Зачем нам нужна многокубитная система?
Система с несколькими кубитами — это то, что делает возможной нашу мечту о квантовом компьютере. Что бы вы сделали с отдельными молекулами воды, если бы захотели пить? Вам придется разработать методы конденсации молекул воды в жидкую воду. Его хочется пить и чувствовать его текучесть. Похожая история следует и при создании квантового компьютера. Ученые знали, что кубит скрывается в каждом бите (кванте) материи и энергии. Они также знали, что система с несколькими кубитами может демонстрировать больше магии, чем один кубит.
Жидкость — это возникающее свойство, когда мы собираем молекулы воды. Каждая молекула воды теряет свою первоначальную идентичность; они взаимодействуют посредством Н-связей и проявляют коллективное поведение — ликвидность.
Ученые не хотят собирать кубиты и позволять им вести себя как молекулы воды. Они хотят собрать кубиты в разумно построенной архитектуре, которая сделает их более динамичными и функциональными. Эти функции (например, суперпозиция, запутанность) сделают их программируемой мультикубитной системой с невероятной способностью обработки информации. Однако собрать их вместе в тандеме и сделать из них программируемую многокубитную систему — непростая задача. Квантово-механическая система непрерывно развивается во времени и взаимодействует с окружающей средой. Вся тяжелая работа в области квантовых вычислений, квантовой информации и квантового оборудования позволит в будущем создать более стабильную и безошибочную программируемую многокубитную систему, которую мы называем квантовым компьютером.
Один из ответов на вопрос, почему нам нужна система с несколькими кубитами, определенно заключается в создании модернизированного программируемого устройства. Другой более восторженный ответ заключается в том, что мы еще не достигли «вычислительного изобилия». У нас есть несколько проблем, которые ждут решения квантовых компьютеров. Как только мы достигнем «вычислительной зрелости», мы ожидаем всплеск вычислительной эффективности (то есть квантового превосходства) и множество выдающихся алгоритмов, готовых помочь нам.
Можем ли мы сделать квантовый компьютер из воды?
Вода представляет собой многомолекулярную систему. Давайте представим «волшебную воду», которая не является обычной водой. Предположим, мы создали архитектуру, в которой отдельные молекулы воды в «волшебной воде» получили возможность переключать взаимодействие с другими выбранными молекулами на основе нашей программы. Это означает, что мы сделали «волшебную воду», способную обрабатывать информацию. Эта гипотетическая «волшебная вода» может стать основой воображаемого молекулярного компьютера. Помимо квантовых вычислений существует несколько других концепций вдохновленных природой вычислений [1] (например, клеточные автоматы, нейронные вычисления, эволюционные вычисления, молекулярные вычисления). Ранние работы в этих областях собраны в Handbook of Natural Computing.
Давайте обозначим недостатки воды как лучшего материала для квантовых компьютеров. Молекулы воды можно разделить по двум возможным спиновым ориентациям атомов водорода молекул [2]. Воду можно рассматривать как смесь двух изомеров, различающихся направлением водородных спинов. Спины параллельны в «орто» воде и антипараллельны в «пара» воде. Она не будет жидкой, если вы разделите отдельные молекулы воды. Следующим шагом будет позволить им взаимодействовать. Это снова не водородная связь. Мы не говорим об контролируемом химическом взаимодействии между молекулами воды, как это представлялось ранее в «волшебной воде». Нам нужно какое-то квантовое взаимодействие, либо суперпозиция, либо запутанность между теми кубитами, которые удерживает атом водорода в каждой молекуле воды. Если мы каким-то образом выясним, как управлять взаимодействием кубитов, следующим вопросом будет, насколько реально создать квантовый компьютер из воды. Борьба с шумом и ошибками — еще одна битва, которую нужно выиграть. Ученые нашли лучшие материалы, чем вода, для создания квантового компьютера. Чтобы уменьшить шум и ошибки в системе, они даже довели свою систему до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Что такое программируемая система?
Плоская прямоугольная коробка, которую вы, вероятно, держите в руках; иногда вы называете это «компьютером», а «ноутбук» на самом деле является программируемым устройством. Внутри вашего ноутбука встроена программируемая система. По сути, существуют диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы и т. д., разумно интегрированные в важные компоненты (например, ЦП, ОЗУ, ввод-вывод) компьютера.
Вы можете написать программу для выполнения на компьютере для выполнения вашей задачи. Даже если вы думаете, что вы не программист, кто-то уже заполнил ваш компьютер тоннами программ в виде операционной системы (например, файловой системы). Что бы вы ни делали со своим компьютером, в конечном итоге вы запускаете несколько программ (например, процессов).
Мы хотим построить программируемое устройство следующего поколения, которое будет выполнять наши квантовые алгоритмы, в программируемую многокубитную систему (т. е. квантовый компьютер). Мы можем думать о квантовых компьютерах как об обобщении классических компьютеров (например, современных ноутбуков, iPhone).
Ваш ноутбук не является системой с возможностью перенастройки. Вы не можете перемонтировать фундамент системы. Вы можете добавить больше диска или оперативной памяти, если доступны дополнительные слоты. Фундамент (например, материнская плата) вашего компьютера настраивается только один раз компанией, создавшей ваше устройство. Не пытайтесь! Вы сломаете его! Компания Ionq, занимающаяся квантовыми вычислениями, недавно анонсировала реконфигурируемую многоядерную квантовую архитектуру (RMQA)[3]. Они утверждали, что вы можете запрограммировать многокубитную систему и перенастроить архитектуру, физически изменив ионы, несущие кубиты.
Вот совет, если вы действительно в настроении что-то перенастроить! Вы можете перенастроить свой мозг до определенного предела. Питайтесь правильно, занимайтесь спортом, мыслите позитивно и медитируйте. Пластичность мозга — это прекрасный дар, который позволяет нашему мозгу изменять сеть между нейронами в зависимости от полезности старых связей и необходимости новых связей! Каждый способен получить новый мозг в любое время!
Что такое программируемая материя?
Если вы предполагаете, что вся материя программируема, вы придете к утверждению, что «Вселенная — это программируемая система». Вселенная больше похожа на симуляцию, чем на программируемую систему. Нам действительно нужно знать разницу между открытием и изобретением. Мы нашли Стандартную модель физики элементарных частиц, что является открытием. Мы открыли идею о том, что Вселенная скрывается за кулисами. Мы изобрели программируемое устройство — компьютер. Мы научились манипулировать крошечной частью обширной симуляции, чтобы она работала на нас. Этот маленький кусочек манипулируемой симуляции теперь является компьютером. Похоже, мы позаимствовали крошечную часть симуляции из вселенной, разумно контролируемую и вынужденную работать по нашей программе. Это работало в течение нескольких дней и, наконец, отказало. Выбрасываем их в мусорку! Однако симуляция не дает сбоев; он продолжает работать после выхода из строя изобретенного устройства. Железо в устройстве начнет ржаветь. Пластик будет изнашиваться и так далее.
Почему наши изобретения (приборы) не вечны, как всеобщая симуляция? Причина снова в том, что «универсальная симуляция». Эта симуляция глубоко укоренена в постоянном увеличении энтропии. При создании некоторых устройств мы помещаем материю и энергию в определенный порядок. Что, в конечном счете, уменьшает энтропию. Наконец, наступает день, когда насильственно созданный порядок разрушается и увеличивает возрастающую энтропию.
То же правило применимо и к жизни организма. Он получает энергию и информацию из окружающей среды, поддерживает клеточный метаболизм, используя свободную энергию (F), и приспосабливается к окружающей среде, сохраняя регуляцию экспрессии генов. Когда организм умирает, все вещество возвращается в окружающую среду и остается в равновесии. Опять же, насильственно созданные порядки разрушаются, чтобы поддерживать растущую энтропию. Что подпитывает «паутину жизни» и насильно создает организмы? Солнечный лучик!
Если обычная материя не программируема, то что делает некоторую материю программируемой материей? Материя может быть программируемой, если она получает возможность программно изменять свои физические свойства (например, форму, плотность, модули, проводимость, оптические свойства и т. д.). Кто-то может запрограммировать и сделать его твердым или мягким, тяжелым или легким и т. д. Это идея, согласно которой материя по своей природе приобретает способность выполнять обработку информации и поддерживает концепцию самовоспроизводящейся машины.
Ничего похожего на природную материю (например, золото, серебро, воду, пластик) нельзя преобразовать в программируемую материю. Ученые выдвинули идею программируемой материи, состоящей из микророботов, представляющих собой движущиеся компьютеры размером с миллиметр. Рой таких компьютеров сможет передвигаться, общаться друг с другом, менять цвет и прикрепляться к другим микророботам, образуя разные формы [6].
Возможен ли квантовый компьютер с бесконечными кубитами?
Прежде чем перейти к теории бесконечных кубитов, необходимо рассмотреть два момента. Во-первых, сколько кубитов достаточно для реализации вычислительного изобилия (т. е. у вас не осталось ничего невычисленного, чтобы спасти человечество). Возможно, нам никогда не понадобится такая недостижимая квантовая система, если у нас останется идеальная ситуация, когда серьезных вычислительных проблем больше не будет. Во-вторых, каков оптимальный предел числа кубитов, за которым мы не можем справиться с взаимодействием кубит-кубит из-за шума и ошибок? Он основан на техническом прогрессе. Мы можем ожидать, что количество кубитов будет увеличиваться с более сложным квантовым оборудованием [4].
Вы можете задать этот вопрос о большом пределе N во многих случаях (i) Сколько нуклеотидов является максимальным для ДНК? (ii) Сколько нейронов является максимальным для человеческого мозга? (iii) Существует ли максимальный предел обработки информации на единицу объема разумно разработанного материала (или материи)? (iv) Каково максимальное количество информации на единицу объема разумно созданной материи (т. е. максимальная плотность информации)?
Позвольте мне напомнить вам забавный эксперимент, который вы провели в детстве, но не знали. Сколько молекул вы можете закачать в воздушный шар, прежде чем он лопнет? Он основан на материале воздушного шара и температуре и давлении окружающей среды. Мы все узнали, что существует 92 природных элемента и 105 элементов с дополнительными синтетическими элементами. За пределами этого числа атомное ядро не может удерживать многонуклонную систему из-за диапазона сильного взаимодействия и ядерного отталкивания.
Большой предел N может не иметь практического значения и может показаться забавным экспериментатору. Но теоретики настроены серьезно. Они находят такие случаи со скрытыми драгоценными камнями. Например, калибровочные теории (например, теория Янга-Миллса, SU(N), SO(N)) при изучении с 𝑁→∞ обеспечили замечательные свойства системы, которые в противном случае были бы менее оценены [5].
Ссылки:
[1] Handbook of Natural Computing. Springer 2012, ISBN 978–3–540–92909–3
[2] Отделение воды вращением. Природа 469,447 (2011). https://doi.org/10.1038/469447a
[4] IBM обещает квантовый компьютер на 1000 кубитов — важный этап — к 2023 году
[5]Большой лимит азота от https://ncatlab.org
[6] Программируемая материя: https://www.programmable-matter.com
