Kwantumfysica regelt alles om ons heen. Is het mogelijk om het hele universum in een kwantumcomputer te veranderen, zullen buitenaardse wezens het opmerken, en waarom zijn dergelijke machines überhaupt nodig - Jacob Biamonte, een Skoltech-professor, een van de leidende experts op dit gebied, beantwoordt deze vragen en vertelt hoe hij in Rusland terecht is gekomen.
Glansrijke toekomst
“Ik kwam meer dan tien jaar geleden voor het eerst naar Rusland, en helemaal niet om natuurkunde te doen. Ik ben dol op vechtsporten, inclusief sambo, en kwam hier om te studeren en ervaringen uit te wisselen. Later leerde ik dat er hier alle voorwaarden zijn om aan geavanceerde wetenschap te doen en wetenschappers van over de hele wereld aan te trekken voor samenwerking”, zegt de wetenschapper.
Tegenwoordig staat hij aan het hoofd van de Deep Quantum Labs, die twee jaar geleden in het kader van Skoltech zijn opgericht om de inspanningen van Russische en buitenlandse natuurkundigen, wiskundigen, programmeurs en ingenieurs te verenigen die de problemen bestuderen die samenhangen met de ontwikkeling van kwantumcomputersystemen.
“We houden ons niet bezig met de praktijk, maar met alle theoretische en 'software'-aspecten van kwantumcomputers, en we werken samen met onderzoekers, waaronder wetenschappers van Skoltech en specialisten van de Moscow State University, RCC en ITMO. We staan open voor samenwerking en staan klaar om experimenteerders te helpen die dergelijke kwesties bestuderen”, vervolgt de professor.
Wat is een kwantumcomputer? Door zijn aard verschilt het radicaal van klassieke computerapparatuur, die eenvoudige of complexe wiskundige bewerkingen mogelijk maakt op getallen of datasets uitgedrukt in nullen en enen.
In de kwantumneefjes van klassieke computers, waarvan de principes meer dan 30 jaar geleden werden geformuleerd door de Sovjetfysicus Yuri Manin, wordt informatie op een fundamenteel andere manier gecodeerd. Elementaire geheugencellen, de zogenaamde qubits, kunnen niet nul of één bevatten, maar een heel spectrum aan waarden in het interval ertussen.
Promotie video:
Als gevolg hiervan groeit de kracht van dergelijke computers exponentieel: het gedrag van een kwantumprocessor met enkele tientallen qubits kan zelfs met behulp van de krachtigste klassieke supercomputers niet worden berekend.
Dergelijke machines bleven lange tijd het onderwerp van science fiction en theoretisch onderzoek van natuurkundigen, maar in de afgelopen 15 jaar hebben wetenschappers een doorbraak bereikt door qubits te maken en ze te combineren tot complexere systemen. De meest geavanceerde versies van kwantumcomputers die zijn ontwikkeld door Google, IBM en aan de Harvard University door de groep van Mikhail Lukin bevatten 20 tot 50 qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, hoogleraar natuurkunde aan het Skolkovo Institute of Science and Technology.
Ondanks deze vorderingen gaan de ontwikkelaars van deze machines ervan uit dat volwaardige computersystemen die elk probleem kunnen oplossen, niet snel zullen verschijnen, over 10-20 jaar. Interessant is dat deze schatting niet is veranderd sinds het einde van de jaren negentig, maar er doen zich voortdurend nieuwe problemen voor, die elke keer de nooit komende "heldere kwantumtoekomst" terzijde schuiven.
Zoals Biamonte opmerkte in zijn populair-wetenschappelijke lezingen, neemt hij een speciaal standpunt in: naar zijn mening zullen 'nuttige' kwantumcomputersystemen veel eerder verschijnen, maar ze zullen helemaal niet zijn wat het grote publiek en de media zich ze voorstellen.
“Tegenwoordig is er één groot probleem in de natuurkunde, en dat is tegelijkertijd het belangrijkste voordeel. Experimenteerders voeren alles uit. Om de een of andere reden denken ze dat experimenten belangrijker zijn voor de wetenschap dan theorie. Dankzij het geld dat in dit gebied is geïnvesteerd, is de theoretische fysica zo goed als vernietigd”, zegt Biamonte.
De professor zelf noemt zichzelf een vertegenwoordiger van de klassieke theoretische fysica, wiens ideeën de wetenschap een eeuw geleden domineerden, in de eerste stadia van de geboorte van de kwantummechanica en de moderne Einstein-fysica. In de afgelopen decennia moesten mensen zoals hij verhuizen naar wiskunde-afdelingen, waar ze zich veel comfortabeler voelen.
“Experimenten, inclusief de makers van kwantumcomputers, geven alleen om hun eigen ontwerpen. Op enkele uitzonderingen na zijn ze niet geïnteresseerd in wat er bekend is over de mogelijkheden van dergelijke apparaten in het algemeen. Dit beïnvloedt hun mentaliteit en zorgt ervoor dat ze geen rationele, maar emotionele beoordelingen geven”, legt de onderzoeker uit.
Er is bijvoorbeeld nog steeds geen eenduidig bewijs dat kwantumcomputers beter presteren dan hun klassieke tegenhangers op het gebied van computersnelheid. Tegelijkertijd specificeert Biamonte dat als we alle vereenvoudigde modellen generaliseren die een aantal aspecten van deze superioriteit aantonen, we behoorlijk overtuigend bewijs zullen krijgen ten gunste van de superioriteit van kwantumberekeningen.
“Enerzijds hebben Aleksej Ustinov, Aleksandr Zagoskin en andere leiders op dit gebied gelijk: een kwantumcomputer komt echt niet snel. Aan de andere kant hebben we het in dit geval over universele machines die in staat zijn om hun eigen fouten te corrigeren”, merkt de natuurkundige op.
Het ontbreken van een dergelijk vermogen in een computer, benadrukt Biamonte, maakt het niet absoluut nutteloos of inferieur.
Atomaire rekenmachine
“Er zijn talloze voorbeelden van verschillende kwantumsystemen in de natuur die deze mogelijkheid niet hebben. Hun gedrag is erg moeilijk te berekenen met gewone computers. Daarom zal het creëren van een kwantumsysteem dat dergelijke processen simuleert, ons in staat stellen de juiste berekeningen uit te voeren en iets bruikbaars te krijgen”, zegt de wetenschapper.
Dit idee is verre van nieuw - het werd geuit door de beroemde Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman, slechts twee jaar na de publicatie van Manins eerste artikelen. Zoals Biamonte opmerkte, hebben experimentatoren dergelijke systemen de afgelopen jaren actief ontwikkeld, en theoretici denken na over waar ze kunnen worden toegepast.
Dergelijke analoge computerapparatuur, de zogenaamde adiabatische computers, of "annealing" in het jargon van natuurkundigen, hoeven geen kwantumeffecten te gebruiken - voor veel problemen zijn de klassieke interacties tussen atomen voldoende.
“Er zijn drie soorten computers van dit type: klassieke gloeimachines, hun kwantumversnelde tegenhangers en volwaardige kwantumprocessors op basis van kwantumlogica-poorten. De laatste zijn gemaakt in IBM-laboratoria, de eerste - in Fujitsu, de tweede - in D-Wave”, zegt de wetenschapper.
Biamonte en zijn Skoltech-collega's zijn het meest geïnteresseerd in machines van de derde klasse. Dergelijke apparaten, zei hij, zijn vrij moeilijk te maken, maar ze kunnen worden gebruikt om de meest complexe optimalisatieproblemen op te lossen: van machine learning tot de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.
“Deze machines zijn erg interessant, maar de eerste echte apparaten van dit type zullen pas over een paar jaar verschijnen. Aan de andere kant is het nu mogelijk om klassieke en kwantumgloeiers te maken. En nu, in de praktijk, blijven ze de meest bruikbare kwantumcomputers,”voegt Biamonte toe.
Veel processen in de deeltjesfysica, vervolgt de onderzoeker, zijn van nature zo geprogrammeerd dat ze zichzelf optimaliseren en streven naar een minimaal energieverbruik. Dienovereenkomstig, als we leren deze processen te beheersen, kunnen we een reeks atomen of andere objecten deze berekeningen voor ons laten doen.
“Waarom zou je een enorme hoeveelheid CPU-tijd verspillen aan een dergelijke optimalisatie, als het kan worden gedaan door een klassiek gloei-apparaat of een kwantumapparaat vergelijkbaar met D-Wave? Figuurlijk gesproken, waarom, wanneer we de wind bestuderen, een virtuele windtunnel gebruiken, als we al een echte hebben? Veel Russische bedrijven denken daarover na en we werken actief met hen samen”, benadrukt de wetenschapper.
Succesvolle afronding van deze experimenten zal de weg banen voor de ontwikkeling van kwantumgloeimiddelen, waarin de principes van de kwantumfysica worden gebruikt om interacties tussen atomen en andere deeltjes te versnellen. Natuurlijk zullen sommige wetenschappelijke taken niet beschikbaar zijn, maar ze zullen in staat zijn om veel alledaagse problemen op te lossen, zoals verkeersoptimalisatie of voorraadbeheer.
De meeste waarnemers, merkt de professor van Skoltech op, denken dat Google zal winnen in de kwantumrace. Biamonte is het daar niet mee eens: de vertegenwoordigers van het Californische bedrijf praten graag over hun successen, maar ze publiceren bijna nooit wetenschappelijke artikelen en onthullen de geheimen van het apparaat van hun kwantummachines niet.
Volgens hem zijn de technici van IBM het dichtst bij het doel: de computers van dit bedrijf werken echt en kunnen op elk moment worden gecontroleerd via speciale cloudsystemen. Maar de schaal is nog vrij beperkt en deze machines kunnen nog niet worden ingezet om complexe problemen op te lossen.
Denkende sterrenstelsels
Als in de nabije toekomst dergelijke "serieuze" systemen worden gecreëerd, rijst een natuurlijke vraag: waar kunnen ze van worden gemaakt, welke afmetingen kunnen ze bereiken en hoe zullen ze ons leven beïnvloeden?
Volgens Biamonte zelf zijn er geen fundamentele fysieke beperkingen voor kwantumcomputers (of annealing-apparaten) met miljoenen qubits. Aan de andere kant is het volkomen onbegrijpelijk hoeveel qubits er in werkelijkheid zullen zijn, aangezien we ons nu in de allereerste stadia van de ontwikkeling van kwantumtechnologieën bevinden.
“Tot nu toe proberen we de technologieën die al in de elektronica-industrie beschikbaar zijn, aan te passen om met kwantumcomputers te werken. Niemand weet echter zeker dat dit de juiste manier is. Er zijn systemen die veel beter geschikt zijn om kwantummachines te bouwen. Ze zijn echter veel moeilijker te beheren”, legt de wetenschapper uit.
Speciale defecten binnen diamanten zijn bijvoorbeeld bijna net zo goed geïsoleerd van de buitenwereld als afzonderlijke atomen in het vacuüm van de ruimte. Hoeveel van dergelijke punten in één diamant passen en hoe dicht ze bij elkaar kunnen zijn zonder het werk van buren te verstoren, is nog onduidelijk. Het antwoord op deze vragen bepaalt of diamanten zullen worden gebruikt in kwantumcomputers.
Echt grote kwantummachines, zoals opgemerkt door de professor van Skoltech, zullen niet alleen praktische problemen oplossen die verband houden met het dagelijkse menselijke leven, maar ook de meest interessante wetenschappelijke puzzels.
Misschien zullen ze de kwantum-aard van zwaartekracht onthullen en Biamonte's theorieën over tijdsymmetrie testen, waarbij ze observeren of er speciale verstoringen optreden in hun werk wanneer ze proberen deze symmetrie te doorbreken of de tijd omkeren bij het uitvoeren van berekeningen op dergelijke machines.
Wat zal de wetenschap vervolgens doen als de mensheid deze taken heeft uitgevoerd? Deze vraag, zegt Biamonte, houdt paradoxaal genoeg verband met de zoektocht naar buitenaards leven en hoe vertegenwoordigers van buitenaardse beschavingen hun bestaan kunnen signaleren.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte en zijn collega's van de Deep Quantum Labs.
“Stel je voor dat we alle energie en kracht van het universum zullen onderwerpen. Wat gaan we eerst doen? Natuurlijk kunnen we onszelf vernietigen, maar er is een interessanter scenario. We krijgen bijvoorbeeld de kans om de beweging van de aarde tot ultrahoge snelheden te versnellen en een computer in een baan om de aarde te laten”, zegt de natuurkundige.
Volgens de relativiteitstheorie zal de tijd op de planeet vertragen. Als we tientallen jaren in deze toestand doorbrengen, zal een kwantumcomputer of een gewone computer in de "buitenwereld" enkele millennia lang werken. Bovendien is dit niet noodzakelijk een door de mens gemaakte computer, zijn rol kan worden gespeeld door verschillende ruimtevoorwerpen - bijvoorbeeld gigantische gaswolken.
“Hoe vaak kun je dit doen? Er is geen expliciete limiet aan een dergelijke "versnelling van berekeningen", maar we weten allemaal dat het late heelal niet erg interessant voor ons zal zijn. De sterren zullen geleidelijk beginnen te vervagen, en de sterrenstelsels zullen voor elkaar onzichtbaar worden door de uitdijing van het heelal”, merkt de professor op.
Soortgelijke reflecties roepen een natuurlijke vraag op: als de mensheid het kan, wat weerhoudt buitenaardse wezens dan hetzelfde te doen? Dienovereenkomstig moeten enkele sporen van dergelijke "ruimte" -quantumcomputers of hun klassieke tegenhangers in de ruimte aanwezig zijn. Wat zou hierop duiden, de gigantische kwantumcomputers van buitenaardse wezens?
“Ik kan geen exact antwoord geven op de vraag wat het zou kunnen zijn of suggereren hoe ik ze moet zoeken. Tegelijkertijd lijkt het bestaan van dergelijke "universele rekenmachines" mij veel waarschijnlijker dan de spontane opkomst van "intelligente planeten" en andere kosmische objecten die zich van zichzelf bewust kunnen zijn, hetgeen vaak wordt besproken door "kwantumfilosofen", "besluit Biamonte.
