável.

Cada cálculo num computador quântico é, em certo sentido, uma simulação de um sistema quântico real. A parte principal do novo trabalho é dedicada à modelagem de um sistema quântico bem conhecido - o modelo de Ising. Descreve uma cadeia (neste caso) de partículas com spins diferentes de zero (momentos magnéticos) interagindo com seus vizinhos. O modelo de Ising é frequentemente usado para descrever o magnetismo e as transições magnéticas em sólidos.

O experimento foi estruturado da seguinte forma. Primeiramente, as partículas foram resfriadas e capturadas em pinças ópticas. Este é um processo probabilístico, então a princípio o arranjo de partículas era caótico. Uma sequência de medições e ajustes foi então usada para criar uma matriz livre de defeitos de mais de 50 átomos frios no estado fundamental não excitado. Na etapa seguinte, as pinças ópticas foram desligadas e ao mesmo tempo o sistema foi ligado, excitando os átomos para o estado de Rydberg. Por algum tempo, o sistema evoluiu sob a influência das forças de van der Waals - os átomos ocuparam as posições mais “convenientes” para eles, após o que as pinças foram ligadas novamente e o resultado da evolução foi estudado.

Dependendo de quão próximos os átomos frios estavam do pulso excitante, os físicos observaram diferentes resultados evolutivos. Isto se deve ao fato de que os átomos de Rydberg são capazes de suprimir a excitação dos estados vizinhos de Rydberg (devido à forte repulsão). Os cientistas observaram sistemas nos quais os átomos, após a evolução, foram ordenados de tal forma que entre cada par de átomos vizinhos de Rydberg havia estritamente um, estritamente dois ou estritamente três átomos comuns.

Curiosamente, a formação de estruturas muito ordenadas após a evolução livre ocorreu com uma probabilidade muito alta - mesmo no caso de um conjunto de 51 átomos frios.

Para ver como ocorre o processo de evolução, os cientistas ligaram uma pinça e “fotografaram” o sistema em diferentes momentos. Descobriu-se que em alguns casos a evolução para um estado de equilíbrio ocorreu muito lentamente: o sistema oscilou durante muito tempo entre vários estados. Este resultado pode ser confirmado por simulações clássicas brutas, envolvendo interações entre átomos vizinhos e subsequentes na análise.

Isso é útil?

Este é um daqueles casos em que a modelagem quântica prevê um efeito novo e real. Vale a pena notar que é impossível simular com precisão um sistema de 51 átomos frios usando um computador clássico. Para descrever apenas todos os seus estados possíveis, serão necessários 2 51 bits de RAM (cerca de um petabyte). Este efeito foi confirmado apenas por simulações aproximadas em um computador clássico.

Curiosamente, nos cálculos químicos quânticos surge exatamente a situação oposta - os computadores clássicos fornecem apenas uma estimativa aproximada das propriedades de sistemas complexos, gastando enormes recursos computacionais nisso. Ao mesmo tempo, a análise direta desses sistemas indubitavelmente quânticos fornece um resultado preciso.

Para que mais é útil?

No final do preprint, os autores tradicionalmente fornecem uma lista de áreas nas quais o novo desenvolvimento pode ser útil. Podemos listar alguns deles: a criação de superposições constituídas por um grande número de partículas, o estudo de estados topológicos em sistemas de spin. Os físicos observam especificamente que o algoritmo é adequado para resolver problemas de otimização de sistemas cujas dimensões obviamente excedem o alcance dos computadores convencionais. Essas tarefas incluem modelagem de reações químicas e ensino.

O sistema criado por Mikhail Lukin e seus colegas agora funciona como um simulador quântico – simula sistemas semelhantes a ele. No entanto, é importante notar que em pares individuais de átomos de Rydberg, os físicos já conseguiram criar portas lógicas CNOT usadas para criar emaranhamento. Portanto, podemos dizer que alguns algoritmos simples podem ser implementados no novo sistema (por exemplo, o algoritmo Deutsch, ou o algoritmo Shor para números muito pequenos). No entanto, nesta fase estes algoritmos não serão úteis.

Mikhail Lukin (esquerda) e John Martinis (direita) - chefe da equipe que desenvolve um computador quântico de 49 qubit no Google

Centro Quântico Russo

De certa forma, o novo dispositivo já é capaz de resolver problemas inacessíveis aos computadores clássicos – não pode ser simulado com precisão pelos computadores convencionais. Mas é muito cedo para falar em superioridade quântica útil, que já será útil em problemas aplicados. Muitos cientistas observam que a corrida pela supremacia quântica agora não traz nada de útil do ponto de vista dos problemas de computação aplicada.

É importante notar que experimentos com átomos em redes ópticas já há vários anos ultrapassaram o alcance da modelagem precisa dos computadores clássicos. Eles usam dezenas de partículas interconectadas. Por exemplo, com a ajuda deles, fenômenos cooperativos quânticos relacionados à superfluidez e supercondutividade. Isso é supremacia quântica?

Vladímir Korolev

MOSCOU, 14 de julho- RIA Novosti. Cientistas russos e americanos que trabalham em Harvard criaram e testaram o primeiro computador quântico do mundo, composto por 51 qubits. O dispositivo é até agora o sistema de computação mais complexo do gênero, disse Mikhail Lukin, professor da Universidade de Harvard e cofundador do Centro Quântico Russo (RCC).

O físico anunciou isso ao apresentar um relatório na Conferência Internacional sobre Tecnologias Quânticas ICQT-2017, que é realizada sob os auspícios do RQC em Moscou. Essa conquista permitiu que o grupo de Lukin se tornasse um líder na corrida para criar um computador quântico completo, que vem ocorrendo não oficialmente há vários anos entre vários grupos de físicos líderes do mundo.

Os computadores quânticos são dispositivos de computação especiais cujo poder aumenta exponencialmente ao usar as leis da mecânica quântica para operar. Todos esses dispositivos consistem em qubits - células de memória e, ao mesmo tempo, módulos de computação primitivos capazes de armazenar um espectro de valores entre zero e um.

Hoje existem duas abordagens principais para o desenvolvimento de tais dispositivos - clássica e adiabática. Os proponentes do primeiro deles estão tentando criar um computador quântico universal, cujos qubits obedeceriam às mesmas regras pelas quais operam os dispositivos digitais comuns. Idealmente, trabalhar com tal dispositivo de computação não seria muito diferente da maneira como engenheiros e programadores operam computadores convencionais. Um computador adiabático é mais fácil de criar, mas seus princípios operacionais estão mais próximos dos computadores analógicos do início do século 20, e não dos dispositivos digitais modernos.

No ano passado, várias equipas de cientistas e engenheiros dos EUA, Austrália e vários países europeus anunciaram que estavam perto de criar uma máquina deste tipo. O líder nesta corrida informal foi considerado a equipe de John Martinis do Google, que estava desenvolvendo uma versão “híbrida” incomum de um computador quântico universal, combinando elementos de uma abordagem analógica e digital para tais cálculos.

Lukin e seus colegas da RCC e de Harvard contornaram o grupo de Martinis, que, como Martinis disse à RIA Novosti, agora está trabalhando na criação de um computador de 22 qubits usando não supercondutores, como os cientistas do Google, mas exóticos “átomos frios”.

Como descobriram cientistas russos e americanos, um conjunto de átomos mantidos dentro de “gaiolas” especiais de laser e resfriados a temperaturas ultrabaixas pode ser usado como qubits para um computador quântico, mantendo uma operação estável sob uma ampla gama de condições. Isso permitiu que os físicos criassem o maior computador quântico já feito, composto por 51 qubits.

Usando um conjunto de qubits semelhantes, a equipe de Lukin já resolveu vários problemas físicos que são extremamente difíceis de simular usando supercomputadores “clássicos”. Por exemplo, cientistas russos e americanos conseguiram calcular como se comporta uma grande nuvem de partículas interligadas e descobrir efeitos até então desconhecidos que ocorrem dentro dela. Descobriu-se que quando a excitação decai, certos tipos de oscilações podem permanecer e ser mantidas virtualmente indefinidamente no sistema, algo que os cientistas não suspeitavam anteriormente.

Para verificar os resultados desses cálculos, Lukin e seus colegas tiveram que desenvolver um algoritmo especial que tornasse possível realizar cálculos semelhantes de forma muito aproximada em computadores comuns. Os resultados foram geralmente consistentes, confirmando que o sistema de 51 qubits dos cientistas de Harvard funciona na prática.

Num futuro próximo, os cientistas pretendem continuar os experimentos com um computador quântico. Lukin não descarta que sua equipe tentará executar nele o famoso algoritmo quântico de Shor, que possibilita quebrar a maioria dos sistemas de criptografia existentes baseados no algoritmo RSA. Segundo Lukin, um artigo com os primeiros resultados de um computador quântico já foi aceito para publicação em uma das revistas científicas revisadas por pares.

A equipe de Mikhail Lukin criou um dos computadores quânticos mais poderosos de 2017. Com a ajuda de um cientista, o RBC está descobrindo quais são os critérios para o sucesso na corrida quântica e quando esperar a supremacia quântica

Há vinte anos, os computadores quânticos eram considerados ficção científica, mas em breve não nos surpreenderão mais do que um PC normal. “Acho que em cinco a dez anos será impossível prescindir das tecnologias quânticas em muitas áreas da atividade humana”, diz o professor de Harvard Mikhail Lukin, cuja equipe criou um dos computadores quânticos mais poderosos em 2017.

Mikhail Lukin partiu para a América há cerca de um quarto de século. Em 1993, um graduado da Faculdade de Eletrônica Física e Quântica do MIPT foi convidado para fazer pós-graduação na Texas A&M University por Marlan Scully, um pesquisador mundialmente famoso no campo da óptica quântica. No Texas, em 1998, Lukin defendeu sua dissertação sobre o uso de lasers para controlar o meio ambiente. Mas Mikhail Lukin realizou seus principais experimentos científicos na década seguinte na Universidade de Harvard. Aqui ele se tornou professor de física e depois codiretor do Centro de Física Quântica de Harvard e do Centro de Átomos Ultrafrios.

“Tive muita sorte: entrei em Harvard em condições especiais. Um pós-doutorado comum (um cientista que recebeu recentemente um doutorado, que corresponde aproximadamente a um candidato russo em ciências. - RBC) deve trabalhar em um grupo científico e estar envolvido em algum projeto específico altamente especializado. Tive total liberdade”, disse Lukin à revista RBC.

Lukin diz que ele e seus colegas foram muitas vezes convidados a trabalhar para empresas que entraram na corrida para criar um computador quântico, mas ele invariavelmente recusa: “Eu diria que, de longe, a atividade mais criativa nesta área ainda acontece nas universidades. .”

Em uma atmosfera de “permissividade no trabalho” ao longo dos últimos 16 anos, o cientista e seu grupo realizaram experimentos que surpreenderam o mundo científico: como parar a luz ou criar moléculas fotônicas – matéria semelhante aos sabres de luz de Star Wars – e cristais do tempo. , estruturas, antes existiam apenas em teoria. Durante esses anos, ele também alimentou a ideia de um experimento de computação quântica, que no verão de 2017 tornou Lukin e seu laboratório famosos em todo o mundo.

Ciência da informação quântica

No início da década de 1990, ninguém levava a sério a ideia de criar computadores quânticos, mesmo na comunidade científica, diz Lukin: “Mas então duas, por assim dizer, revoluções aconteceram ao mesmo tempo”.

Em 1994, o americano Peter Shor desenvolveu um algoritmo de fatoração quântica, mais tarde batizado em sua homenagem. “Multiplicar dois números primos, mesmo os muito grandes, é fácil, mas descobrir quais fatores primos dividem um número grande é uma tarefa muito difícil para um computador. A fatoração é a base de toda criptografia moderna”, explica Lukin.

Foto: Foto: Sasha Maslov para RBC

Computadores comuns são capazes de quebrar sistemas criptográficos modernos, mas consomem tantos recursos e tempo que o resultado é inútil. Um computador quântico será capaz de resolver esses problemas quase instantaneamente, e o algoritmo de Shor tornou-se a primeira prova do significado prático de criar tais dispositivos. “Em segundo lugar, ao mesmo tempo, ocorreram grandes mudanças na física experimental: os cientistas aprenderam como resfriar bem os átomos e isolar partículas individuais”, continua Lukin.

No mesmo ponto de viragem para os computadores quânticos, 1994, foi publicado um artigo científico por dois físicos europeus, Peter Zoller e Juan Ignacio Sirac, no qual descreviam um computador quântico utilizando uma armadilha de iões. “A ciência da informação quântica estava apenas engatinhando, outros pesquisadores tinham apenas ideias abstratas para computadores quânticos, ninguém sequer pensava seriamente se isso poderia ser feito ou não. A publicação de Zoller e Sirak mudou tudo: ficou claro que era possível construir um computador quântico e apareceu até uma proposta específica de como”, lembra Lukin.

Mikhail conheceu os autores do artigo no início dos anos 2000: “Eles já eram pessoas famosas e eu era um jovem aspirante a cientista. Mas descobriu-se que nossas ideias são muito semelhantes. Unimos forças e escrevemos uma série de artigos nos quais descrevemos teoricamente as ideias que formaram a base do nosso trabalho prático hoje.”

Na década de 2000, muitos grupos científicos começaram a realizar experimentos com supercondutores – materiais que perdem completamente a resistência elétrica em baixas temperaturas. O grupo de Lukin, por sua vez, decidiu tentar focar nos “átomos frios” – partículas resfriadas até quase o zero absoluto e colocadas em armadilhas ópticas criadas por lasers. Se as condições necessárias forem atendidas, eles podem ser usados ​​como bits quânticos bastante estáveis ​​(qubits).

Lukin não se atreveu a fazer um verdadeiro computador quântico em meados dos anos 2000: o projeto parecia muito arriscado e faltava base tecnológica. Durante vários anos, o seu grupo em Harvard tem estudado outras formas de produzir qubits para um computador quântico – por exemplo, a partir de impurezas no diamante. Outros projetos práticos surgiram dessas pesquisas: por exemplo, ex-alunos do professor descobriram como fazer sensores quânticos para medicina a partir de diamantes.

Na década de 2010, a computação quântica deixou de ser discutida exclusivamente nos laboratórios dos centros de pesquisa; grandes empresas de TI passaram a se interessar seriamente por ela.

Quântico real

Há vários anos, não só a IBM, que há muito estuda esta área, mas também Google, Intel e Microsoft, que antes não tinham sido notadas nela, anunciaram a sua intenção de construir protótipos funcionais de computadores quânticos.
Ao mesmo tempo, a empresa canadense D-Wave produz e vende “computadores quânticos reais” desde 2011 - primeiro com capacidade de 16, depois 28 e depois de alguns anos - 512 qubits. Hoje a empresa já oferece computadores de 2.000 qubits. A D-Wave tem um grande grupo de compradores: Google, NASA, Lockheed Martin, Grupo Volkswagen. Para os não iniciados, pode parecer que o futuro quântico já chegou – sim e não.

A D-Wave produz os chamados computadores adiabáticos - para entender suas diferenças em relação aos computadores quânticos completos, você terá que ler pelo menos um breve curso de física quântica. Num sentido aplicado, a diferença é que os computadores D-Wave são capazes de resolver apenas uma gama muito estreita de problemas de otimização. No Google, por exemplo, eles selecionaram um problema para o computador D-Wave, que um computador adiabático resolveu milhões de vezes mais rápido que um computador clássico. Mas era impossível obter benefícios reais com isso, e a máquina não se destinava a resolver outros problemas.
O progresso no campo da criação de computadores quânticos “reais” é mais modesto: até recentemente, seu poder não ultrapassava 17-20 qubits, e Lukin diz que há alguns anos não acreditava na possibilidade de criar um dispositivo com mais poder. Mas no verão de 2017, o grupo de Lukin anunciou a criação de um protótipo funcional de um simulador quântico de 51 qubits e, literalmente, um mês depois, o grupo do professor Christopher Monroe da Universidade de Maryland anunciou a criação de um simulador de 53 qubits. Os aparelhos e os resultados dos primeiros experimentos neles realizados estão descritos em artigo publicado na revista Nature no final de novembro.

Átomos em armadilhas ópticas e supercondutores são hoje as duas tecnologias para a criação de computadores quânticos que estão à frente de todas as outras tecnologias, disse o professor Christopher Monroe à revista RBC. “Ambas as abordagens estão agora num ponto em que temos uma compreensão clara de como construir dispositivos bastante grandes e ideias sobre como aumentá-los”, disse ele. “Os supercondutores mostraram desempenho inferior até agora, mas como os qubits são impressos em um chip, eles são mais fáceis de escalar. Os átomos são mais fáceis de trabalhar porque cada qubit atômico é idêntico por definição. Existem outras tecnologias semelhantes que estão nos alcançando, incluindo qubits atômicos neutros, que estão sendo fabricados pelo grupo de Mikhail Lukin.”

Corrida por qubits

O número de qubits parece uma medida simples e direta de sucesso, mas na física quântica nada é simples ou direto. O número de qubits é apenas um dos três “eixos” sobre os quais um computador quântico é construído, explica o professor Lukin. A segunda é a coerência, a capacidade dos qubits de estarem em estado de superposição (lembre-se do gato de Schrödinger), de serem zero e um ao mesmo tempo - toda a teoria da computação quântica é baseada neste fenômeno da mecânica quântica.

Essa habilidade determina o tempo durante o qual a máquina pode operar: quanto maior o tempo de coerência, mais cálculos o computador pode realizar. “Se você tiver um milhão de qubits, mas não conseguir realizar um número suficiente de operações neles, então não terá um computador quântico. Por exemplo, em computadores D-Wave, cada um dos qubits iniciais tem uma coerência tão baixa que não está claro se existem propriedades quânticas ou não”, diz Lukin.

Finalmente, o terceiro “eixo” é o grau de programabilidade; descreve quantos problemas de diferentes tipos podem ser resolvidos usando um computador quântico, continua Lukin. “Nosso simulador tem uma coerência bastante boa e um número bastante grande de qubits, mas outros sistemas têm tudo isso. O importante é que conseguimos fazer um sistema com alto grau de programabilidade”, afirma.

A diferença entre um simulador quântico e um computador quântico de uso geral é que o primeiro pode ser programado para realizar apenas um determinado tipo de tarefa, explica o professor Monroe: “Mas a beleza é que o simulador pode ser transformado em um computador de uso geral no futuro." É verdade que nem sempre é possível traçar uma linha clara entre eles, acrescenta Lukin.

“Um simulador quântico que pode ser programado de qualquer forma torna-se universal. Acontece que a linha entre um computador e um simulador é muito confusa e agora não está claro se ela pode ser definida. Mas isso é normal, estamos agora literalmente na vanguarda da ciência e isso acontece com todos os fenômenos novos”, explica o cientista.

Otimismo sem evidências

Mesmo os cientistas ainda não se comprometeram a delinear toda a gama de tarefas nas quais um computador quântico será superior a um computador convencional. “O algoritmo de Shor é único em certo sentido, porque esta é uma das poucas tarefas sobre as quais temos certeza de que um computador quântico pode lidar melhor do que um convencional, isso está comprovado. Existem muitos outros algoritmos muito promissores, inclusive para a mesma otimização combinatória, para os quais ainda não há evidências”, Lukin dá de ombros.

Foto: Foto: Sasha Maslov para RBC

Por um lado, foi o algoritmo de Shor e a inevitabilidade do hacking quântico de sistemas criptográficos de segurança da informação que atraíram grandes quantias de dinheiro do governo para esta área. O líder neste sentido é a China, que recentemente prometeu investir 11,5 mil milhões de dólares na construção de um novo centro quântico.Por outro lado, decifrar códigos será uma parte importante, mas pequena, do que os computadores quânticos podem fazer, espera Lukin. “O que não gosto no algoritmo de Shor é que ele é principalmente destrutivo. Porém, tenho certeza que antes mesmo de ser implementado, um computador quântico terá tempo de trazer muitos benefícios à humanidade”, afirma.

Em um artigo publicado na revista Nature no final de novembro, os cientistas relataram que conseguiram ver a formação de cristais quânticos – um material que pode ser usado para criar memória quântica em computadores quânticos. “O que fizemos não pode ser simulado diretamente em computadores clássicos; deste ponto de vista, podemos dizer que a superioridade quântica já foi demonstrada”, diz Lukin. “Isso é importante para a ciência: já atingimos o limite em que os computadores quânticos começam a ser úteis.”

Acredita-se que a supremacia quântica será alcançada quando os computadores quânticos puderem lidar melhor com problemas práticos do que os supercomputadores clássicos. O poder dos computadores clássicos está em constante crescimento, mas há uma classe de tarefas para as quais eles ainda não têm recursos suficientes e isso não pode ser corrigido simplesmente aumentando suas capacidades computacionais, explica Lukin. Entre eles, por exemplo, estão problemas de otimização combinatória que existem em qualquer área.

“O exemplo clássico é o problema do caixeiro viajante. Imaginemos que a Aeroflot queira otimizar as rotas de voo para gastar menos combustível e ao mesmo tempo cobrir um território maior e tornar os voos convenientes para os passageiros. Um computador clássico não lida bem com esse tipo de problema; é muito complexo para isso, com muitas respostas possíveis. Tudo o que ele pode fazer é tentar opções diferentes, uma por uma, isso leva muito tempo e requer muita energia”, explica Lukin.

Um computador quântico é capaz de passar por essas opções não sequencialmente, mas em paralelo, o que acelera fantasticamente o processo de cálculo - literalmente minutos em vez de anos. Resolver efetivamente esses problemas é extremamente importante para as áreas modernas da ciência da computação, por exemplo, inteligência artificial ou aprendizado de máquina, acrescenta Lukin.

Entre outras aplicações possíveis de um computador quântico, os físicos citam a modelagem de novos materiais com propriedades específicas e diversos processos químicos. “Mesmo reações químicas simples são muito difíceis de simular em computadores clássicos, porque existem muitas opções para sua ocorrência”, explica Lukin. “Os computadores quânticos provavelmente serão capazes de fazer isso.” E aumentar a eficiência de algumas reações químicas em literalmente alguns por cento pode criar uma nova indústria.” Monroe também concorda com ele: ele vê as principais perspectivas da computação quântica na logística, na criação de novos materiais e medicamentos na indústria farmacêutica, bem como nas mais diversas otimizações.

Internet Quântica

Um dos principais problemas que físicos e engenheiros precisam resolver é o dimensionamento dos computadores quânticos. “Hoje não sabemos exatamente como escalar esses sistemas além de cerca de 1 mil qubits. São ideias diferentes, a mais promissora delas, na minha opinião, é a ideia da arquitetura modular”, afirma Lukin. “Em vez de adicionar cada vez mais qubits a uma máquina, criamos uma rede de computadores quânticos. Cada computador, com potência de algumas centenas de qubits, está conectado a algo como uma “internet quântica”. Vários grupos estão atualmente trabalhando em conceitos semelhantes, incluindo o grupo de Lukin, mas todos estão em estágios relativamente iniciais.

Há cerca de 30 pessoas trabalhando no grupo de Mikhail em Harvard, mas há muito mais pessoas trabalhando no simulador quântico: ele foi criado através do esforço conjunto de três laboratórios científicos. No total, segundo Lukin, existem cerca de dez centros semelhantes no mundo, onde ocorrem desenvolvimentos na vanguarda das tecnologias quânticas. A maioria deles está agora a afastar-se das puras experiências físicas em direcção a desenvolvimentos práticos, e o papel das empresas está a crescer cada vez mais. “Além da ciência pura, agora precisamos resolver problemas de engenharia que possam ser claramente definidos, e isso é feito de forma muito mais rápida e eficiente nas empresas do que nas universidades”, diz Lukin. “Já sabemos como construir um computador quântico grande o suficiente, agora precisamos ter certeza de que o sistema funciona não no nível de “só um estudante de pós-graduação pode descobrir”, mas no nível de “venha, ligue-o , funciona." É aqui que as empresas privadas são muito fortes, além de encontrarem aplicações práticas.”

Nos próximos cinco anos, muitas máquinas quânticas funcionais serão criadas, Monroe tem certeza. E em dez anos haverá um computador quântico completo, programado por pessoas que não sabem e não se importam particularmente com seu funcionamento interno, acredita ele: “É aí que começará a busca por suas reais aplicações práticas”. Agora, computadores quânticos universais com algumas dezenas de qubits só podem funcionar com algoritmos criados artificialmente, Monroe continua: “E isso não é tão interessante, porque um sistema tão pequeno pode ser facilmente simulado em um computador normal”.

Os computadores quânticos estão no mesmo estágio em que estavam os primeiros computadores clássicos de sua época, diz Lukin: “O próprio Peter Shor fala frequentemente sobre isso: então havia também algumas ideias sobre algoritmos que, talvez, funcionariam de forma eficaz, e talvez não" . Quando os primeiros computadores clássicos se tornaram dispositivos reais, cientistas e engenheiros começaram a testar esses algoritmos neles, e muitos deles revelaram-se muito eficazes, diz Lukin: “Acho que o mesmo acontecerá com os algoritmos quânticos”.

Um computador quântico se tornará um dispositivo tão comum quanto um PC normal? Embora ninguém saiba disso, tudo dependerá de exemplos e aplicações específicas que possam fazer parte de nossas vidas, responde Mikhail Lukin. “Quem diria há 20 anos que este seria um computador de verdade”, finaliza, apontando para o celular à sua frente.