Рајан Вилс за Нев Сциентист; Алами
Џон Мартинис је тип за хардвер. Он више воли ситне ствари које се баве физиком у лабораторији него идеализовани свет уџбеника. Али не бисте могли да напишете историјске књиге о квантном рачунарству без њега: он је био централни у два кључна момента у овој области. И напорно ради јурећи следећег.
Почело је 1980-их, када су Мартинис и његове колеге извели низ експеримената како би испитали ивице онога што је било познато о квантним ефектима – за овај рад је прошле године добио Нобелову награду. Још када је био дипломирани студент на Универзитету Калифорније, Беркли, знали смо да су субатомске честице подложне квантним ефектима, али питање је било да ли се свет квантне механике може проширити на веће размере.
Мартинис и његове колеге су изградили и проучавали кола направљена од мешавине суперпроводника и изолатора где су се, испоставило се, многе наелектрисане честице унутар кола понашале као да су једна квантна честица. Ово је била макроскопска квантумност и поставила је основу за изградњу неких од најмоћнијих квантних рачунара данашњице, укључујући и оне које тренутно заступају ИБМ и Гугл. У ствари, Мартинисов рад покренуо је тренд технолошких гиганата који користе квантне битове, или кубите, направљене од суправодљивих кола – најшире коришћених кубита на свету данас.
Други пут када је Мартинис уздрмао терен, предводио је тим Гуглових истраживача који су изградили квантни рачунар који је по први пут постигао „квантну надмоћ“. Скоро пет година, то је био једини рачунар на свету, квантни или на неки други начин, који је могао да провери излаз насумичних квантних кола. Касније су га надмашили класични рачунари.
Сада, на прагу 70. године, Мартинис мисли да може постићи још једну историјску победу са суперпроводљивим кубитима. Године 2024. он је суоснивао КоЛаб, компанију за квантне рачунаре која ће, како каже, заузети радикално нови приступ у покушају да створи оно за чим су сви у овој области јурили: заиста практичне квантне рачунаре.
Кармела Падавиц-Цаллагхан: Направили сте таласе на почетку своје каријере радећи неке заиста фундаменталне послове. Када сте почели да схватате да би ваш експеримент могао да доведе до нове технологије?
Џон Мартинис: Постојало је питање да ли макроскопска варијабла може да избегне квантну механику, а ја сам млад и само учим квантну механику чинило се да је то нешто што морамо да тестирамо. Можда, да сте старији, само сте претпоставили да ће квантна механика функционисати. Али као младом студенту звучало је као фантастичан експеримент да се уради фундаментални тест квантне механике.
Прва ствар коју смо урадили је да смо поставили веома груб и брз експеримент користећи технологију дана. Када смо узели податке, експеримент је био потпуни неуспех. Али могли смо брзо да пропаднемо, тако да није било важно. На крају, то је био експеримент у коме сте морали да разумете микроталасно инжењерство. Морали сте да разумете буку, има много техничких ствари које смо морали да урадимо, али [success] догодило се прилично брзо након тога.
Првих 10 година након тога, водили смо овај експеримент и градили квантне уређаје. Затим је теорија квантног рачунарства много напредовала, рекао бих посебно Шоров алгоритам [which factors large numbers for breaking cryptography]затим исправљање грешака [algorithms] убрзо затим. То је обезбедило чврсту основу за ову област. Људи су сада могли да замисле да нешто направе. Због тога су средства постала доступна.
Како је финансирање променило истраживање и, на крају, технологију?
Ствари су се заиста промениле од 1980-их. Тада људи нису чак ни тестирали да ли се једним квантним системом може манипулисати и правилно мерити. Занимљиво је куда су ствари отишле у последњих 40 година. Квантно рачунарство је прерасло у огромно поље! Најпоноснија ствар у свему овоме је то што је толико физичара сада запослено да разумеју квантну механику ових суперпроводних система и да граде квантне рачунаре.
Имали сте руку у најранијим данима квантног рачунарства. Како вам то помаже да схватите куда поље сада иде?
Пошто сам био део терена све време, разумем основе физике. Направио сам прву микроталасну електронику за [quantum devices] у нашој групи на Универзитету Калифорније, Санта Барбара, а затим у Гуглу, направио сам своје криостате [devices that keep superconducting quantum computers chilled to the extremely cold temperatures they need to operate]. Учествовао сам у изради сваког елемента. Мислим да ће многи људи, ако нису прошли кроз све то, само бити оптимисти да ћемо наставити даље. Знам где су сви проблеми. Ако желите да направите веома компликован рачунарски систем, све је то системски инжењеринг, и мислим да имам предност у томе што прилично добро разумем основну физику свега.
Криостат, који се користи за одржавање квантних рачунара хладним
Маттиа Балсамини/Цонтрасто/еиевине
Шта мислите како квантни рачунарски хардвер мора да се промени да би квантни рачунари били корисни и практични? На које промене се кладите као почетак следећег продора?
Након што сам напустио Гугл, размишљао сам о квантном рачунару као целом систему и преиспитао све основе онога што заправо морамо да изградимо и побољшамо. КоЛаб је заснован на томе, са прилично драматичним променама у начину на који градимо кубите [in terms of manufacturing techniques] и како сте саставили целу ствар, посебно ожичење.
Оно што смо схватили је да морате размишљати о изградњи квантних рачунара на потпуно другачији начин како бисте технологију учинили поузданом и смањили трошкове. Тешко је, и тешко је људима да схвате. Имали смо изненађујућу количину одбијања и скептицизма, али из мог искуства бављења физиком дуги низ деценија, то значи да имамо добру идеју.
Понекад чујемо да ће му требати веома велики број кубита, у милионима, да би се направио квантни рачунар без грешака који је заиста користан. Како стићи тамо?
Што се тиче тога где желимо да направимо највећи поремећај, то је у производњи и, посебно, у производњи квантних чипова, што је уједно и најтежи део. Ако погледате шта сви раде – Гугл, ИБМ, Амазон и многе друге компаније – користе производне технике које су из, не знам, нешто попут 1950-их или 60-их. не знам [any other industry that] гради права кола ових дана са тим методама. Дакле, наше мишљење је, ако желите да направите милион кубита и учините их поузданим, желите да урадите нешто друго.
Веома смо узбуђени због тога како можемо суштински променити начин на који су ови уређаји направљени. И имамо архитектуру за чипове која може помоћи да се отарасимо свих жица. Ако погледате слику на [superconducting] квантни рачунари, то је само џунгла жица и микроталасних компоненти. Желим све те ствари да ставим у чип и да могу да то повећам. У суперпроводним кубитима, велики проблем је проблем ожичења и радимо на томе да га решимо.
Мислите ли да ће бити јасни победник у трци за практични квантни рачунар за, рецимо, пет година?
Постоји много различитих начина на које људи покушавају да направе квантни рачунар и, с обзиром на то да су ограничења системског инжењеринга веома тешка, мислим да је добро приступити овом проблему на много различитих начина. Мислим да је добро да се финансира много различитих идеја, јер је тада већа шанса да људи имају искорак. Али док размишљам о тим ограничењима, а има их много, генерално бих рекао да су многи пројекти помало, само ћу рећи, наивни у погледу тога шта је заиста потребно да би се испунили, као што је управљање трошковима или производња уређаја у великом обиму. С друге стране, сигуран сам да многи истраживачки тимови имају идеје како да прођу кроз неке од својих дизајнерских проблема о којима не говоре јавно.
А КоЛаб-ов пословни план је, мислим, мало другачији, можда чак и јединствен, по томе што прихватамо сарадњу јер сматрамо да нам је потребна сва стручност. Радимо са хардверским компанијама које знају како да скалирају и знају како да ураде софистицирану производњу.
Ако вам неко сутра поклони веома велики квантни рачунар отпоран на грешке, шта бисте прво покушали?
Заиста сам заинтересован за коришћење квантног рачунара за решавање проблема у квантној хемији и квантним материјалима. Постоје неки новији радови о коришћењу као помоћ [extract more useful information from] експерименти нуклеарне магнетне резонанце (НМР) у хемији и то ми се јако свиђа као почетна примена. Овај квантни проблем је тешко решити на класичном суперкомпјутеру због основних потешкоћа квантне механике. Али то је, наравно, фундаментално решено квантним рачунаром – ви само пресликавате квантни проблем у квантни рачунар. Могу се узбудити због тога, делом зато што волим да имам јасне идеје о томе како да градим [a device] а људи су развили одређене алгоритме које треба да ураде [applications like enhancing NMR].
Многи људи би можда размишљали о томе да ураде нешто са, рецимо, проблемима оптимизације и квантном вештачком интелигенцијом. За мене је то више „пробајте и видите да ли ради“. Теорија која стоји иза примене материјала и хемије је много одређенија. Знамо колико је велика [quantum computer] мора бити. Мислим да је та машина нешто што можемо да направимо, и по величини и по брзини извршавања.
Неке од потенцијалних употреба квантних рачунара математички су одређене пре више од 30 година. Зашто још нису постали стварност?
Можете апстраховати понашање кубита и замислити како да направите квантни рачунар, а ово је сјајно, јер тада можете имати компјутерске научнике, математичаре и теоретичаре који размишљају о томе. Али прави проблем овде је што прави кубити имају изворе буке [such as heat from external wires, or impurities in the qubit’s own material]и проблеми који су физичке ствари. Теоретичари воде много великих напора у квантном рачунарству, што је у реду, али прави систем је много компликованији, као и оно што морате да урадите да бисте изградили хардвер који може исправно да ради.
Ин [my graduate advisor] Група Џона Кларка, обучен сам да разумем буку. Оваква позадина је заиста била корисна за мене и људе са којима сам радио, јер смо размишљали о кубитима на овај веома физички начин, покушавајући да се ослободимо физичких механизама буке који чипове чине непоузданим. Ово се десило са експериментом квантне надмоћи; [some of the noise comes from the fact that] имате ова „стања на два нивоа“ која су у вашем уређају и на неки начин управљате њиме да бисте их избегли. Можете га натерати да функционише, али то је прави бол у врату и само отежава скалу. Надам се да ми 1770143581 ослободити се тог ефекта или га смањити. Морате ући у детаље дизајна кубита да бисте то разумели.
Проблем је у томе што морате имати и хардвер и идеје за апликације, и мислим да морамо да учинимо хардвер много бољим на терену. Дакле, то је оно на шта се фокусирам.
Теме:
