Квантни рачунари су се показали кориснијим него што се очекивало 2025. године

Последњих годину дана, стално сам доносио исту причу свом уреднику: квантни рачунари су на ивици да постану корисни за научна открића.

Наравно, то је увек био циљ. Идеја о коришћењу квантних рачунара за боље разумевање нашег универзума је део њихове приче о пореклу, а чак је представљена у говору Ричарда Фајнмана из 1981. Размишљајући о најбољем начину симулације природе, написао је: „Можемо одустати од нашег правила о томе шта је рачунар био, можемо рећи: Нека сам рачунар буде изграђен од квантномеханичких елемената који се повинују квантним механичким законима.

Данас су Фајнманову визију реализовали Гугл, ИБМ и још десетине компанија и академских тимова. Њихови уређаји се сада користе за симулацију стварности на квантном нивоу – а ево неких најважнијих ствари.

За мене, овогодишњи квантни развој почео је са две студије које су слетеле на мој сто у јуну, а које се баве физиком честица високих енергија. Два одвојена истраживачка тима користила су два веома различита квантна рачунара да симулирају понашање парова честица у квантним пољима. Један је користио Гооглеов Сицаморе чип, направљен од сићушних суперпроводних кола контролисаних микроталасима, а други је користио чип који је произвела компанија за квантно рачунарство КуЕра, заснован на екстремно хладним атомима контролисаним ласерима и електромагнетним силама.

Квантна поља кодирају како би сила, као што је електромагнетна сила, деловала на честицу на било којој позицији у универзуму. Такође имају локалну структуру која диктира понашање које треба да видите ако зумирате било коју честицу. Таква поља је тешко симулирати у случају динамике честица – када честица нешто ради током времена и желите да снимите нешто попут филма од тога. За две веома поједностављене верзије квантних поља које се појављују у стандардном моделу физике честица, два квантна рачунара су се ухватила у коштац са овим тачним задатком.

Јад Халимех са Универзитета у Минхену, који ради на том пољу, али није био укључен ни у један експеримент, чак ми је рекао да би мишићавија верзија ових експеримената, која симулира сложенија поља на већим квантним рачунарима, на крају могла да нам помогне да разумемо шта честице раде унутар сударача честица.

Три месеца касније, разговарао сам телефоном са још два тима истраживача, поново разговарајући о истим двема врстама квантних рачунара, који су сада стављени у службу физике кондензоване материје. Физика кондензоване материје ми је драга јер сам је студирао на постдипломским студијама, али њен утицај сеже далеко изван склоности овог колумнисте. То је било посебно важно за развој полупроводничких технологија које су у основи свакодневних уређаја као што су паметни телефони.

У септембру су истраживачи са Универзитета Харвард и Техничког универзитета у Минхену у Немачкој користили квантне рачунаре да симулирају две егзотичне фазе материје које су биле предвиђене у теорији, али су избегле традиционалније експерименте. Квантни компјутери су се показали вешти у предвиђању својстава ових чудних материјала, нешто што узгој и испитивање кристала у лабораторији до сада нису успели да постигну.

Октобар је донео изгледе за практичну употребу новог суперпроводног квантног рачунара из Гугла, названог Виллов. Истраживачи компаније и њихове колеге користили су Виллов за покретање алгоритма који се може користити за тумачење података из спектроскопије нуклеарне магнетне резонанце (НМР), која је уобичајена техника за проучавање молекула у биохемијским истраживањима.

Иако демонстрација тима са стварним НМР подацима није учинила ништа што традиционални рачунар не би могао, математика алгоритма обећава да ће једног дана премашити могућности класичних машина, омогућавајући истраживачима да науче детаље о молекулима без преседана. Колико брзо ће се ово показати зависи од темпа којим се квантни рачунарски хардвер побољшава.

Месец дана касније, трећа врста квантног компјутера је ушла у разговор. Компанија под називом Куантинуум показала је да њихов квантни рачунар Хелиос-1 направљен од заробљених јона може покренути симулације математичког модела за савршену електричну проводљивост, или суперпроводљивост. Пошто проводе електричну енергију без икаквих губитака, суперпроводници могу отворити врата изузетно ефикасној електроници или чак учинити електричну мрежу одрживијом. Међутим, сви познати суперпроводници раде само под високим притиском или екстремно ниском температуром, што их чини непрактичним. Математички модел који тачно открива зашто би неки материјали суперпроводници били кључна степеница ка изградњи корисних супрапроводника.

Хелиос-1 је симулирао оно што ми је Хенрик Драјер, истраживач у Куантинуум-у, рекао да је можда најважнији такав модел; онај који привлачи пажњу физичара од 1960-их. И док ова специфична симулација није понудила никакав радикалан нови увид у суправодљивост, она је најавила квантне рачунаре као вредне играче у дуготрајној потрази физичара да их боље разумеју.

Само недељу дана касније, нашао сам се на разговору са Сабрином Манисцалцо из фирме за квантне алгоритме Алгоритхмик, разговарајући о метаматеријалима. То су материјали чији се микроскопски детаљи могу конструисати да имају посебна својства која природни материјали немају. Они такође могу бити скројени за неке специфичне сврхе, од рудиментарних огртача невидљивости до хемијских састојака који могу убрзати реакције.

Метаматеријали су такође нешто у шта сам се бавио као дипломирани студент, а Манисцалцо-ов тим је разрадио како да их симулира користећи ИБМ квантни рачунар направљен од суправодљивих кола. Конкретно, могли би да прате како метаматеријал скремулује информације, укључујући и режиме у којима се конвенционалнији рачунар може борити. Иако ово може звучати као прилично апстрактна поставка, Манисцалцо ми је рекао да би то могло унапредити истраживање хемијских катализатора, као и чврстих батерија и одређених уређаја који претварају светлост у електричну енергију.

Као да физика честица, нове фазе материје, молекуларна истраживања, суперпроводници и метаматеријали нису били довољни, док сам излагао ову колумну, добио сам савет о студији у којој је тим истраживача са Универзитета Мериленд у САД и Универзитета Ватерло, Канада, користио квантни компјутер заробљених јона да одреди како су честице на јаким нуклеарним температурама везане за различите нуклеарне температуре. Сматра се да се део овог понашања дешава унутар неутронских звезда, које су слабо схваћени космички објекти, а такође се догодило у раном универзуму.

Док је квантна калкулација тима укључивала апроксимације које се не поклапају баш са најреалистичнијим моделима јаке силе, студија указује на још једну област физике у којој су квантни рачунари све напреднији као машине за откривање.

Свакако, ово обиље примера такође долази са обиљем упозорења и знакова питања. Већина математичких модела који су симулирани на квантном хардверу захтевају одређени број поједностављења и апроксимација у поређењу са најреалистичнијим, већина квантних рачунара је и даље толико склона грешкама да захтева да се резултати њихових прорачуна накнадно обрађују да би се те грешке ублажиле или уклониле, а питање бенчмаркинга и даље може да уради најбоље резултате у односу на квантне резултате рачунара. трновит.

Једноставно речено, традиционално рачунарство и методе симулације су још једна област у којој је напредак био брз и охрабрујући, стављајући истраживаче класичних и квантних рачунара у динамично напред-назад, где јучерашње најсложеније или најбрже израчунавање неизбежно постаје другопласирани сутра. Протеклог месеца, ИБМ је чак удружио се са неколико других компанија како би лансирао јавно доступан „трагач квантних предности“, који ће на крају постати табла лидера која показује где квантни рачунари напредују у односу на своје конвенционалне колеге – или не.

Али чак и ако квантни рачунари ускоро не дођу на врх те листе, ова прошла година извештавања је и даље померила моје приоритете ка узбуђењу и ишчекивању. То је зато што ови експерименти ефикасно померају квантне рачунаре из предмета научног проучавања у алате за обављање науке на начин који је био немогућ пре само неколико година.

Почетком ове године очекивао сам да ћу углавном писати о експериментима бенчмаркинга, где квантни рачунари покрећу протоколе који показују њихову квантност, а не решавају било какве корисне проблеме. Такви прорачуни често служе да истакну колико се квантни рачунари разликују од конвенционалних рачунара и могу подвући њихов потенцијал да раде радикално нове ствари. Али пут одатле до корисног прорачуна за запосленог физичара изгледао је дуг и нимало очигледан. Сада, иако са опрезом, мислим да би тај пут могао бити краћи него што сам очекивао. Сигуран сам да ће ме још квантних изненађења чекати 2026.