Die Quantenphysik regiert alles, was uns umgibt. Ist es möglich, das gesamte Universum in einen Quantencomputer zu verwandeln, werden Außerirdische es bemerken und warum solche Maschinen überhaupt benötigt werden - Jacob Biamonte, Skoltech-Professor, einer der führenden Experten auf diesem Gebiet, beantwortet diese Fragen und erzählt, wie er in Russland gelandet ist.
Strahlende Zukunft
„Ich bin vor mehr als zehn Jahren zum ersten Mal nach Russland gekommen und überhaupt nicht, um Physik zu machen. Ich mag Kampfkünste, einschließlich Sambo, und bin hierher gekommen, um zu studieren und Erfahrungen auszutauschen. Später erfuhr ich, dass es hier alle Voraussetzungen gibt, um fortgeschrittene Wissenschaft zu betreiben und Wissenschaftler aus aller Welt zur Zusammenarbeit zu bewegen “, sagt der Wissenschaftler.
Heute leitet er die Deep Quantum Labs, die vor zwei Jahren im Rahmen von Skoltech eingerichtet wurden, um die Bemühungen russischer und ausländischer Physiker, Mathematiker, Programmierer und Ingenieure zu vereinen, die die Probleme im Zusammenhang mit der Entwicklung von Quantencomputersystemen untersuchen.
„Wir beschäftigen uns nicht mit der Praxis, sondern mit allen theoretischen und‚ Software'-Aspekten des Quantencomputers und interagieren mit Experimentatoren, darunter Wissenschaftler von Skoltech und Spezialisten der Moskauer Staatsuniversität, des RCC und des ITMO. Wir sind offen für Zusammenarbeit und bereit, Experimentatoren zu helfen, die sich mit solchen Themen befassen “, fährt der Professor fort.
Was ist ein Quantencomputer? Es unterscheidet sich von Natur aus grundlegend von klassischen Computergeräten, die einfache oder komplexe mathematische Operationen an Zahlen oder Datensätzen ermöglichen, die als Nullen und Einsen ausgedrückt werden.
In den Quantencousins klassischer Computer, deren Prinzipien vor mehr als 30 Jahren vom sowjetischen Physiker Juri Manin formuliert wurden, werden Informationen grundlegend anders codiert. Elementare Speicherzellen, die sogenannten Qubits, können weder Null noch Eins enthalten, sondern ein ganzes Spektrum von Werten im Intervall zwischen ihnen.
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Infolgedessen wächst die Leistung solcher Computer exponentiell: Das Verhalten eines Quantenprozessors mit mehreren zehn Qubits kann selbst mit Hilfe der leistungsstärksten klassischen Supercomputer nicht berechnet werden.
Solche Maschinen blieben lange Zeit Gegenstand von Science-Fiction und theoretischer Forschung von Physikern, aber in den letzten 15 Jahren haben Wissenschaftler einen Durchbruch bei der Schaffung von Qubits und der Kombination dieser zu komplexeren Systemen erzielt. Die fortschrittlichsten Versionen von Quantencomputern, die von Mikhail Lukins Gruppe bei Google, IBM und an der Harvard University entwickelt wurden, enthalten 20 bis 50 Qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, Professor für Physik am Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie.
Trotz dieser Fortschritte gehen die Entwickler dieser Maschinen davon aus, dass vollwertige Computersysteme, die in der Lage sind, jedes Problem zu lösen, in 10 bis 20 Jahren nicht in Kürze verfügbar sein werden. Interessanterweise hat sich diese Schätzung seit Ende der neunziger Jahre nicht geändert, aber es treten ständig neue Probleme auf, die jedes Mal die nie kommende „glänzende Quantenzukunft“beiseite schieben.
Wie Biamonte in seinen populärwissenschaftlichen Vorlesungen feststellte, nimmt er eine Sonderstellung ein: Seiner Meinung nach werden "nützliche" Quantencomputersysteme viel früher erscheinen, aber sie werden überhaupt nicht so sein, wie sie sich die breite Öffentlichkeit und die Medien vorstellen.
„Heute gibt es ein großes Problem in der Physik, das gleichzeitig der Hauptvorteil ist. Experimentatoren betreiben alles. Aus irgendeinem Grund denken sie, dass Experimente für die Wissenschaft wichtiger sind als die Theorie. Dank des in diesem Bereich investierten Geldes wurde die theoretische Physik praktisch zerstört “, sagt Biamonte.
Der Professor selbst bezeichnet sich selbst als Vertreter der klassischen theoretischen Physik, deren Ideen vor einem Jahrhundert die Wissenschaft beherrschten, in den ersten Stadien der Geburt der Quantenmechanik und der modernen Einsteinschen Physik. In den letzten Jahrzehnten mussten Leute wie er in mathematische Abteilungen ziehen, wo sie sich viel wohler fühlen.
„Experimentatoren, einschließlich der Entwickler von Quantencomputern, kümmern sich nur um ihre eigenen Designs. Mit wenigen Ausnahmen interessieren sie sich nicht für das, was über die Fähigkeit solcher Geräte im Allgemeinen bekannt ist. Dies wirkt sich auf ihre Mentalität aus und führt dazu, dass sie keine rationalen, sondern emotionale Bewertungen abgeben “, erklärt der Forscher.
Zum Beispiel gibt es immer noch keinen eindeutigen Beweis dafür, dass Quantencomputer ihre klassischen Gegenstücke in Bezug auf die Rechengeschwindigkeit übertreffen können. Gleichzeitig spezifiziert Biamonte, wenn wir alle vereinfachten Modelle verallgemeinern, die einige Aspekte dieser Überlegenheit demonstrieren, werden wir ziemlich überzeugende Beweise für die Überlegenheit von Quantenrechnern erhalten.
„Einerseits haben Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin und andere Führungskräfte auf diesem Gebiet Recht: Ein Quantencomputer kommt wirklich nicht bald. Auf der anderen Seite handelt es sich in diesem Fall um universelle Maschinen, die in der Lage sind, ihre eigenen Fehler zu korrigieren “, stellt der Physiker fest.
Das Fehlen einer solchen Fähigkeit in einem Computer, betont Biamonte, macht ihn nicht absolut nutzlos oder minderwertig.
Atomic Addiermaschine
„Es gibt unzählige Beispiele für verschiedene Quantensysteme in der Natur, die diese Fähigkeit nicht besitzen. Ihr Verhalten ist mit normalen Computern sehr schwer zu berechnen. Die Schaffung eines Quantensystems, das solche Prozesse simuliert, ermöglicht es uns daher, die entsprechenden Berechnungen durchzuführen und etwas Nützliches zu erhalten “, sagt der Wissenschaftler.
Diese Idee ist alles andere als neu - sie wurde vom berühmten amerikanischen Physiker Richard Feynman nur zwei Jahre nach der Veröffentlichung von Manins ersten Artikeln geäußert. Wie Biamonte feststellte, haben Experimentatoren in den letzten Jahren solche Systeme aktiv entwickelt, und Theoretiker überlegen, wo sie angewendet werden können.
Solche analogen Computergeräte, die sogenannten adiabatischen Computer oder das "Tempern" im Fachjargon der Physiker, müssen keine Quanteneffekte verwenden - für viele Probleme sind die klassischen Wechselwirkungen zwischen Atomen ausreichend.
„Es gibt drei Arten von Computern dieser Art - klassische Glühmaschinen, ihre quantenbeschleunigten Gegenstücke und vollwertige Quantenprozessoren, die auf Quantenlogikgattern basieren. Letztere wurden in IBM-Labors erstellt, das erste - in Fujitsu, das zweite - in D-Wave “, sagt der Wissenschaftler.
Biamonte und seine Skoltech-Kollegen interessieren sich am meisten für Maschinen der dritten Klasse. Solche Geräte seien recht schwierig herzustellen, könnten aber zur Lösung der komplexesten Optimierungsprobleme eingesetzt werden: vom maschinellen Lernen bis zur Entwicklung neuer Medikamente.
„Diese Maschinen sind sehr interessant, aber die ersten echten Geräte dieses Typs werden erst in wenigen Jahren auf den Markt kommen. Auf der anderen Seite ist es derzeit möglich, klassische und Quanten-Annealer zu erstellen. In der Praxis sind sie nach wie vor die nützlichsten Quantencomputer “, fügt Biamonte hinzu.
Viele Prozesse in der Teilchenphysik, so der Forscher weiter, sind von Natur aus so programmiert, dass sie sich selbst optimieren und ein Energieminimum erreichen wollen. Wenn wir lernen, diese Prozesse zu steuern, können wir dementsprechend eine Reihe von Atomen oder andere Objekte diese Berechnungen für uns durchführen lassen.
„Warum viel CPU-Zeit für eine solche Optimierung verschwenden, wenn dies mit einem klassischen Glühgerät oder einem D-Wave-ähnlichen Quantengerät möglich ist? Im übertragenen Sinne, warum sollten Sie beim Studium des Windes einen virtuellen Windkanal verwenden, wenn wir bereits einen realen haben? Viele russische Unternehmen denken darüber nach und wir arbeiten aktiv mit ihnen zusammen “, betont der Wissenschaftler.
Der erfolgreiche Abschluss dieser Experimente wird den Weg für die Entwicklung von Quantenglühmitteln ebnen, bei denen die Prinzipien der Quantenphysik verwendet werden, um Wechselwirkungen zwischen Atomen und anderen Teilchen zu beschleunigen. Natürlich stehen ihnen einige wissenschaftliche Aufgaben nicht zur Verfügung, aber sie können viele alltägliche Probleme wie Verkehrsoptimierung oder Aktienportfoliomanagement lösen.
Die meisten Beobachter, so der Skoltech-Professor, glauben, dass Google im Quantenrennen gewinnen wird. Biamonte ist damit nicht einverstanden: Vertreter des kalifornischen Unternehmens sprechen sehr gern über ihre Erfolge, veröffentlichen jedoch fast keine wissenschaftlichen Artikel und enthüllen nicht die Geheimnisse des Geräts ihrer Quantenmaschinen.
Seiner Meinung nach sind IBM-Ingenieure dem Ziel am nächsten - die Computer dieses Unternehmens funktionieren wirklich und können jederzeit über spezielle Cloud-Systeme überprüft werden. Der Maßstab ist jedoch immer noch recht begrenzt, und diese Maschinen können noch nicht zur Lösung komplexer Probleme eingesetzt werden.
Denkende Galaxien
Wenn solche "ernsthaften" Systeme in naher Zukunft geschaffen werden, stellt sich natürlich die Frage: Woraus können sie bestehen, welche Größe können sie erreichen und wie werden sie unser Leben beeinflussen?
Laut Biamonte selbst gibt es keine grundlegenden physikalischen Einschränkungen für Quantencomputer (oder Annealing-Geräte) mit Millionen von Qubits. Andererseits ist es völlig unverständlich, wie viele Qubits es in der Realität geben wird, da wir uns jetzt in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung von Quantentechnologien befinden.
„Bisher versuchen wir, die in der Elektronikindustrie bereits verfügbaren Technologien für die Arbeit mit Quantencomputern anzupassen. Niemand ist sich jedoch sicher, dass dies der richtige Weg ist. Es gibt Systeme, die sich viel besser für den Bau von Quantenmaschinen eignen. Sie sind jedoch viel schwieriger zu handhaben “, erklärt der Wissenschaftler.
Zum Beispiel sind spezielle Defekte in Diamanten fast genauso gut von der Außenwelt isoliert wie einzelne Atome im Vakuum des Weltraums. Wie viele solcher Punkte in einen Diamanten passen und wie nahe sie beieinander liegen können, ohne die Arbeit der Nachbarn zu beeinträchtigen, ist noch unklar. Die Antwort auf diese Fragen bestimmt, ob Diamanten in Quantencomputern verwendet werden.
Wirklich große Quantenmaschinen werden, wie der Skoltech-Professor feststellt, nicht nur praktische Probleme im Zusammenhang mit dem menschlichen Alltag lösen, sondern auch die interessantesten wissenschaftlichen Rätsel.
Vielleicht werden sie die Quantennatur der Schwerkraft aufdecken und Biamontes Theorien der Zeitsymmetrie testen, indem sie beobachten, ob sie besonders gestört sind, wenn sie versuchen, diese Symmetrie zu brechen, oder die Zeit umkehren, wenn sie Berechnungen an solchen Maschinen durchführen.
Was wird die Wissenschaft als nächstes tun, wenn die Menschheit diese Aufgaben bewältigt hat? Biamonte glaubt, dass diese Frage paradoxerweise mit der Suche nach außerirdischem Leben zusammenhängt und wie Vertreter fremder Zivilisationen ihre Existenz signalisieren können.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte und seine Kollegen in den Deep Quantum Labs.
„Stellen Sie sich vor, wir werden die gesamte Energie und Kraft des Universums unterdrücken. Was werden wir zuerst tun? Natürlich können wir uns selbst zerstören, aber es gibt ein interessanteres Szenario. Zum Beispiel werden wir die Möglichkeit haben, die Erdbewegung auf ultrahohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen und einen Computer in der Umlaufbahn zu lassen “, sagt der Physiker.
Nach der Relativitätstheorie wird sich die Zeit auf dem Planeten verlangsamen. Wenn wir zehn Jahre in diesem Zustand verbringen, wird ein Quantencomputer oder ein gewöhnlicher Computer in der „Außenwelt“mehrere Jahrtausende lang funktionieren. Darüber hinaus ist dies nicht unbedingt ein künstlicher Computer, seine Rolle können verschiedene Weltraumobjekte spielen - beispielsweise riesige Gaswolken.
„Wie oft kannst du das machen? Es gibt keine explizite Grenze für eine solche "Beschleunigung der Berechnungen", aber wir alle wissen, dass das späte Universum für uns kein sehr interessanter Ort sein wird. Die Sterne werden allmählich verblassen und die Galaxien werden aufgrund der Expansion des Universums für einander unsichtbar “, bemerkt der Professor.
Ähnliche Überlegungen werfen eine natürliche Frage auf: Wenn die Menschheit dies kann, was hindert Außerirdische daran, dasselbe zu tun? Dementsprechend müssen einige Spuren eines solchen "Raum" -Quantencomputers oder ihrer klassischen Gegenstücke im Raum vorhanden sein. Was würde darauf hinweisen, die riesigen Quantencomputer von Außerirdischen?
„Ich kann keine genaue Antwort auf die Frage geben, was es sein könnte, oder vorschlagen, wie man nach ihnen sucht. Gleichzeitig erscheint mir die Existenz solcher „Universalrechner“viel wahrscheinlicher als das spontane Auftauchen von „intelligenten Planeten“und anderen kosmischen Objekten, die sich ihrer selbst bewusst werden können, was häufig von „Quantenphilosophen“diskutiert wird, schließt Biamonte.
