Квантовая Вселенная: можно ли превратить космос в гигантский компьютер
Квантовая физика управляет всем, что нас окружает. Можно ли превратить целую Вселенную в квантовый компьютер, заметят ли это пришельцы и зачем вообще нужны такие машины - Джейкоб Биамонте, профессор "Сколтеха", один из крупнейших специалистов в данной области, отвечает на эти вопросы и рассказывает, как он оказался в России.
"Светлое будущее"
"Я впервые приехал в Россию более десяти лет назад и совсем не для того, чтобы заниматься физикой. Я увлекаюсь боевыми искусствами, в том числе самбо, и прибыл сюда учиться и обмениваться опытом. Уже потом я узнал, что здесь есть все условия и для того, чтобы заниматься передовой наукой, привлекая к сотрудничеству ученых со всего мира", - рассказывает ученый.
Сегодня он возглавляет лабораторию Deep quantum labs, созданную два года назад в рамках "Сколтеха" для объединения усилий российских и зарубежных физиков, математиков, программистов и инженеров, изучающих проблемы, связанные с развитием квантовых вычислительных систем.
"Мы занимаемся не практикой, а всеми теоретическими и "программными" аспектами квантовых вычислений, и взаимодействуем с экспериментаторами, в том числе учеными "Сколтеха" и специалистами из МГУ, РКЦ и ИТМО. Мы открыты для сотрудничества и готовы помочь любым экспериментаторам, изучающим подобные вопросы", - продолжает профессор.
Что такое квантовый компьютер? По своей природе он радикально отличается от классических вычислительных устройств, позволяющих проводить простые или сложные математические операции с числами или наборами данных, выраженными нулями и единицами.
В квантовых собратьях классических компьютеров, принципы работы которых были сформулированы более 30 лет назад советским физиком Юрием Маниным, информация закодирована принципиально иным образом. Элементарные ячейки памяти, так называемые кубиты, могут содержать не либо нуль, либо единицу, а целый спектр значений в промежутке между ними.
В результате мощность подобных вычислителей растет экспоненциальным образом: поведение квантового процессора с несколькими десятками кубитов невозможно просчитать даже при помощи самых мощных классических суперкомпьютеров.
Долгое время подобные машины оставались предметом научной фантастики и теоретических изысканий физиков, однако в последние 15 лет ученые совершили прорыв в создании кубитов и в их объединении в более сложные системы. Самые продвинутые версии квантовых компьютеров, разработанные в Google, IBM и в Гарвардском университете группой Михаила Лукина, содержат от 20 до 50 кубитов.
Несмотря на эти достижения, разработчики этих машин предполагают, что полноценные вычислительные системы, способные решать любые задачи, появятся нескоро, через 10-20 лет. Что интересно, эта оценка не меняется с конца 1990 годов, однако постоянно возникают какие-то новые проблемы, каждый раз отодвигающие так и не наступающее "светлое квантовое будущее".
Как отмечал Биамонте на своих научно-популярных лекциях, он занимает особую позицию: по его мнению, "полезные" квантовые вычислительные системы появятся гораздо раньше, однако они будут совсем не такими, как их представляют себе широкая публика и СМИ.
"На сегодняшний день в физике существует одна большая проблема, которая одновременно является и ее основным преимуществом. Всем заправляют экспериментаторы. По каким-то причинам им кажется, что эксперименты важнее для науки, чем теория. Благодаря деньгам, вкладываемым в эту область, теоретическая физика оказалась фактически уничтоженной", - говорит Биамонте.
Сам же профессор относит себя к представителем классической теоретической физики, чьи идеи доминировали в науке век назад, на первых этапах зарождения квантовой механики и современной эйнштейновской физики. В последние десятилетия таким, как он, пришлось перебраться на математические факультеты, где им гораздо комфортнее.
"Экспериментаторов, в том числе создателей квантовых компьютеров, волнуют только их собственные разработки. За небольшими исключениями, они не интересуются тем, что известно о возможности работы таких устройств в целом. Это влияет на их менталитет и заставляет давать не рациональные, а эмоциональные оценки", - объясняет исследователь.
К примеру, до сих пор не существует единого четкого доказательства того, что квантовые компьютеры могут превосходить классические аналоги в скорости вычислений. При этом, уточняет Биамонте, если мы обобщим все упрощенные модели, демонстрирующие некоторые аспекты этого превосходства, получим вполне убедительное свидетельство в пользу преимущества квантовых счислительных машин.
"С одной стороны, Алексей Устинов, Александр Загоскин и другие лидеры в этой области правы: квантовый компьютер действительно появится нескоро. С другой стороны, речь в данном случае идет об универсальных машинах, способных исправлять свои собственные ошибки", - отмечает физик.
Отсутствие такой способности у компьютера, подчеркивает Биамонте, не делает его абсолютно бесполезным или неполноценным.
Атомный арифмометр
"В природе бесчисленное множество примеров различных квантовых систем, не обладающих этой способностью. Их поведение очень сложно просчитать, используя обычные компьютеры. Поэтому создание квантовой системы, имитирующей подобные процессы, позволит нам осуществить соответствующие расчеты и получить что-то полезное", - говорит ученый.
Эта идея далеко не нова - ее озвучил знаменитый американский физик Ричард Фейнман всего через два года после публикации первых статей Манина. Как отметил Биамонте, экспериментаторы активно разрабатывают подобные системы в последние несколько лет, а теоретики думают над тем, где их можно применять.
Такие аналоговые вычислительные устройства, так называемые адиабатические компьютеры, или "отжигатели" на жаргоне физиков, необязательно должны использовать квантовые эффекты - для решения многих задач достаточно классических взаимодействий между атомами.
"Существует три типа вычислительных машин такого рода - классические отжигатели, их квантово-ускоренные собратья и полноценные квантовые процессоры, построенные на базе квантовых логических элементов. Последние созданы в лабораториях IBM, первые - в компании Fujitsu, вторые - в D-Wave", - рассказывает ученый.
Биамонте и его коллегам по "Сколтеху" больше всего интересны машины третьего класса. Подобные устройства, по его словам, достаточно сложно создавать, однако их можно использовать для решения сложнейших оптимизационных задач: от машинного обучения до разработки новых лекарств.
"Эти машины очень интересны, но первые настоящие устройства такого типа появятся лишь через несколько лет. С другой стороны, классические и квантовые отжигатели реально создать прямо сейчас. И сейчас на практике они остаются наиболее полезными среди квантовых компьютеров", - добавляет Биамонте.
Многие процессы в физике частиц, продолжает исследователь, запрограммированы природой так, что они оптимизируют себя, стремясь достичь энергетического минимума. Соответственно, если научиться управлять этими процессами, можно заставить набор атомов или каких-то других объектов выполнить эти вычисления за нас.
"Зачем тратить огромное количество процессорного времени на такую оптимизацию, если это может сделать классический отжигатель или квантовое устройство, похожее на D-Wave? Образно выражаясь, зачем, изучая ветер, использовать виртуальную аэродинамическую трубу, если у нас уже есть настоящая? Многие российские компании задумываются об этом, и мы активно с ними сотрудничаем", - подчеркивает ученый.
Успешное завершение этих опытов откроет дорогу для создания квантовых отжигателей, в которых принципы квантовой физики используются для ускорения взаимодействий между атомами и другими частицами. Конечно, некоторые научные задачи для них будут недоступными, но они смогут решить множество бытовых проблем, таких как оптимизация дорожного движения или управление портфелем акций.
Большинство наблюдателей, отмечает профессор "Сколтеха", полагают, что в квантовой гонке победит Google. Биамонте с этим не согласен: представители калифорнийской компании очень любят рассказывать об успехах, но почти не публикуют научных статей и не раскрывают секретов устройства своих квантовых машин.
По его мнению, ближе всего к цели инженеры IBM - вычислительные машины этой компании действительно работают, причем их можно проверить в любой момент через специальные облачные системы. Но масштаб пока достаточно ограничен, и эти машины еще нельзя применять для решения сложных задач.
"Думающие" галактики
Если подобные "серьезные" системы создадут в ближайшем будущем, возникает закономерный вопрос: из чего их можно делать, каких размеров они способны достигать и как они повлияют на нашу жизнь?
Как считает сам Биамонте, принципиальных физических ограничений для квантовых компьютеров (или отжигателей) с миллионами кубитов нет. С другой стороны, совершенно непонятно, сколько будет кубитов в реальности, так как мы сейчас находимся на самых ранних этапах развития квантовых технологий.
"Пока для работы с квантовыми компьютерами мы пытаемся адаптировать уже имеющиеся в электронной промышленности технологии. При этом никто не уверен, что это правильный путь. Существуют системы, которые гораздо лучше подходят для создания квантовых машин. Ими, правда, намного сложнее управлять", - объясняет ученый.
Например, особые дефекты внутри алмазов, почти столь же хорошо изолированные от внешнего мира, как одиночные атомы в вакууме космоса. Сколько подобных точек можно уместить в одном алмазе и как близко они могут находиться друг к другу, не мешая работе соседей, еще неясно. От ответа на эти вопросы зависит, будут ли алмазы использоваться в квантовых компьютерах.
Действительно большие квантовые машины, как отметил профессор "Сколтеха", будут решать не только практические задачи, связанные с повседневной жизнью человека, но и самые интересные научные загадки.
Возможно, они позволят раскрыть квантовую природу гравитации и проверить теории Биамонте о симметрии времени, наблюдая за тем, возникают ли особые возмущения в их работе при попытке нарушить эту симметрию или обратить время вспять при проведении вычислений на подобных машинах.
Когда человечество справится с этими задачами, чем наука займется дальше? Этот вопрос, считает Биамонте, парадоксальным образом связан с поисками внеземной жизни и тем, как представители инопланетных цивилизаций могут сигнализировать о своем существовании.
"Представьте, что мы подчиним себе всю энергию и силу Вселенной. Что мы сделаем в первую очередь? Конечно, мы можем уничтожить себя, но есть и более интересный сценарий. К примеру, у нас появится возможность ускорить движение Земли до сверхвысоких скоростей и оставить на орбите компьютер", - рассказывает физик.
В соответствии с теорией относительности время на планете замедлится. Если мы проведем в таком состоянии десятки лет, квантовая вычислительная машина или обычный компьютер во "внешнем мире" проработают несколько тысячелетий. Причем это необязательно рукотворный компьютер, его роль могут исполнять различные космические объекты - гигантские облака газа, например.
"Как часто можно поступать подобным образом? Явного предела на такое "ускорение вычислений" нет, однако все мы знаем, что поздняя Вселенная будет для нас не очень интересным местом. Звезды постепенно начнут гаснуть, а галактики станут невидимыми друг для друга из-за расширения мироздания", - отмечает профессор.
Похожие размышления вызывають закономерный вопрос: если это под силу человечеству, что мешает инопланетянам сделать то же самое? Соответственно, какие-то следы подобных "космических" квантовых вычислений или их классических аналогов должны присутствовать в космосе. Что укажет на это, на гигантские квантовые компьютеры инопланетян?
"Я не могу дать точный ответ на вопрос о том, что это можеть быть или предположить, как их стоит искать. В то же время, существование таких "вселенских вычислителей" кажется мне гораздо более вероятным, чем спонтанное появление "разумных планет" и других космических объектов, способных осознавать себя, о чем часто рассуждают "квантовые" философы", - заключает Биамонте.
