От същия автор

Бюлетин „Либерален преглед в неделя“

Pin It

 

2022 12 Quantum Comp

 

В покрайнините на Санта Барбара, Калифорния, между овощните градини и океана, се намира незабележима сграда, нещо като склад, чиито прозорци са затъмнени в кафяво, а външната му част е боядисана в скучно сиво. Съоръжението няма почти никакви указателни табели, а името му не фигурира в Google Maps. Малка табелка на вратата гласи „Google AI Quantum“. Вътре компютърът се преоткрива от нулата.

През септември Хартмут Невен, основателят на лабораторията, ме разведе из нея. Невен, родом от Германия, е плешив петдесет и седем годишен мъж, който принадлежи към съвременната каста на хибридните ръководители-мистици. Той говори за квантовото ни бъдеще със смесица от научна прецизност и психеделичен плам. Носи кожено яке, свободна ленена риза, осеяна с копчета, чифт дънки с джобове с ципове и маратонки с велкро, които приличат на лунни ботуши. „Както знае екипът ми, не пропускам нито един [пустинен фестивал] Burning Man“, каза ми той.

В средата на склада от метално скеле виси апарат с размерите и формата на полилей за бална зала. Снопове кабели се спускат от върха през поредица от позлатени дискове към процесор долу. Процесорът, наречен Sycamore, представлява малка правоъгълна плочка, обсипана с няколко десетки порта. Sycamore използва някои от най-странните свойства на физиката, за да извършва математически операции, които противоречат на всякаква човешка интуиция. След като бъде свързан, целият модул се поставя в цилиндричен фризер и се охлажда в продължение на повече от едно денонощие. Процесорът разчита на свръхпроводимост, което означава, че при свръхниски температури съпротивлението срещу електричество почти изчезва. Когато температурата около процесора е по-ниска от онази в космическото пространство, изчисленията могат да започнат.

Класическите компютри говорят на езика на битовете, които приемат стойности от нула и единица. Квантовите компютри, като тези, които Google изгражда, използват кюбити, които могат да приемат стойност нула или единица, но също и сложна комбинация от нули и единици едновременно. По този начин кюбитите са експоненциално по-мощни от битовете и могат да извършват изчисления, които обикновените битове не могат. Но поради тази елементарна промяна всичко трябва да бъде разработено наново: хардуерът, софтуерът, езиците за програмиране и дори подходът на програмистите към проблемите.

В деня, в който го посетих, един техник – когото Google нарича „квантов механик“ – работеше върху компютъра с набор от малки металорежещи машини. Всеки кюбит се контролира от специален проводник, който техникът, седнал на табуретка, прикрепя с ръка.


Small Ad GF 1

Квантовият компютър пред нас е кулминацията на години изследвания и инвестиции за стотици милиони долари. Освен това той почти не функционира. Днешните квантови компютри са „шумни“, което означава, че се провалят в почти всичко, което опитат. Въпреки това надпреварата за създаването им привлича толкова много гении, колкото никой друг научен проблем на планетата. Intel, I.B.M., Microsoft и Amazon също създават квантови компютри. Това прави и китайското правителство. Победителят в надпреварата ще създаде наследника на силициевия микрочип – устройството, което даде възможност за информационна революция.

Един пълномащабен квантов компютър би могъл да разбие сегашните ни протоколи за криптиране, което по същество би разбило интернет. Повечето онлайн комуникации, включително финансовите транзакции и популярните платформи за текстови съобщения, са защитени с криптографски ключове, чието дешифриране би отнело на конвенционален компютър милиони години. Предполага се, че функциониращ квантов компютър би могъл да разбие такъв ключ за по-малко от ден. И това е само началото. Квантовият компютър би могъл да открие нови граници в математиката, променяйки представата ни за това какво означава „изчисляване“. Неговата изчислителна мощ може да стимулира разработването на нови промишлени химикали, които да решат проблемите с изменението на климата и недостига на храна. И да съчетае елегантните теории на Алберт Айнщайн с непокорната микросфера на физиката на елементарните частици, позволявайки нови открития за пространството и времето. „Въздействието на квантовите изчисления ще бъде по-дълбоко от всяка друга технология досега“, заяви наскоро Джереми О'Брайън, изпълнителен директор на стартиращата компания PsiQuantum. Първо обаче инженерите трябва да я накарат да заработи.

Представете си две камъчета, хвърлени в спокойно езеро. Когато се ударят в повърхността, те създават концентрични вълнички, които се сблъскват и създават сложни модели на интерференция. В началото на ХХ век физиците, изучаващи поведението на електроните, откриват подобни модели на вълнова интерференция в субатомния свят. Това откритие довежда до кризисен момент, тъй като при други условия същите тези електрони се държат по-скоро като отделни точки в пространството, наречени частици. Скоро (и това е нещо, което мнозина смятат за най-странния научен резултат на всички времена), физиците осъзнават, че дали електронът ще се държи повече като частица или като вълна, зависи от това дали някой го наблюдава или не. Така се ражда квантовата механика.

През следващите десетилетия изобретателите използват откритията на квантовата механика, за да създадат всякакви технологии, включително лазери и транзистори. В началото на осемдесетте години физикът Ричард Файнман предлага да се построи „квантов компютър“, за да се получат резултати, които не могат да бъдат изчислени с конвенционални средства. Реакцията на общността на компютърните учени е приглушена; първите изследователи имат проблеми с получаването на места на конференциите. Практическата полезност на подобно устройство е демонстрирана едва през 1994 г., когато математикът Питър Шор, работещ в Bell Labs в Ню Джърси, показва, че квантовият компютър може да помогне за разбиването на някои от най-широко използваните стандарти за криптиране. Още преди Шор да публикува резултатите си, към него се обръща загрижен представител на Агенцията за национална сигурност. „Подобна способност за дешифриране може да направи военния потенциал на губещия почти без значение, а икономиката му – преобърната“, пише по-късно един от служителите на НСА.

Сега Шор е председател на комисията по приложна математика в Масачузетския технологичен институт. Посетих го там през август. В тесния му кабинет се виждаше голяма тебеширена дъска, покриваща едната стена, а бюрото и масата му бяха препълнени с драсканици. В ъгъла седяха картонени кутии, пълни догоре с ръкописите на Шор. Една от кутиите беше от книжарницата „Бордърс“, която фалира преди единадесет години.

Бюлетин „Либерален преглед в неделя“

Шор носи овални очила, коремът му е закръглен, косата му е вълниста и бяла, а брадата му е неподдържана. В деня, в който се запознах с него, той рисуваше на дъската шестоъгълници, а едната му обувка беше развързана. „Изглежда точно като човека, който ще изобрети алгоритмите“, гласи коментар към видеозапис на една от лекциите му.

Алгоритъмът е набор от инструкции за изчисление. Детето, което прави дълги деления, следва алгоритъм. Същото върши и суперкомпютърът, който симулира еволюцията на космоса. Официалното изучаване на алгоритмите като математически обекти започва едва през ХХ век, а изследванията на Шор показват, че има много неща, които не разбираме. „Когато става дума за алгоритми, вероятно сме на нивото, на което са били римляните по отношение на числата“, каза ми експерименталният физик Мишел Деворет. Той сравнява работата на Шор с пробивите, направени с въображаемите числа през XVIII век.

Шор може да бъде обсебен от алгоритмите. „Мисля за тях късно през нощта, под душа, навсякъде“, каза той. „Наред с това драскам смешни символи на лист хартия.“ Понякога, когато даден проблем е особено завладяващ, Шор не забелязва, че други хора му говорят. „Вероятно това е много досадно за тях“, казва той. „С изключение на съпругата ми. Тя е свикнала с това.“ Невен от Google си спомня, че се е возил с Шор из Кеймбридж, докато той е разказвал за последните си изследвания. „Той минаваше през четири ленти за движение“, каза Невен. (Шор ми каза, че и двете му дъщери са диагностицирани с аутизъм. „Разбира се, и аз имам някои от тези черти“, каза той.)

Най-известният алгоритъм на Шор предлага използването на кюбити за „разлагане“ на много големи числа на по-малки компоненти. Помолих го да обясни как работи, а той изтри шестоъгълниците от дъската. Ключът към факторинга, каза Шор, е в идентифицирането на простите числа, които са цели числа, делящи се само на едно и на самите себе си. (Пет е просто число. Шест, което се дели на две и на три, не е.) Съществуват двадесет и пет прости числа между едно и сто, но когато броите нагоре, те стават все по-редки. Шор, рисувайки поредица от компактни формули на дъската, обясни, че определени последователности от числа се повтарят периодично по линията на числата. Разстоянията между тези повторения обаче нарастват експоненциално, което ги прави трудни за изчисляване с обикновен компютър.

След това Шор се обърна към мен. „О.К., ето сърцето на моето откритие“, каза той. „Знаете ли какво е дифракционна решетка?“ Признах, че не знам, и очите на Шор се разшириха от загриженост. Той започна да рисува проста скица на светлинен лъч, който се удря във филтър и след това се дифракционира в цветовете на дъгата, която илюстрира с цветни тебешири. „Всеки цвят има определена дължина на вълната“, каза Шор. „Ние правим нещо подобно. Това нещо всъщност е изчислителна дифракционна решетка, така че подреждаме различните периоди“. Всеки цвят върху дъската представляваше различна група числа. Класическият компютър, разглеждащ тези групировки, би трябвало да ги анализира една по една. Квантовият компютър би могъл да обработи цялата дъга наведнъж.

Предизвикателството е в това да се реализира теоретичната работа на Шор с физически хардуер. През 2001 г. физици-експериментатори от I.B.M. се опитват да приложат алгоритъма, като изстрелват електромагнитни импулси към молекули, окачени в течност. „Мисля, че машината струваше около половин милион долара“, казва Шор, „и ни съобщи, че петнадесет е равно на пет пъти по три.“ Битовете на класическите компютри са сравнително лесни за изграждане – помислете за ключ за осветление, който може да бъде включен или изключен. Кюбитите на квантовите компютри изискват нещо като циферблат, или по-точно няколко циферблата, всеки от които трябва да бъде настроен на определена амплитуда. Осъществяването на такъв прецизен контрол в субатомни мащаби продължава да бъде труден проблем.

Все пак в очакване на деня, който експертите по сигурността наричат Y2Q, протоколите, които защитават текстовите съобщения, електронната поща, медицинските досиета и финансовите транзакции, трябва да бъдат премахнати и заменени. По-рано тази година администрацията на Байдън обяви, че се насочва към нови, квантовоустойчиви стандарти за криптиране, които предлагат защита от алгоритъма на Шор. Очаква се прилагането им да отнеме повече от десетилетие и да струва десетки милиарди долари, което ще създаде благоприятна среда за експертите по киберсигурност. „Разликата между това и Y2K е, че ние знаехме точната дата, на която Y2K ще настъпи [1 януари 2000 г.]“, каза ми криптографът Брус Шнайер.

В очакване на Y2Q шпионските агенции съхраняват криптиран интернет трафик с надеждата да го прочетат в близко бъдеще. „Виждаме, че нашите противници правят това – копират нашите криптирани данни и просто ги запазват“, каза Дъстин Муди, математикът, който отговаря за американските стандарти за постквантово криптиране. „Това определено е реална заплаха.“ (Когато го попитах дали правителството на САЩ прави същото, Муди каза, че не знае.) В рамките на едно-две десетилетия повечето комуникации от нашата епоха вероятно ще бъдат разкрити. Крайният срок за обновяване на криптографията, определен от администрацията на Байдън, е 2035 г. Квантов компютър, способен да изпълнява проста версия на алгоритъма на Шор, може да се появи още през 2029 г.

В основата на изследванията в областта на квантовите компютри стои научна концепция, известна като „квантово заплитане“ [quantum entanglement]. „Заплитането“ е за компютрите онова, което беше ядреното делене за експлозивите: странно свойство на субатомния свят, което може да бъде използвано за създаване на технология с безпрецедентна мощ. Ако заплитането можеше да се осъществи в мащаба на ежедневните предмети, това би изглеждало като магически трик. Представете си, че вие и ваш приятел хвърляте две „заплетени“ монети, без да гледате резултатите. Резултатът от хвърлянето на монетите ще бъде определен само когато ги погледнете. Ако прегледате своята и видите, че тя е излязла с „ези“, монетата на приятеля ви автоматично ще излезе с „тура“. Ако приятелят ви погледне и види, че неговата монета показва „ези“, вашата вече ще показва „тура“. Това свойство е валидно, независимо на какво разстояние един от друг се намирате вие и вашия приятел. Ако отпътувате до Германия или до Юпитер и погледнете своята монета, онази на приятеля ви моментално ще покаже обратния резултат.

Ако смятате, че заплитането е объркващо, не сте сами: научната общност се нуждаеше от повече от един век, за да започне да разбира неговите ефекти. Подобно на много други концепции във физиката, заплитането е описано за първи път в един от Gedankenexperiments [мисловните експерименти] на Айнщайн. Според квантовата механика свойствата на частиците придобиват фиксирани стойности само след като бъдат измерени. Преди това всяка частица е съществувала в „суперпозиция“ от много състояния едновременно, които са били описвани с помощта на вероятности. (Известен мисловен експеримент, предложен от физика Ервин Шрьодингер, представя котка, която се намира в кутия с квантово активиран флакон с отрова, като котката се намира в суперпозиция в неопределено състояние между живота и смъртта). Това разтревожило Айнщайн, който прекарва по-късните си години във формулиране на възражения срещу „новата физика“ на поколението, което го наследило. През 1935 г., работейки заедно с физиците Борис Подолски и Натан Розен, той разкрива очевиден парадокс в квантовата механика: ако се приеме сериозно значението на тази дисциплина, би трябвало да е възможно да се създадат две заплетени частици, разделени на каквото и да е разстояние, които по някакъв начин биха могли да взаимодействат по-бързо от скоростта на светлината. „Не може да се очаква, че някоя разумна дефиниция на реалността би позволила това“, пишат Айнщайн и колегите му. През следващите десетилетия обаче другите предсказания на квантовата механика са многократно потвърдени в експерименти, а парадоксът на Айнщайн е пренебрегнат. „Тъй като възгледите му бяха в разрез с преобладаващата мъдрост на неговото време, повечето физици приемаха враждебността на Айнщайн към квантовата механика за признак на старческа немощ“, пише историкът на науката Томас Рикман.

В средата на века физиците се съсредоточават върху ускорителите на частици и ядрените бойни глави; заплитането не получава голямо внимание. В началото на 60-те години северноирландският физик Джон Стюарт Бел, който работи сам, преформулира мисловния експеримент на Айнщайн в математически аргумент от пет страници. През 1964 г. той публикува резултатите си в неизвестното списание Physics Physique Fizika. През следващите четири години статията му не е цитирана нито веднъж.

През 1967 г. Джон Клоузър, аспирант в Колумбийския университет, попада на статията на Бел, докато преглежда подвързания том на списанието в библиотеката. Клоузър се е борил с квантовата механика и е посещавал курса три пъти, преди да получи приемлива оценка. „Бях убеден, че квантовата механика трябва да е грешна“, казва той по-късно. Статията на Бел дава на Клоузър възможност да провери своите възражения. Противно на съветите на преподавателите си, включително Ричард Файнман, той решава да проведе експеримент, който да оправдае Айнщайн, като докаже, че теорията на квантовата механика е непълна. През 1969 г. Клоузър пише писмо до Бел, в което го уведомява за намеренията си. Бел отговаря с радост; никой дотогава не му е писал за неговата теорема.

Клоузър се премества в Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ в Калифорния, където, работейки почти без бюджет, създава първата в света умишлено заплетена двойка фотони. Когато фотоните са на разстояние около 10 фута един от друг, той ги измерва. Наблюдението на даден атрибут на единия фотон моментално довежда до противоположни резултати при другия. Клоузър и Стюарт Фрийдман, негов съавтор, публикуват своите открития през 1972 г. От гледна точка на Клоузър експериментът е разочарование: той окончателно доказва, че Айнщайн греши. В крайна сметка и с голяма неохота Клоузър приема, че озадачаващите правила на квантовата механика всъщност са валидни, а това, което Айнщайн смята за гротескно оскърбление на човешката интуиция, е просто начинът, по който функционира Вселената. „Признавам, че и до днес не разбирам квантовата механика“, казва Клоузър през 2002 г.

Но Клоузър е доказал също, че заплетените частици са нещо повече от мисловен експеримент. Те са реални и са дори още по-странни, отколкото е смятал Айнщайн. Тяхната странност привлича вниманието на физика Ник Хърбърт, доктор на науките от Станфорд и любител на ЛСД, чиито изследователски интереси включват неща като телепатия и комуникация с отвъдния свят. Клоузър показва на Хърбърт своя експеримент и Хърбърт предлага машина, която би използвала заплитането за комуникация, по-бърза от скоростта на светлината, позволявайки на потребителя да изпраща съобщения назад във времето. Проектът на Хърбърт за машина на времето в крайна сметка е сметнат за неосъществим, но той принуждава физиците да започнат да се отнасят сериозно към заплитането. „Грешната статия на Хърбърт беше искрата, която предизвика огромен напредък“, спомня си физикът Ашер Перес през 2003 г.

В крайна сметка решението на парадокса на Айнщайн не се състои в това, че частиците могат да изпращат сигнали по-бързо от светлината; вместо това, веднъж заплетени, те престават да бъдат отделни обекти и функционират като една система, която съществува в две части на Вселената едновременно. (Това явление се нарича нелокалност.) От осемдесетте години насам изследванията на заплитането водят до непрекъснати пробиви както в теоретичната, така и в експерименталната физика. През октомври Клоузър получи Нобелова награда за физика за своята работа. В съобщение за пресата Нобеловият комитет определи заплитането като „най-мощното свойство на квантовата механика“. Бел не доживява да види завършването на революцията – той умира през 1990 г. Днес статията му от 1964 г. е цитирана седемнадесет хиляди пъти.

В лабораторията на Google в Санта Барбара целта е да се заплетат много кюбити наведнъж. Представете си стотици монети, подредени в мрежа. Манипулирането на тези монети в хореографски последователности може да доведе до изумителни математически ефекти. Един от примерите е алгоритъмът на Гроувър, разработен от Лов Гроувър, колега на Шор в Bell Labs през 90-те години. „Алгоритъмът на Гроувър е за неструктурирано търсене, което е хубав пример за Google“, казва Невен, основател на лабораторията. „Обичам да мисля за него като за огромен шкаф с милион чекмеджета.“ Едно от чекмеджетата съдържа топка за тенис. Човек, който се рови в гардероба, ще намери топката средно след отварянето на половин милион чекмеджета. „Колкото и невероятно да звучи това, алгоритъмът на Гроувър може да го направи само след хиляда стъпки“, казва Невен. „Мисля, че цялата магия на квантовата механика може да бъде видяна тук.“

Кариерата на Невен е изпълнена с перипетии. Първоначално той е завършил икономика, но се е насочил към физиката, след като е посетил лекция по стрингова теория. Защитава докторска степен, насочена към изчислителната неврология, и е нает като професор в Университета на Южна Калифорния. По време на работата си в Ю.С.К. изследователският му екип печели състезание по разпознаване на лица, спонсорирано от Министерството на отбраната на САЩ. Основава компанията Neven Vision, която разработва технологията, използвана във филтрите за лица в социалните мрежи; през 2006 г. продава компанията на Google за 40 милиона долара. В Google работи по търсенето на изображения и [специалните очила] Google Glass, като се насочва към квантовите изчисления, след като чува репортаж за тях по общественото радио. Той ми каза, че крайната му цел е да изследва произхода на съзнанието, като свърже квантов компютър с нечий мозък.

Приносът на Невен към технологията за анализ на лица се радва на широко възхищение и, ако някога сте се престрували на куче в Snapchat, трябва да му благодарите. (Може да му благодарите и за по-безрадостните приложения на тази технология.) Но през последните няколко години в статии, публикувани във водещи световни научни списания, той и екипът му разкриха и редица малки, особени чудеса: фотони, които се събират на купчини; идентични частици, чиито свойства се променят в зависимост от реда, в който са подредени; екзотично състояние на вечно мутираща материя, известно като „времеви кристал“. „Съществува буквално списък с дузина подобни неща и всяко от тях е толкова научнофантастично, колкото и следващото“, казва Невен. Той ми каза, че екип, ръководен от физичката Мария Спиропулу, е използвал квантовия компютър на Google, за да симулира „холографска червейна дупка“, концептуален пряк път през пространство-времето – постижение, което наскоро се появи на корицата на Nature.

Публикуваните от Google научни резултати в областта на квантовите компютри понякога са били обект на критики от страна на други изследователи. (Един от авторите на статията в Nature нарече тяхната червейна дупка „най-малката, най-трошливата червейна дупка, която можете да си представите“. Спиропулу, която притежава куче на име Кюбит, се съгласява с него. „Наистина е много трошлива, наистина“, каза ми тя.) „При всички тези експерименти все още има огромен дебат за това до каква степен действително правим онова, което твърдим“, казва Скот Ааронсън, професор в Тексаския университет в Остин, който специализира в областта на квантовите изчисления. „Трябва да се примигва.“ Квантовите изчисления също няма да заменят класическия подход в скоро време. „Квантовите компютри са ужасни в броенето“, казва Мариса Джустина, учена-изследователка в Google. „Накарахме нашите да броят до четири.“

Джустина е една от водещите световни експертки в областта на заплитането. През 2015 г., докато работи в лабораторията на австрийския професор Антон Цайлингер, тя провежда актуализирана версия на експеримента на Клоузър от 1972 г. През октомври Цайлингер също беше обявена за Нобеловa лауреатka. „След това получих куп пингове, в които пишеше: „Поздравления за спечелването на Нобеловата награда от твоя шеф“, казва Джустина. Тя говори с известно разочарование за машината, която скоро може да моделира сложни молекули, но засега не може да прави елементарна аритметика. „Това е противоположно на onова, което изпитваме в ежедневието си“, каза тя. „Именно това е толкова дразнещо и толкова красиво в нея.“

Основният проблем със заплетените кюбити на Google е, че те не са „устойчиви на грешки“. Процесорът Sycamore ще прави грешка средно на всеки хиляда стъпки. Но един типичен експеримент изисква много повече от хиляда стъпки, така че, за да получат значими резултати, изследователите трябва да стартират една и съща програма десетки хиляди пъти, след което да използват техники за обработка на сигнали, за да извлекат малко количество ценна информация от планината от данни. Ситуацията би могла да се подобри, ако програмистите можеха да проверяват състоянието на кюбитите, докато процесорът работи, но измерването на суперпозиционен [неопределен] кюбит го принуждава да приеме определена стойност, което води до влошаване на изчисленията. Не е необходимо такива „измервания“ да се извършват от съзнателен наблюдател; всеки брой взаимодействия с околната среда ще доведат до същия срив. „Намирането на тихи, студени и тъмни места, където да живеят кюбитите, е основна част от постигането на мащаба на квантовите изчисления“, казва Джустина. Процесорите на Google понякога се провалят, когато се сблъскат с радиация извън нашата Слънчева система.

В ранните дни на квантовите изчисления изследователите се притесняват, че проблемът с измерванията е неразрешим, но през 1995 г. Питър Шор показва, че заплитането може да се използва и за коригиране на грешки, което подобрява високата степен на грешки в хардуера. Изследванията на Шор привличат вниманието на Алексей Китаев, физик теоретик, който по онова работи в Москва. През 1997 г. Китаев усъвършенства кодовете на Шор с „топологична“ схема за квантова корекция на грешки. Джон Прескил, физик-теоретик в Калтек [Калифорнийския технологичен университет], говори за Китаев, който сега е професор там, с нещо, което се доближава до страхопочитание. „Той е много креативен и технически много задълбочен“, казва Прескил. „Той е един от малкото хора, които познавам и които без колебание мога да нарека гений.“

Срещнах се с Китаев в просторния му кабинет в Калтек, който беше почти напълно празен. Той носеше маратонки. Китаев ми каза, че след като е прекарал деня в мислене за частиците, се разхожда около час, за да прочисти съзнанието си. В трудни дни може да се разхожда и по-дълго. На няколко мили северно от Калтек се намира планината Уилсън, където през 20-те години на ХХ век Едуин Хъбъл използва най-големия тогава телескоп в света, за да заключи, че Вселената се разширява. „Бил съм на планината Уилсън може би сто пъти“, казва Китаев. Когато проблемът е наистина труден, Китаев пропуска планината Уилсън и вместо това изкачва близката планина Балди – трикилометров връх, който често е покрит със сняг.

Квантовите изчисления са проблем с размерите на връх Балди. „През 1998 г. направих прогноза, че тези компютри ще бъдат реализирани след тридесет години“, казва Китаев. „Не съм сигурен, че ще успеем да го направим.“ Схемата за корекция на грешки на Китаев е един от най-обещаващите подходи за създаване на функционален квантов компютър и през 2012 г. той получи за работата си наградата Breakthrough Prize, най-доходната научна награда в света. По-късно Google го наема като консултант. Досега никой не е успял да осъществи идеята му.

Прескил и Китаев преподават заедно уводния курс по квантови изчисления в Калтек, а класната им стая е препълнена със студенти. Но през 2021 г. Amazon обяви, че открива голяма лаборатория за квантови изчисления в кампуса на Калтек. Прескил вече е стипендиант на Amazon; Китаев остава в Google. Двамата физици, които преди са имали съседни кабинети, днес работят в отделни сгради. Те продължават да са колегиални, но усетих, че има определени изследователски теми, по които вече не могат да се съветват.

В началото на 2020 г. учените от „Пфайзер“ започнаха да произвеждат стотици експериментални фармацевтични продукти, предназначени за лечение на Ковид-19. През юли същата година те синтезираха седем милиграма от изследователски химикал с етикет PF-07321332, един от двадесетте препарата, които компанията е произвела през тази седмица. PF-07321332 остава анонимен флакон в лабораторен хладилник до септември, когато експериментите показват, че той е ефективен за потискане на Covid-19 при плъхове. Впоследствие химикалът е комбиниран с друго вещество и е преименуван на Paxlovid – лекарствен коктейл, който намалява хоспитализациите, свързани с Covid-19, с около деветдесет процента. Paxlovid е спасително средство, но с помощта на квантов компютър трудоемкият процес на проби и грешки, довел до разработването му, би могъл да бъде съкратен. „Ние само гадаем за неща, които могат да бъдат директно проектирани“, каза ми Питър Барет, рисков капиталист, който е в борда на стартъпа PsiQuantum. „Догаждаме се за неща, от които нашата цивилизация изцяло зависи – но това в никакъв случай не е оптимално“.

Квантовите компютри, устойчиви на грешки, би трябвало да могат да симулират молекулярното поведение на промишлените химикали с безпрецедентна точност, насочвайки учените към по-бързи резултати. През 2019 г. изследователите прогнозираха, че само с хиляда толерантни към грешки кюбита за първи път ще може да се моделира точно метод за производство на амоняк за селскостопански цели, наречен процес на Хабер-Бош. Усъвършенстването на този процес би довело до значително намаляване на емисиите на въглероден диоксид. Литият, основен компонент на батериите за електрически автомобили, е прост елемент с атомен номер три. Един устойчив на грешки квантов компютър, дори примитивен, може да покаже как да се разшири капацитетът му за съхранение на енергия, като се увеличи пробегът на автомобила. Квантовите компютри биха могли да се използват за разработване на биоразградими пластмаси или безвъглеродно авиационно гориво. Друго приложение, предложено от консултантската компания McKinsey, е „симулиране на повърхностно-активни вещества за разработване на по-добър препарат за почистване на килими“. „Имаме основателни причини да смятаме, че квантовият компютър би могъл ефективно да симулира всеки процес, който се случва в природата“, пише Прескил преди няколко години.

Светът, в който живеем, е в макроскопичен мащаб. Това е светът на обикновената кинетика: билярдни топки и ракетни кораби. Светът на субатомните частици е квантовият мащаб. Това е светът на странните ефекти: интерференция, неопределеност и заплитане. На границата на тези два свята се намира това, което учените наричат „наноскопичен“ мащаб – светът на молекулите. В по-голямата си част молекулите се държат като билярдни топки, но ако ги приближите достатъчно едни до други, ще забележите квантови ефекти. Изследователите очакват, че именно в наноскопичния мащаб квантовите компютри ще решат първите си значими проблеми в областта на фармацевтиката и проектирането на материали, може би само с няколкостотин устойчиви на грешки кюбита. И именно в тази област – квантовата молекулярна химия – анализаторите очакват да бъдат направени първите истински пари в квантовите изчисления. Квантовата физика печели Нобел. Квантовата химия ще напише чековете.

Потенциалният неочакван приход от лицензионни възнаграждения развълнува инвеститорите. Освен технологичните гиганти, множество стартиращи компании се опитват да създадат квантови компютри. Квантовото издание Quantum Insider изброява повече от шестстотин компании в сектора, а според друга оценка в разработването на квантови технологии в световен мащаб са инвестирани тридесет милиарда долара. Много от тези предприятия са спекулативни. IonQ, базирана в Колидж Парк, Мериленд, излезе на борсата миналата година, въпреки че почти няма продажби. Изследователите там изчисляват с кюбити, получени чрез подхода „уловени йони“, като подреждат атоми на редкия елемент итербий в подредена редица, след което ги манипулират с лазер. Джунгсанг Ким, главен оперативен директор на IonQ, ми каза, че неговите йонни капани поддържат заплитането по-добре от процесорите на Google, но призна, че с добавянето на повече кюбити лазерната система се усложнява. „Усъвършенстването на контролера, това е нашият проблем“, каза той.

В PsiQuantum, в Пало Алто, инженерите създават кюбити от фотони, безтегловните частици на светлината. „Предимството на този подход е, че използваме вече съществуваща технология за производство на силиций“, казва Пийт Шадболт, главен научен директор на компанията. „Освен това можем да работим при малко по-високи температури.“ PsiQuantum е набрала половин милиард долара. Съществуват и други, по-странни подходи. Майкрософт, въз основа на работата на Китаев, се опитва да конструира „топологичен“ кюбит, който изисква синтезирането на неуловима частица, за да работи. Intel опитва подхода „силициев спин“, който вгражда кюбити в полупроводници. Конкуренцията доведе до наддаване за таланти. „Ако имате диплома за висше образование по квантова физика, можете да излезете на пазара на труда и да получите пет предложения за три седмици“, казва Ким.

Дори и най-оптимистичните анализатори смятат, че квантовите изчисления няма да донесат значими печалби през следващите пет години, а песимистите предупреждават, че това може да отнеме повече от десетилетие. Изглежда вероятно, че ще бъде разработено много скъпо оборудване с малка трайна цел. „Разхождате се по коридора в Музея за история на компютрите в Маунтин Вю и виждате живачна закъснителна линия“, казва Шадболт, като се позовава на остаряло приспособление от четиридесетте години на миналия век, което съхранява информация с помощта на звукови вълни. „Обичам да си мисля за момчетата, които са го създали.“

Трудно е да се определи кой подход е водещ в момента, дори и за вътрешни хора. „‘Повратна точка‘ [Pivot] е думата в Силициевата долина за близко до смъртта преживяване“, казва Невен. „Но ако един ден видим, че свръхпроводящите кюбити са изпреварени от някоя друга технология, например фотониката, аз бих стигнал до повратната точка на мига.“ Всъщност Невен изглежда облекчен от конкуренцията. Лабораторията му е скъпа, а квантовите изчисления са от онези проекти, които процъфтяват в ерата на ниските лихвени проценти. „Заради сегашната финансова ситуация стартиращите фирми в нашата област по-трудно намират инвеститори“, каза ми Деворет, експерименталният физик. Но докато Amazon инвестира в квантовите изчисления, е сигурно, че и Google ще продължи да ги финансира. Налице е и мълчаливата подкрепа на държавата – разузнавателният апарат на САЩ е превърнал квантовото декриптиране в свой приоритет, независимо от колебанията на пазара. Всъщност най-сериозната конкуренция на Невен идва не от частния сектор, а от Китайската комунистическа партия. Джон Мартинис, бивш ръководител на отдела за квантови изчисления в Google, казва: „По отношение на създаването на висококачествени кюбити може да се каже, че китайците са начело.“

В кампусите на Китайския университет за наука и технологии паралелно се разработват четири конкурентни технологии за квантови изчисления. В статия, публикувана в списание Science, през 2020 г. екип, ръководен от учените Лу Чао-Ян и Пан Джиан-Уей, обяви, че техният процесор е решил изчислителна задача милиони пъти по-бързо от най-добрия суперкомпютър. Пан е един от най-смелите изследователи в областта на квантовото заплитане. През 2017 г. неговият екип проведе експеримент, при който заплете два фотона в обсерватория в Тибет и предаде единия от тях на орбитален спътник. След това учените прехвърлиха атрибути от трети фотон на Земята към този в космоса, използвайки техниката „квантова телепортация“.

По-рано тази година с Лу разговаряхме чрез видео. Той се присъедини към разговора със закъснение и беше покрит с пот, след като се беше прибрал вкъщи от задължителен тест за Ковид. Лу веднага започна да опровергава твърденията на конкурентите си и дори твърденията за собствените си усилия. Една от широко разпространените цифри гласеше, че Китай е инвестирал петнадесет милиарда долара в разработването на квантов компютър. „Нямам представа как е започнало това“, каза Лу. „Действителните пари са може би двадесет и пет процента от тях.“

Дзиужан, фотонният квантов компютър на Лу, несъмнено е един от най-бързите в света, но Лу неведнъж е упреквал колегите си, че преувеличават възможностите на технологията. По време на разговора ни той показа видеоклип на жена, която се опитва да подреди десет котенца в редица. „Това е проблемът, с който се сблъскваме“, каза той. Едно котенце се изниза назад и жената се втурна да го хване. „Искате да контролирате множество кюбити с висока точност – каза Лу, – но те трябва да бъдат много добре изолирани от околната среда.“ Докато жената наместваше първото коте, няколко други избягаха.

Лу предупреди, че квантовите компютри са изправени пред силна конкуренция от страна на обикновените силициеви чипове. Най-ранните електронни компютри от четиридесетте години е трябвало да победят само хората. Квантовите компютри трябва да докажат превъзходството си пред суперкомпютрите, които могат да извършват квинтилиони изчисления в секунда. „Виждаме доста малко квантови алгоритми, при които има доказателство за експоненциално ускорение“, казва той. „В много случаи не е ясно дали не би било по-добре да се използва обикновен компютър.“ Лу също така оспори твърдението на Мартинис, че Китай произвежда най-добрите кюбити. „Всъщност мисля, че Google е начело“, каза той.

Невен е съгласен. „Някъде през следващата година мисля, че ще направим първия напълно устойчив на грешки кюбит“, казва той. Оттук нататък Google планира да увеличи усилията си в областта на изчислителната техника, като свързва процесори един с друг. В съседство със склада, който посетих, се намираше второ, по-голямо пространство, което в момента е само прашна строителна площадка. Там Google планира да изгради компютър, за който ще е необходим фризер с размерите на автомобилен гараж. Хиляда устойчиви на грешки кюбита трябва да са достатъчни за провеждане на точни симулации на молекулярна химия. Десет хиляди устойчиви на грешки кюбита биха могли да започнат да правят нови открития във физиката на елементарните частици. Оттам нататък изследователите биха могли да започнат да изпълняват алгоритъма на Шор с пълна мощност, разкривайки тайните на нашата ера. „Напълно възможно е да умра, преди това да се случи“, каза ми Шор, който е на шейсет и три години. „Но много бих искал да видя как това се случва и мисля, че също така е напълно възможно да живея достатъчно дълго, за да го видя.“

 

Източник

 

Стивън Вит е автор, телевизионен продуцент и разследващ журналист от Лос Анджелис.


Pin It

Прочетете още...