Квантовият пробив на Google може да отприщи революция в компютърните изчисления

Малко са разработките по света, които предизвикват същото вълнение като квантовите изчисления в постоянно развиващия се свят на машините. Тази модерна форма на технология има потенциала да промени начина, по който обработваме информация, решаваме проблеми и дори възприемаме света. А новината за „умопомрачителния“ чип Willow на Google даде свеж и силен импулс на интереса към темата.

Според експерти в тази област едно от най-големите оставащи технически препятствия в надпреварата за създаване на практически квантови компютри е преодоляно, което може да отвори пътя за първите пълномащабни системи до края на това десетилетие.

Последният знак за нарастващия оптимизъм в продължаващия вече десетилетия стремеж към създаването на практически компютри, базирани на принципите на квантовата механика, идва в резултат именно на твърдението на Google, че е преминал важен етап в преодоляването на присъщата на квантовите системи нестабилност.

Откритията привличат вниманието в света на квантовите компютри, откакто бяха публикувани неофициално през август. Този понеделник те видяха бял свят в авторитетното списание Nature. Но първо...

Какво точно представляват квантовите изчисления?

Квантовата технология използва принципите на квантовата механика – фундаментална теория във физиката. За разлика от класическия компютър, който използва топографска точка за складиране на информация като битов (0 или 1), квантовият компютър използва квантови битове или кюбити – те могат да бъдат 0, 1 или тяхна суперпозиция, т.е. и двете едновременно.

Способността на кюбитите да съществуват едновременно в няколко позиции, благодарение на комбинацията от феномена на огромната суперпозиция и интернет, ги различава от всичко познато до момента.

Суперпозиция

Представете си, че хвърляте монета. Когато тя се завърти във въздуха, се виждат и двете ѝ страни. Това е подобно на суперпозицията в квантовите технологии. Един кюбит може да бъде 0 или 1. Това уникално свойство позволява на квантовите компютри да извършват големи обеми изчисления и това неминуемо увеличава тежестта им в областта на компютърните науки.

Заплитане

Това е явление, което Алберт Айнщайн нарича „призрачно действие на разстояние“. Когато кюбитите се заплетат, състоянието на един кюбит се свързва със състоянието на друг, без значение на какво разстояние се намират те. Това означава, че промяната на един кюбит ще се отрази мигновено другия в двойката. Тази взаимосвързаност позволява на квантовите компютри да решават сложни проблеми по-ефективно от класическите системи.

Механиката зад квантовите компютри

Квантовите изчисления функционират чрез специализиран хардуер, предназначен за манипулиране на кюбити с помощта на квантови врати - градивните елементи за квантовите схеми. Тези гейтове позволяват сложни операции с кюбити, което дава възможност за изпълнението на квантови алгоритми, които могат да решават проблеми, считани за твърде трудни за класическите компютри.

Сферата на Блох

За да разберем по-добре кюбитите, можем да ги визуализираме с помощта на сферата на Блох – геометрична репрезентация, при която всяка точка от повърхността съответства на възможно състояние на кюбит. Полюсите представляват чисти състояния (0 или 1), докато точките по екватора представляват суперпозиции. Тази визуализация помага както на изследователите, така и на ентусиастите да разберат как функционират кюбитите в различни състояния.

Повратна точка?

Тази седмица Google публикува подробности за новия, по-мощен квантов чип, който е създал, за да извърши демонстрацията си, и който според екипа ще помогне на компанията да разшири съществуващата си технология, за да достигне практическа полезност.

Експерти в областта сравниха постижението на Google с друг важен научен етап – първата ядрена верижна реакция, създадена от човека през 1942 г. Този пробив също е бил отдавна предвиден на теория, но е бил необходим постоянен напредък в оборудването в продължение на много години, за да стане възможна практическата му демонстрация.

Това беше теоретично допуснато още през 90-те години“, казва Уилям Оливър, професор по физика в Масачузетския технологичен институт, за квантовата демонстрация на Google. „Чакахме този резултат в продължение на много години.“

„Често са необходими десетилетия, за да може техниката да настигне теорията. Точно това виждаме тук“, казва Скот Ааронсън, професор по компютърни науки в Тексаския университет в Остин, пред Financial Times.

Откакто идеята за квантовите компютри е разгърната за първи път, една от най-големите пречки е изграждането на системи, които са достатъчно стабилни, за да се справят с мащабни изчислителни операции. Едно от основните предизвикателства е, че кюбитите, върху които са изградени системите, запазват квантовите си състояния само за малки части от секундата, което означава, че всяка информация, която съдържат, бързо се губи.

Колкото повече кюбити участват в едно изчисление и колкото повече изчислителни операции се извършват, толкова по-голям е „шумът“, който се появява при натрупването на грешки. Учените отдавна търсят как да преодолеят това предизвикателство, като използват техника, известна като корекция на грешки. Тя включва кодиране на една и съща информация в повече от един кюбит, така че системата като цяло да запази достатъчно информация, за да извърши съгласувано изчисление, дори когато отделните кюбити се „разслояват“.

За да работи корекцията на грешки обаче, отделните кюбити трябва да са достатъчно качествени, за да може комбинираният им резултат да бъде полезен, а не да се превръща в „шум“.

В статията си в Nature изследователите на Google заявяват, че за първи път са преминали този важен праг. Според тях при преминаването от мрежа от кюбити 3х3 към 5х5 и 7х7 честотата на грешките е намалявала два пъти на всяка стъпка.

В началото на миналата година Google съобщи, че е направил първата, предварителна стъпка към ефективна корекция на грешките. Последните резултати обаче са много по-солидно доказателство, че може да преодолее присъщата на системата нестабилност, докато разширява технологията до хиляди кюбити, които ще са необходими за извършване на полезни изчисления, посочва Джулиан Кели, директор на квантовия хардуер в Google. Следващите стъпки ще бъдат да се намали още повече процентът на грешките.

Ефектът

Потенциалните приложения на квантовите изчисления са огромни и разнообразни, като засягат множество области. Ето някои от тях:

Революция в откриването на лекарства

В здравеопазването квантовите изчисления обещават да променят процесите на откриване на лекарства. Традиционните методи често разчитат на подходи от типа „проба-грешка“, които могат да отнемат много време и да бъдат скъпи. Квантовите компютри могат да симулират молекулярни взаимодействия с невероятна прецизност. Това може да доведе до пробив в справянето с нелечими към този момент заболявания.

Напредък в материалознанието

Науката за материалите също може да извлече значителни ползи от квантовите изчисления. Чрез симулиране на атомни взаимодействия на безпрецедентно ниво на детайлност изследователите могат да открият нови материали с адаптирани свойства – представете си по-здрави сплави или по-ефективни свръхпроводници. Тези постижения могат да доведат до иновации във всички области – от електрониката до технологиите за възобновяема енергия.

Оптимизиране на сложни системи

В индустрии като логистиката и финансите проблемите за оптимизация са многобройни – намирането на най-ефективните маршрути за камиони за доставка или максимизирането на инвестиционни портфейли са само няколко примера. Квантовите компютри се справят отлично с решаването на тези видове проблеми, като обработват едновременно огромни масиви от данни и определят оптимални решения много по-бързо, отколкото класическите системи.

Усъвършенстване на криптографията

С нарастването на зависимостта ни от цифровата комуникация нараства и необходимостта от сигурно предаване на данни. Квантовата криптография използва принципи от квантовата механика за създаване на сигурни комуникационни канали чрез техники като квантово разпределение на ключове (QKD). QKD гарантира, че всеки опит за подслушване ще бъде открит поради промените в квантовите състояния, осигурявайки безпрецедентно ниво на сигурност.

Укрепване на изкуствения интелект

Изкуственият интелект (AI) и машинното обучение вече преобразяват всички отрасли, но квантовите изчисления могат да издигнат тези технологии до нови висоти. Чрез подобряване на възможностите за обработка на данни и оптимизиране на алгоритмите за по-добра работа със сложни масиви от данни, квантовите изчисления могат да отключат нови възможности в приложенията на AI – от обработка на естествен език до прогнозен анализ.