Найхолодніші комп'ютери в світі

 Уявіть, що США піддаються атаці. Літак супротивника, навантажений боєголовками, рухається до берега, потрапляючи в радар і виходячи з нього. Реактивні винищувачі підірвані, і робляться шалені спроби точно визначити мету.

Але найкращий захист нації - це не авіаносець або ракетний комплекс. Це ящик з неймовірно холодних атомів.

«Використовуйте квантовий комп'ютер», - кричить генерал. Атоми всередині комп'ютера можуть вирішувати складні проблеми і майже миттєво видавати інструкції про те, як змінити конфігурацію радіолокаційної решітки, щоб ворожий літак можна було відстежувати і націлювати.

Одна з фірм, вже намагаються впоратися з подібним сценарієм, - це ColdQuanta. Нещодавно він підписав контракт з американським оборонним дослідницьким агентством Darpa на створення квантового комп'ютера, який може швидко визначити, як найкраще змінити положення радарного устаткування в разі часткової відмови системи захисту.

Проект заснований на можливості зібрати разом достатню кількість атомів у вигляді кубітів - будівельних блоків квантового комп'ютера, які дозволяють йому виконувати обчислення.

Для цього атоми повинні бути дуже холодними, що робить такі комп'ютери самими холодними в світі.

Квантові обчислення широко розрекламовані, але технологія знаходиться в зародковому стані. Фірми тільки починають створювати системи, які, як вони стверджують, одного разу перевершать традиційні цифрові комп'ютери в певних корисних завданнях.

«Те, що нас просять зробити протягом наступних 40 місяців, - це мати машину з тисячами кубітів для вирішення реальної проблеми, пов'язаної з обороною, і та, над якою ми працюємо, є версією цього радара. проблема покриття ", - пояснює Бо Евальд, виконавчий директор ColdQuanta, що базується в Колорадо.

Наведений вище приклад є проблемою оптимізації, сценарій, для якого можуть бути тисячі або мільйони можливих рішень. Головне - вибрати кращий.

Крім військових програм, квантові комп'ютери можуть знайти застосування в розробці ліків, інвестиційні стратегії, зломі шифрування і складних завданнях планування для великого парку транспортних засобів.

Г-н Евальд каже, що саме тут квантові комп'ютери нададуть своє первинне вплив - в пошуку оптимальних рішень проблем, на вирішення яких у існуючих комп'ютерів, навіть найшвидших суперкомп'ютерів, підуть багато години або дні.

У розробці знаходяться різні типи квантових комп'ютерів, але підхід, який використовує ультрахолодні нейтральні атоми в якості кубітів, незвичайний - він відрізняється від надпровідних квантових комп'ютерів, що розробляються великими фірмами, такими як IBM і Google, або іншими проектами, в яких також використовуються заряджені атоми. відомий як іони, замість цього.

Надпровідні квантові комп'ютери не використовують окремі атоми в якості кубітів, і хоча ці системи покладаються на низькі температури, вони не такі низькі, як ті, які необхідні для нейтральних атомів ColdQuanta.

«Люди, що працюють зі сверхпроводниками, працюють на рівні міллікельвіна ... ми опустилися до мікрокельвіна», - з гордістю пояснює він.

Кельвін - це міра температури. Нульовий коливань, абсолютний нуль (-273,15 ° C) - це найхолодніше, що коли-небудь могло бути.

І хоча міллікельвін холодний, при 0,001 Кельвіна атоми в мікрокельвіна ColdQuanta набагато холодніше - приблизно 0,000001 Кельвіна. Обидва вони дійсно набагато холодніше, ніж де-небудь в природному всесвіту.

У випадку з ColdQuanta атоми рубідію зібрані разом в вакуумі всередині крихітної шестикутної або прямокутної скляної коробки, шириною близько дюйма, глибиною дюйма і висотою два дюйма. Атоми утримуються в повітрі виключно лазерами.

Але чому температура так важлива? Професор Ендрю Дейлі з Стратклайдского університету і його колеги також працюють над сверххолоднимі квантовими комп'ютерами з нейтральним атомом. Він каже, що дуже важливо мати можливість маніпулювати атомами і утримувати їх на місці.

Сяйво лазерів на атоми спонукає їх вивільнити трохи енергії і уповільнити рух. Це дозволяє утримувати їх майже в нерухомому стані, і в цьому суть справи. Вони не холодні в тому сенсі, в якому ми з вами представляємо застуду - швидше, вони просто сильно уповільнені.

Як говорить професор Дейлі, коли у вас є свої качки - атоми - в ряд, ви можете розташувати їх так, як хочете. Цей дрібнозернистий контроль над атомами означає, що вони можуть бути поміщені в дво- або тривимірні освіти, упаковані близько один до одного в центрі квантового комп'ютера. Це важливо, тому що з кожним додатковим атомом можливості комп'ютера подвоюються.

Дотик до кожного нейтральному атому ще одним лазером збуджує їх, значно збільшуючи їх розмір. Ці настройки кодують інформацію або пов'язують атоми разом за допомогою дивного явища, званого заплутуванням. Тепер у вас є набір кубітів, що функціонують разом як система, яку ви можете налаштувати, щоб представити математичну модель або яку-небудь проблему.

Вражаюче, але теоретично користувач квантового комп'ютера може запрограмувати цю систему на одночасне моделювання величезної кількості можливостей. Це не зовсім схоже на традиційний комп'ютер, який обробляє безліч обчислень паралельно, це більш дивно і менш передбачувано, ніж це, і отримати корисний відповідь в кінці складно.

«Ви хочете, щоб квантовий стан в кінці представляло собою відповідь на проблему, яку ви намагаєтеся вирішити», - каже Джонатан Прічард, колега професора Дейлі з Стратклайда. Квантовий комп'ютер повинен в кінцевому підсумку віддати перевагу певному стану або одного конкретного відповіді на проблему.

Для вирішення правильної завдання він може наблизити нас до оптимального відповіді, причому швидше і ефективніше, ніж при використанні традиційного комп'ютера.

«Ми дійсно все ще чекаємо демонстрації обчислювальної задачі, де ми зможемо довести, що ці машини зробили щось, що виходить за рамки того, що ви можете зробити на класичному комп'ютері, - для чогось дійсно корисного», - каже професор Дейлі.

Французька компанія Pasqal створює прототип системи, заснований на тих же принципах, що і ColdQuanta.

Система Паскаля призначена для енергетичного гіганта EDF, який, якщо він спрацює, запропонує надефективні графіки зарядки електромобілів. Зокрема, мета полягає в тому, щоб звести до мінімуму загальний час, необхідний для повної зарядки всіх транспортних засобів, при цьому віддаючи перевагу одним важливішим автомобілів над іншими.

З подібними проблемами можна було б впоратися за допомогою традиційного комп'ютера, визнає Крістоф Юрчак, голова, але він стверджує, що квантова система в кінцевому підсумку буде працювати значно швидше, наприклад, за годину, а не за 24 години.

«Це не здається таким вже й великим, але якщо ви хочете оновлювати свою стратегію кожну годину, це велика різниця», - говорить він. І при цьому він може споживати в 100 разів менше електроенергії, ніж суперкомп'ютер.

На даний момент все це ще належить продемонструвати на практиці. Але є ознаки того, що в найближчі кілька років - швидше, ніж деякі очікували - ми дізнаємося, наскільки насправді корисні ці неймовірно холодні комп'ютери.

Джерело