uredi› krajšaj› T:153 M:520 Z: [×]

Microsoftova kvantna mehanika

Bi ostarela korporacija s podajanjem na področje fizike osnovnih delcev lahko začela dobo nepredstavljivo zmogljivih računalnikov?

Leta 2012 so nizozemski fiziki objavili odkritje s področja fizike osnovnih delcev, ki bi jim lahko prineslo Nobelovo nagrado. V drobceni palici polprevodnih kristalov, ohlajenih na temperaturo, nižjo od tiste v vesolju, so prvi zaznali nenavaden delec, imenovan Majoranov fermion, ki je bil napovedan že leta 1937. To odkritje na prvi pogled nima veliko skupnega s trženjem pisarniških programskih orodij ali tekmovanjem z Amazonom na področju računalništva v oblaku, toda Craig Mundie, tedanji vodja Microsoftovega tehnološkega in raziskovalnega oddelka, je bil navdušen. Nedoumljivo odkritje, pri katerem je sodeloval tudi Microsoft, je bilo pravi preboj za projekt, s katerim želi informacijski velikan ustvariti izjemno zmogljive računalnike, ki bodo obdelovali podatke ob pomoči kvantne fizike. »To je bil ključni trenutek,« pravi Mundie. »Raziskava nas je usmerila na pot ustvaritve takega sistema.«

Microsoft se s projektom ukvarja že skoraj deset let, zdaj pa so končno začeli tudi javno govoriti o njem. Če jim bo uspelo, se bo svet korenito spremenil. Odkar je fizik Richard Feynman leta 1982 predstavil zamisel kvantnega računalnika, so teoretiki pokazali, da bi taka naprava lahko reševala matematične probleme, za katere bi najhitrejši normalni računalniki potrebovali na stotine milijonov let ali še več. Kvantni računalniki bi, denimo, raziskovalcem omogočili razvoj novih zdravil ali superučinkovitih sončnih celic, lahko bi sprožili revolucijo v razvoju umetne inteligence.

Razvoj teh za zdaj še nepredstavljivih naprav zavira to, da ni še nikomur uspelo izdelati dovolj zanesljive inačice najmanjšega gradnika kvantnega računalnika, kvantnega bita oziroma kubita, ki enkodira podatke s kvantnimi učinki. Svoje kubite so izdelali že univerzitetni in vladni raziskovalci, pa tudi tisti v razvojnih laboratorijih IBMa in Hewlett-Packarda. Nekaj so jih že uspešno povezali, te naprave zdaj počasi izboljšujejo, nikomur pa še ni uspelo dovolj dobro nadzirati fizike, da bi ti kubiti lahko postali del uporabnega računalnika.

Microsoft ni še niti izdelal kubita, a po nekakšnem paradoksu, ki bi bil v kvantni fiziki pravzaprav pričakovan, se je morda najbolj približal izdelavi delujočega kvantnega računalnika. Podjetje razvija novo vrsto kubita, imenovanega topološki kubit, ki temelji na nizozemskem odkritju iz leta 2012. Dokaj upravičeno pričakujejo, da se bo njihova zasnova izognila večini težav do zdaj razvitih kubitov, poleg tega bo primernejša za množično proizvodnjo. »To, kar počnemo, spominja na izdelavo prvega tranzistorja,« pravi Peter Lee, vodja Microsoftovega razvojnega oddelka. Podjetje se ubada tudi z vprašanjem, kako oblikovati in nadzirati vezje iz topoloških kubitov. Microsoftovi raziskovalci, ki se ukvarjajo z algoritmi za kvantne računalnike, so že dokazali, da bi naprava iz le nekaj sto kubitov lahko izvajala kemijske simulacije, kakršnih zdaj ni sposoben noben superračunalnik.

V največ letu dni bodo v fizikalnih laboratorijih, ki jih podpira Microsoft, začeli testirati bistvene dele njegovega kubita, pri čemer bodo sledili načrtu matematičnega genija, ki obožuje naravo. Če bodo testi uspešni, bo korporacija, za katero velja, da je obtičala v računalniški preteklosti, lahko odprla vrata v prihodnost.

Še bolj nenavadno pa je, da jih bo morda prehitel fizik iz znamenitega, a že skoraj pozabljenega laboratorija Bell Labs.

Obsedenost z vozli

V sončni sobi tik ob Tihem oceanu mi je Michael Freedman, začetnik in idejni vodja Microsoftovega podjetja, priznal, da se počuti manjvrednega. »Ko začneš razmišljati o kvantnem računalništvu, se zaveš, da si sam nekakšen okoren kemični analogni računalnik,« pravi. 63-letni Freedman je direktor Station Q, Microsoftove raziskovalne skupine, ki vodi razvijanje topološkega kubita na Univerzi Kalifornije v Santa Barbari. Vitek je in zagorel, čevlje ima prašne, saj se je na kosilo ob morju odpravil peš.

Če so njegovi možgani res okoren kemični računalnik, so izjemen primerek. Bil je matematični čudežni otrok, na univerzo v Berkeleyju se je vpisal pri 16 letih, čez dve leti pa že začel doktorski študij. Pri 30 letih je rešil enega najstarejših matematičnih problemov, Poincaréjevo domnevo. Rešitev domneve za sfere razsežnosti 4 je našel brez kakršnihkoli zapiskov, predstavljal si jo je v mislih. »V glavi sem videl celoten argument,« se spominja. Ko je to vizijo prenesel v teoretični dokaz na 95 straneh, mu je prinesla Fieldsovo medaljo, najvišje priznanje v matematiki.

Freedman velja za enega izmed vodilnih teoretikov na področju topologije, matematične discipline, ki opisuje lastnosti objektov, ki ostanejo nespremenjene tudi po transformacijah. (Stara šala pravi, da matematik topolog ne loči skodelice kave od ameriškega krofa – zanj je oboje površina z luknjo.) Teoretična fizika ga je pritegnila leta 1988, ko je njegov kolega odkril povezavo med matematičnimi formulami, ki opisujejo topologijo vozlov, in teorijami, ki pojasnjujejo nekatere kvantne pojave. »Njegova teorija je bila prelepa,« pravi Freedman. Nemudoma se je zavedal, da bi ta povezava lahko omogočila razvoj naprave, ki bi delovala po zakonih kvantne fizike in bi lahko reševala probleme, ki so prezahtevni za konvencionalne računalnike. Ni vedel, da teoretični koncept kvantnega računalništva že je razvit, sam ga je izumil na novo.

Zamisel je še naprej razvijal in se leta 1997 pridružil Microsoftovi raziskovalni skupini za teoretično matematiko. Kmalu se je povezal z ruskim teoretičnim fizikom Aleksejem Kitajevim, ki je dokazal, da bi bil »topološki kubit«, utemeljen na enakih fizikalnih zakonitostih, lahko veliko zanesljivejši od kubitov, ki so jih razvile druge skupine. Freedman je čez čas spoznal, da je na sledi nečemu, kar ni omejeno le na svet ezoterične višje matematike in teoretične fizike. Leta 2004 je Craigu Mundieju sporočil, da ve, kako zgraditi dovolj zanesljive kubite, da bi jih lahko povečali. »Bilo je, kot bi mu prodajal poslovno zamisel. Povedal sem mu, da lahko začnemo razvijati tehnologijo, če to želijo,« se spominja.

Mundie je bil navdušen. Čeprav Microsoft ni skušal razvijati kvantnih računalnikov, so dobro vedeli, kakšen izjemen potencial imajo in kako počasen je njihov razvoj. »Takoj me je navdušila zamisel, da je morda mogoč povsem drugačen pristop,« pravi Mundie. »Kvantni računalniki bodo verjetno tako spremenili svet, kot so ga v zadnjih 60 letih klasični računalniki.« Sestavil je skupino za razvoj topološkega kubita in vodenje zaupal Freedmanu, ki je bil sprva precej skeptičen. »V življenju še nisem sestavil tranzistorskega radia, niti enega ne,« je dejal Freedman.

Michael Freedman je bil matematični čudežni otrok, na univerzo v Berkeleyju se je vpisal pri 16 letih, čez dve leti pa že začel doktorski študij.

Oddaljene sanje

Kvantni računalnik se pravzaprav sploh ne bi veliko razlikoval od klasičnega. Oba bi obdelovala podatke, predstavljene v binarni obliki. Oba bi bila sestavljena iz osnovnih enot, ki bi s preklapljanjem med različnimi stanji, podobno kot stikalo, predstavljala bite podatkov. V klasičnem računalniku se lahko vsak miniaturni tranzistor na čipu izklopi, kar predstavlja »0«, ali vklopi, kar predstavlja vrednost »1«. Zaradi čudaških pravil kvantne fizike, ki določajo vedenje snovi in energije na ekstremno majhni ravni, pa bi kubiti lahko izvajali umetnije, zaradi katerih bi bili čedalje zmogljivejši. Kubit lahko vstopi v kvantno stanje, imenovano superpozicija, ki predstavlja hkrati vrednost 0 in 1. V stanju superpozicije se kubiti lahko povežejo, oziroma »prepletejo« tako, da vsaka operacija hkrati spremeni usodo druge. Zaradi superpozicije in prepletenosti stanj lahko ena operacija v kvantnem računalniku izvede dele izračunov, ki bi zahtevali veliko več računskih operacij za enako število običajnih bitov. Kvantni računalnik pravzaprav lahko vzporedno izvaja kup računskih operacij. Pri nekaterih problemih se prednost kvantnega računalnika v primerjavi s  konvencionalnim povečuje eksponentno s količino podatkov, ki jih obdelujeta. »Njihova moč me še vedno preseneča,« pravi Raymond Laflamme, izvršni direktor Inštituta za kvantno računalništvo na Univerzi Waterloo v Ontariu. »Spreminjajo temelje računalništva in naš pogled na to, kaj je izračunljivo.«

Toda čista kvantna stanja so zelo nestabilna, opazovati in nadzirati jih je mogoče le v idealnih laboratorijskih razmerah. Da bi dosegli stabilno superpozicijo, bi morali kubite zaščititi pred navidezno banalnimi motnjami, kot so naključni trki podatomskih delcev ali neznatna elektronska polja bližnjih elektronskih naprav. Zaenkrat najboljši tehnologiji kubitov predstavljata bite z magnetnimi značilnostmi posameznih nabitih atomov, ujetih v magnetna polja, ali pa kot neznaten tok v vezjih iz superprevodnih kovin. Superpozicijo lahko ohranijo le delček sekunde, nato pa  razpade v procesu, imenovanem dekoherenca. Do zdaj je znanstvenikom uspelo hkrati upravljati največ sedem kubitov.

Google od leta 2009 preizkuša napravo, ki jo podjetje D-Wave Systems trži kot prvi komercialni kvantni računalnik na svetu. Leta 2013 je Google kupil nov model s 512 kubiti. Toda ti kubiti so povezani v vezje za določen algoritem, zato lahko rešujejo le omejeno število problemov. Če bo ta pristop uspešen, bo ustvaril kvantnoračunalniški ustreznik klešč – koristno orodje za določene naloge. Microsoftov pristop pa obljublja razvoj popolnoma programabilnega računalnika –  torej celotne škatle orodja. Poleg tega neodvisnim raziskovalcem še ni uspelo potrditi, da D-Wavova naprava resnično deluje kot kvantni računalnik. Google je pred kratkim ustanovil svoj razvojni laboratorij, v katerem skuša sam razviti delujoč kvantni računalnik.

Iskanje poti za preprečevanje dekoherence in napak, ki jih povzroča pri računanju, je postalo glavno polje kvantnega računalništva. »Da bi bil kubit resnično prilagodljiv in uporaben, bi moralo priti do dekoherence le približno enkrat na milijon operacij,« pravi Chris Monroe, profesor z Univerze Marylanda in vodja projekta razvoja kvantnega računalnika, ki ga financira ameriško obrambno ministrstvo. V trenutno najboljših kubitih je dekoherenca približno tisočkrat pogostejša.

Microsoftov Station Q je verjetno izbral boljši pristop. Kvantna stanja, ki so Freedmana zvabila v fiziko – nastopijo, ko so elektroni ujeti v dvodimenzionalne ravnine znotraj nekaterih snovi – bi lahko zagotovila stabilnost, po kateri hlepijo vsi snovalci kubitov. Te snovi so namreč nedovzetne za večino šumov, ki destabilizirajo konvencionalne kubite. V teh snoveh elektroni dobijo nenavadne lastnosti pri temperaturah blizu absolutne ničle in ustvarjajo t. i. elektronski plin. Skupne kvantne značilnosti negativnih tekočin lahko predstavljajo podatkovni bit. Privlačna zasnova, poleg finančnih donacij, neomejenega dostopa do opreme in najboljših superračunalnikov je v sodelovanje z Microsoftom prepričala nekatere vodilne svetovne teoretične fizike. V podjetju nočejo razkriti, kolikšen delež 11 milijard dolarjev, ki jih na leto namenijo za raziskave in razvoj, gre za ta projekt.

Težava je, da je fizika za tem še vedno nedokazana. Da bi lahko uporabljali kvantne značilnosti negativnih tekočin kot bite, bi morali raziskovalci manipulirati delce v njej, imenovane Neabelovi anyoni, tako, da bi se ti ovijali drug okoli drugega. Fiziki domnevajo, da so neabelijski anyoni resnični, a še niso bili dokazljivo zaznani.

Majoranovi delci, vrsta neabelijskih anyonov, ki jih iščejo v Station Q, so še posebej izmuzljivi. Prvi jih je predvidel samotarski italijanski fizik Ettore Majorana leta 1937, tik preden je skrivnostno izginil. Fiziki se jih trudijo dokazati že desetletja, saj imajo izjemno lastnost, da so hkrati svoji antidelci – če se dva srečata, se izničita v eksploziji energije.

Nikomur ni uspelo predstaviti zanesljivih dokazov o obstoju teh delcev do leta 2012, ko je Leo Kouwenhoven z nizozemske Delftske univerze za tehnologijo, za katero je dobil sredstva in usmeritve Microsofta, objavil, da jih je odkril v nanožičkah, izdelanih iz polprevodnika indijev antimonida. Pravo negativno tekočino mu je uspelo ustvariti tako, da je nanožičko na eni stran povezal z elektrodo iz superprevodnika, na drugi pa z navadno elektrodo. »Njegovo odkritje nam je dalo izjemno potrditev, da smo na pravi poti,« pravi Lee iz Microsofta. Kouwenhovnova skupina in drugi raziskovalci zdaj poskušajo dodelati izsledke eksperimenta in dokazati, da je mogoče te delce res manipulirati. Da bi Microsoft pospešil napredek in se pripravil na morebitno množično proizvodnjo, je že začel sodelovati s proizvodnimi podjetji, da bi si zagotovil dovolj polprevodniških nanožičk in superprevodniških vezij, ki bi bili potrebni za upravljanje topoloških kubitov.

Kljub temu Microsoft še nima svojega kubita. Razviti morajo metodo za ovijanje majoranovih delcev, da bi lahko z njimi zapisali vrednosti 0 in 1. Znanstvenikom z Inštituta Nielsa Bohra v Köbenhavnu je pred kratkim uspelo izdelati nanožičke s stranskimi nitmi, ki bi delcu omogočile, da bi se izmaknil drugemu, ki bi šel mimo. Charlie Marcus, danski raziskovalec, ki z Microsoftom sodeluje že od začetka tega projekta, bo kmalu začel izdelovati delujoč sistem z novimi žičkami. »Mislim, da se bomo s tem ukvarjali vse leto,« pravi.

Njegov uspeh bi potrdil ustreznost Microsoftove zasnove in utišal očitke, da Kouwenhoven leta 2012 sploh ni zaznal majoranovih delcev. Toda profesor teoretične fizike s kalifornijske univerze Caltech John Preskill pravi, da je topološki kubit še vedno le zanimiva teorija. »Zamisel mi je zelo všeč, toda po več letih resnega znanstvenega dela še vedno ni nobenih zanesljivih dokazov,« pravi.

Konkurenčna fizika

Bob Willet iz Bell Labsa v New Jerseyju trdi, da je videl dokaze. Skozi očala zre v črn pravokoten kristal, velik kot konica prsta. Na robovih ima zlotane žičke, prepreden je s tanko aluminijasto mrežo. Sredi čipa, na površini, ožji od mikrometra, naj bi Willett zaznal neabelijske anyone. Če ima prav, je prišel dlje od vseh, ki sodelujejo z Microsoftom. V svojih zdelanih laboratorijih bo kmalu začel nekaj, kar bo,   če bo delovalo, prvi topološki kubit na svetu. »S teoretične znanosti zdaj prehajamo na tehnologijo«, pravi. Ustvarja v zgodovinskem okolju. Na drugi strani hodnika je ob velikanskem doprsnem kipu Alexandra Grahama Bella v vitrini razstavljen prvi tranzistor, izdelan leta 1947.

Willettova naprava temelji na shemi, nad katero je Microsoft že tako rekoč obupal. Ko se je projekt začel, so Freedman in sodelavci že sklenili, da bi bilo mogoče izdelati topološki kubit iz kristalov izredno čistega galijevega arsenida, ki lovijo elektrone. Toda v štirih letih eksperimentov s temi kristali raziskovalcem ni uspelo zanesljivo dokazati obstoja neabelijskih anyonov. Willett se je že dolgo ukvarjal z istim področjem fizike in, ko je prebral Freedmanov članek o tej zasnovi, je sklenil, da bo poskusil tudi sam. V znanstvenih člankih, objavljenih med letoma 2009 in 2013, je poročal o najdbi teh delcev v svojih kristalnih napravah. Ko kristal s tekočim helijem ohladi na manj kot 1 stopinjo Kelvina (–272,15° C) in ga izpostavi magnetnemu polju, nastane v njem negativna tekočina. Willett z elektrodami ustvari tok delcev na njenem robu; če so to neabeljiski anyoni, ki se spletajo okoli svojih protidelcev v sredini, bi morali spremeniti topološko stanje celotne negativne tekočine. Objavil je rezultate več eksperimentov, med katerimi je opazil značilno migetanje, ki so ga teoretiki predvideli v tokovih delcev. Ti eksperimenti niso veliko zapletenejši od prvega: to sta dve enaki vezji na vsaki strani kristala, z dodatnimi elektrodami, ki povezujejo negativno tekočino in lahko zakodirajo in berejo kvantna stanja, ki predstavljajo vrednosti 0 in 1.

Willett upa, da bo njegova naprava utišala dvome o njegovih rezultatih, ki jih ni uspelo nikomur ponoviti. Microsoftov sodelavec Charlie Marcus pravi, da je Willett »videl signale, ki jih mi nismo«. Willett na očitek odgovarja, da so Marcus in drugi naredili prevelike naprave in uporabljali napačne kristale. Trdi, da je to pred kratkim potrdil, ko je testiral naprave, izdelane po specifikacijah drugih raziskovalcev. »Potem ko sem delal z materiali, ki jih uporabljajo oni, razumem, zakaj so odnehali. Zafrknjeno je kot sto hudičev.«

Bell Labs, ki je zdaj v lasti francoskega telekomunikacijskega podjetja Alcatel-Lucent, je manjši in revnejši kot v časih, ko je AT&T, nesporni ameriški telefonski monopolist, številnim raziskovalcem pustil početi tako rekoč vse, kar so hoteli. Skozi Willettovo okno se vidi prazno zemljišče, na katerem je stalo krilo stavbe, ki so ga letos porušili. Toda zdaj, ko je v laboratorijih manj ljudi kot prej, laže pride do potrebne opreme, pravi. Alcatel je povečal sredstva za njegov projekt. Willett je prej sodeloval le s tremi drugimi fiziki, pred kratkim pa je začel sodelovati še z matematiki in strokovnjaki za optična vlakna. Uprava Bell Labsa je začela razmišljati o tem, kakšne probleme bi lahko reševali že z nekaj kubiti. »Projekt se je precej razrasel,« pravi.

Willett se ima za akademskega kolega Microsoftovih raziskovalcev, ne za poslovnega tekmeca; še vedno ga vabijo na simpozije, ki jih Freedman dvakrat na leto organizira za Microsoftove sodelavce in druge vodilne fizike v Santa Barbari. Toda Willett pravi, da so bili na zadnjih srečanjih predstavniki vodstva Microsofta opaznejši. Nekajkrat se je počutil dokaj nelagodno, ker dela za drugo korporacijo.

Več kot nelagodno bi mu bilo, če bi pred Microsoftom dokazal, da zamisel, ki jo podjetje promovira, lahko deluje. Ko bi Microsoft odprl pot do praktične rabe kvantnega računalništva, bi bilo to presenečenje. Prav nepredstavljivo pa bi bilo, ko bi to uspelo zbledelemu Bell Labsu v lasti podjetja, ki se sploh ne ukvarja z računalništvom.

Google od leta 2009 preizkuša napravo, ki jo podjetje D-Wave Systems trži kot prvi komercialni kvantni računalnik na svetu.

Kvantna koda

V Microsoftovem kompleksu v Redmondu v zvezni državi Washington na tisoče programskih inženirjev odpravlja hrošče in dodaja nove funkcije operacijskemu sistemu Windows in Microsoft Officeu. Turisti se v Microsoftovem muzeju fotografirajo s kartonskimi podobami Billa Gatesa in prvih zaposlenih iz leta 1978. V glavnem razvojnem poslopju Krysta Svore vodi skupino 12 programerjev, ki razvijajo programsko opremo za računalnike, ki jih morda nikoli ne bo. Ekipa se ukvarja s tem, kaj bi lahko počela prva generacija kvantnih računalnikov.

Skupino so ustanovili, ker bi bili kvantni računalniki lahko res zelo zmogljivi, ne bi pa mogli rešiti vsakega problema. Le peščica kvantnih algoritmov je že tako razvitih, da bi jih lahko uporabljali v praksi na resnični strojni opremi. »Kvantno računalništvo bo verjetno res revolucionarno, toda odkriti moramo, kje se skriva njegova moč,« pravi Svorejeva.

Kvantnega računalnika ne boste mogli nositi v žepu, saj kubiti delujejo pri izjemno nizkih temperaturah. (Razen seveda, če bodo ob pomoči kvantnih računalnikov razvili boljše kubite). Verjetneje jih bodo uporabljali kot podatkovna središča, ki bodo izvajala spletne storitve, ali kot superračunalnike, ki bodo reševali probleme, s katerimi bodo izboljševali druge tehnologije. Obetaven predlog je, da bi uporabljali kvantne računalnike za simulacije kemijskih procesov, ki bi pospešile razvoj medicine in energetike. Kvantni računalnik bi lahko tako natančno simuliral resničnost, da bi nadomestil dolga leta laboratorijskih raziskav, pravi Svorejeva. Po podatkih ministrstva za energetiko ameriški superračunalniki skoraj tretjino časa izvajajo simulacije za kemijske raziskave ali raziskave materialov. Skupina Svorejeve je razvila algoritem, s katerim bi že prva generacija kvantnih računalnikov lahko rešila veliko kompleksnejše probleme, denimo virtualno testiranje katalizatorja za odstranjevanje ogljikovega dioksida iz ozračja v nekaj urah ali celo minutah. »Ta logaritem bi lahko postal ubijalska aplikacija kvantnega računalništva,« pravi.

Seveda pa si je mogoče zamisliti še veliko drugih ubijalskih aplikacij. Skupini Svorejeve je že uspelo postreči s prvimi dokazi o tem, da bi kvantne računalnike lahko uporabljali tudi za učenje računalnikov, čemur Microsoft in tekmeci posvečajo čedalje več pozornosti. Napredek v tehnologijah prepoznavanja podob in govora je sprožil skokovito povečanje raziskav umetne inteligence. Pri razvoju pa so te odvisne od grozdov računalnikov, njihovi rezultati pa po zmogljivosti še vedno precej zaostajajo za človeškimi možgani. Kvantni računalniki bi precej verjetno lahko presegli sedanje tehnološke omejitve.

Ob vsem tem si ni težko predstavljati, da bo podjetje, ki bo prvo izdelalo kvantni računalnik, pridobilo prednost, kakršne verjetno ni imel še nihče v zgodovini sodobne tehnologije. »Prepričani smo, da lahko ustvarimo temelje popolnoma novega gospodarstva,« pravi Peter Lee iz Microsofta. Po pričakovanjih so on in vsi drugi, ki razvijajo kvantno strojno opremo, optimistični, toda ob vsem delu, ki je še pred njimi, je končni cilj še vedno precej oddaljen. Zdi se, da bo tehnologija kubitov v superpoziciji med revolucionarno spremembo sveta in dekoherenco zdaj zdaj romala med kup pozabljenih teoretskih raziskav. Vsi, ki se ukvarjajo s kvantno tehnologijo, se ves čas spopadajo s tako negotovostjo. Toda kdo bi jim ob tako mikavni nagradi za morebiten uspeh zameril, da se tega kljub vsemu lotevajo?

Copyright 2014 Technology Review, distribucija MCT Information Services