Fisika kuantum mengatur segala sesuatu yang mengelilingi kita. Mungkinkah mengubah seluruh Semesta menjadi komputer kuantum, akankah alien menyadarinya dan mengapa mesin seperti itu dibutuhkan sama sekali - Jacob Biamonte, seorang profesor Skoltech, salah satu pakar terkemuka di bidang ini, menjawab pertanyaan-pertanyaan ini dan memberi tahu bagaimana dia bisa sampai di Rusia.
Masa depan yang cerah
“Saya pertama kali datang ke Rusia lebih dari sepuluh tahun yang lalu, dan sama sekali tidak belajar fisika. Saya menyukai seni bela diri, termasuk sambo, dan datang ke sini untuk belajar dan bertukar pengalaman. Belakangan saya mengetahui bahwa ada semua syarat di sini untuk melakukan sains tingkat lanjut, yang menarik ilmuwan dari seluruh dunia untuk bekerja sama,”kata ilmuwan tersebut.
Hari ini dia mengepalai laboratorium kuantum Jauh, yang dibuat dua tahun lalu dalam kerangka Skoltech untuk menyatukan upaya fisikawan, matematikawan, pemrogram, dan insinyur Rusia dan asing yang mempelajari masalah yang terkait dengan pengembangan sistem komputasi kuantum.
“Kami tidak berurusan dengan praktik, tetapi semua aspek teoretis dan 'perangkat lunak' dari komputasi kuantum, dan kami berinteraksi dengan para peneliti, termasuk ilmuwan dari Skoltech dan spesialis dari Universitas Negeri Moskow, RCC, dan ITMO. Kami terbuka untuk kerja sama dan siap membantu setiap peneliti yang mempelajari masalah seperti itu,”lanjut profesor itu.
Apa itu komputer kuantum? Pada dasarnya, ini sangat berbeda dari perangkat komputasi klasik, yang memungkinkan operasi matematika sederhana atau kompleks pada bilangan atau kumpulan data yang dinyatakan sebagai nol dan satu.
Dalam sepupu kuantum komputer klasik, yang prinsipnya dirumuskan lebih dari 30 tahun lalu oleh fisikawan Soviet Yuri Manin, informasi dikodekan dengan cara yang berbeda secara fundamental. Sel memori dasar, yang disebut qubit, tidak dapat berisi baik nol atau satu, tetapi seluruh spektrum nilai dalam interval di antara mereka.
Video promosi:
Akibatnya, kekuatan komputer semacam itu tumbuh secara eksponensial: perilaku prosesor kuantum dengan beberapa puluh qubit tidak dapat dihitung bahkan dengan bantuan superkomputer klasik terkuat.
Untuk waktu yang lama, mesin semacam itu tetap menjadi subjek fiksi ilmiah dan penelitian teoretis fisikawan, tetapi dalam 15 tahun terakhir, para ilmuwan telah membuat terobosan dalam menciptakan qubit dan menggabungkannya ke dalam sistem yang lebih kompleks. Versi komputer kuantum paling canggih yang dikembangkan di Google, IBM, dan di Universitas Harvard oleh kelompok Mikhail Lukin berisi 20 hingga 50 qubit.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, profesor fisika di Institut Sains dan Teknologi Skolkovo.
Terlepas dari kemajuan ini, pengembang mesin ini berasumsi bahwa sistem komputasi lengkap yang mampu memecahkan masalah apa pun tidak akan segera muncul, dalam 10-20 tahun. Menariknya, perkiraan ini tidak berubah sejak akhir 1990-an, tetapi beberapa masalah baru terus-menerus muncul, setiap kali menyingkirkan "masa depan kuantum cerah" yang tidak pernah datang.
Seperti dicatat Biamonte dalam kuliah sains populernya, ia mengambil posisi khusus: menurut pendapatnya, sistem komputasi kuantum yang "berguna" akan muncul jauh lebih awal, tetapi sama sekali tidak seperti yang dibayangkan oleh masyarakat umum dan media.
“Saat ini ada satu masalah besar dalam fisika, yang sekaligus merupakan keunggulan utamanya. Eksperimen menjalankan segalanya. Untuk beberapa alasan, mereka berpikir bahwa eksperimen lebih penting bagi sains daripada teori. Berkat uang yang diinvestasikan di bidang ini, teori fisika hampir hancur,”kata Biamonte.
Profesor itu sendiri menyebut dirinya sebagai perwakilan fisika teoretis klasik, yang idenya mendominasi sains seabad lalu, pada tahap pertama kelahiran mekanika kuantum dan fisika Einstein modern. Dalam beberapa dekade terakhir, orang seperti dia harus pindah ke departemen matematika, di mana mereka merasa lebih nyaman.
“Para peneliti, termasuk pencipta komputer kuantum, hanya peduli dengan desain mereka sendiri. Dengan beberapa pengecualian, mereka tidak tertarik dengan apa yang diketahui tentang kemampuan perangkat tersebut secara umum. Ini mempengaruhi mentalitas mereka dan membuat mereka memberikan penilaian yang tidak rasional, tetapi emosional,”jelas peneliti.
Misalnya, masih belum ada bukti jelas tunggal bahwa komputer kuantum dapat mengungguli rekan klasiknya dalam kecepatan komputasi. Pada saat yang sama, Biamonte menentukan, jika kita menggeneralisasi semua model yang disederhanakan yang menunjukkan beberapa aspek dari keunggulan ini, kita akan mendapatkan bukti yang cukup meyakinkan yang mendukung keunggulan kalkulator kuantum.
“Di satu sisi, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin dan para pemimpin lainnya di bidang ini benar: komputer kuantum benar-benar tidak akan segera hadir. Di sisi lain, dalam hal ini kita berbicara tentang mesin universal yang mampu mengoreksi kesalahannya sendiri,”catat fisikawan tersebut.
Kurangnya kemampuan komputer, tegas Biamonte, tidak membuatnya benar-benar tidak berguna atau inferior.
Mesin penambah atom
“Ada banyak contoh dari berbagai sistem kuantum di alam yang tidak memiliki kemampuan ini. Perilaku mereka sangat sulit dihitung dengan menggunakan komputer biasa. Oleh karena itu, penciptaan sistem kuantum yang mensimulasikan proses tersebut akan memungkinkan kita untuk melakukan kalkulasi yang sesuai dan mendapatkan sesuatu yang berguna,”kata ilmuwan tersebut.
Ide ini jauh dari baru - ini disuarakan oleh fisikawan Amerika terkenal Richard Feynman hanya dua tahun setelah publikasi artikel pertama Manin. Seperti yang dicatat Biamonte, para peneliti telah secara aktif mengembangkan sistem seperti itu dalam beberapa tahun terakhir, dan para ahli teori sedang memikirkan di mana mereka dapat diterapkan.
Perangkat komputasi analog semacam itu, yang disebut komputer adiabatik, atau "anil" dalam jargon fisikawan, tidak harus menggunakan efek kuantum - untuk memecahkan banyak masalah, interaksi klasik antar atom sudah cukup.
“Ada tiga jenis komputer semacam ini - mesin anil klasik, rekan akselerasi kuantumnya, dan prosesor kuantum lengkap berdasarkan gerbang logika kuantum. Yang terakhir dibuat di laboratorium IBM, yang pertama - di Fujitsu, yang kedua - di D-Wave,”kata ilmuwan itu.
Biamonte dan rekan-rekannya di Skoltech paling tertarik dengan mesin kelas tiga. Perangkat semacam itu, katanya, cukup sulit untuk dibuat, tetapi dapat digunakan untuk memecahkan masalah pengoptimalan yang paling kompleks: dari pembelajaran mesin hingga pengembangan obat baru.
“Mesin ini sangat menarik, tetapi perangkat pertama yang nyata dari jenis ini hanya akan muncul dalam beberapa tahun. Di sisi lain, dimungkinkan untuk membuat anil klasik dan kuantum sekarang. Dan sekarang, dalam praktiknya, mereka tetap yang paling berguna dari komputer kuantum,”tambah Biamonte.
Banyak proses dalam fisika partikel, lanjut peneliti, diprogram oleh alam untuk mengoptimalkan dirinya sendiri, berjuang untuk mencapai energi minimum. Oleh karena itu, jika kita belajar untuk mengontrol proses ini, kita dapat membuat sekumpulan atom atau objek lain melakukan perhitungan ini untuk kita.
“Mengapa membuang banyak waktu CPU untuk pengoptimalan seperti itu, jika dapat dilakukan dengan perangkat anil klasik atau perangkat kuantum yang mirip dengan D-Wave? Secara kiasan, mengapa, ketika mempelajari angin, menggunakan terowongan angin virtual, jika kita sudah memiliki yang asli? Banyak perusahaan Rusia memikirkan hal ini, dan kami secara aktif bekerja sama dengan mereka,”ilmuwan tersebut menekankan.
Keberhasilan percobaan ini akan membuka jalan bagi pengembangan agen anil kuantum, di mana prinsip fisika kuantum digunakan untuk mempercepat interaksi antara atom dan partikel lain. Tentu saja, beberapa tugas ilmiah tidak akan tersedia bagi mereka, tetapi mereka akan dapat menyelesaikan banyak masalah sehari-hari, seperti pengoptimalan lalu lintas atau manajemen portofolio saham.
Kebanyakan pengamat, catat profesor Skoltech, percaya bahwa Google akan menang dalam perlombaan kuantum. Biamonte tidak setuju dengan ini: perwakilan perusahaan California sangat suka membicarakan kesuksesan mereka, tetapi mereka hampir tidak pernah menerbitkan artikel ilmiah dan tidak mengungkapkan rahasia perangkat mesin kuantum mereka.
Menurutnya, insinyur IBM paling dekat dengan tujuan - komputer perusahaan ini benar-benar berfungsi, dan mereka dapat diperiksa kapan saja melalui sistem cloud khusus. Tetapi skalanya masih sangat terbatas, dan mesin ini belum dapat digunakan untuk menyelesaikan masalah yang kompleks.
Galaksi berpikir
Jika sistem "serius" seperti itu dibuat dalam waktu dekat, pertanyaan wajar muncul: terbuat dari apa, ukuran apa yang dapat dicapai, dan bagaimana pengaruhnya terhadap kehidupan kita?
Menurut Biamonte sendiri, tidak ada batasan fisik fundamental untuk komputer kuantum (atau perangkat anil) dengan jutaan qubit. Di sisi lain, tidak dapat dipahami sama sekali berapa banyak qubit yang akan ada dalam kenyataan, karena kita sekarang berada di tahap paling awal dari pengembangan teknologi kuantum.
“Sejauh ini, kami mencoba mengadaptasi teknologi yang sudah tersedia di industri elektronik untuk bekerja dengan komputer kuantum. Namun, tidak ada yang yakin bahwa ini adalah cara yang benar. Ada sistem yang jauh lebih cocok untuk membangun mesin kuantum. Namun, mereka jauh lebih sulit untuk dikelola,”jelas ilmuwan tersebut.
Misalnya, cacat khusus di dalam berlian hampir terisolasi dengan baik dari dunia luar seperti atom tunggal di ruang hampa udara. Berapa banyak poin yang dapat ditampung dalam satu berlian dan seberapa dekat mereka satu sama lain tanpa mengganggu pekerjaan tetangga masih belum jelas. Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menentukan apakah berlian akan digunakan dalam komputer kuantum.
Mesin kuantum yang sangat besar, seperti dicatat oleh profesor Skoltech, tidak hanya akan memecahkan masalah praktis yang berkaitan dengan kehidupan manusia sehari-hari, tetapi juga teka-teki ilmiah paling menarik.
Mungkin mereka akan mengungkapkan sifat quantum gravitasi dan menguji teori Biamonte tentang kesimetrian waktu dengan mengamati apakah mereka secara khusus terganggu ketika mencoba memecahkan kesimetrian ini atau membalikkan waktu ketika melakukan kalkulasi pada mesin semacam itu.
Ketika umat manusia telah mengatasi tugas-tugas ini, apa yang akan dilakukan sains selanjutnya? Pertanyaan ini, kata Biamonte, secara paradoks terkait dengan pencarian kehidupan di luar bumi dan bagaimana perwakilan peradaban alien dapat menandai keberadaan mereka.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte dan rekan-rekannya di laboratorium kuantum Deep.
“Bayangkan kita akan menaklukkan semua energi dan kekuatan alam semesta. Apa yang akan kita lakukan pertama kali? Tentu saja, kita bisa menghancurkan diri kita sendiri, tetapi ada skenario yang lebih menarik. Misalnya, kita akan memiliki kesempatan untuk mempercepat gerakan bumi ke kecepatan ultra tinggi dan meninggalkan komputer di orbit,”kata fisikawan tersebut.
Menurut teori relativitas, waktu di planet ini akan melambat. Jika kita menghabiskan puluhan tahun dalam keadaan ini, mesin komputasi kuantum atau komputer biasa di "dunia luar" akan bekerja selama beberapa milenium. Apalagi ini belum tentu komputer buatan manusia, perannya bisa dimainkan oleh berbagai benda luar angkasa - awan gas raksasa, misalnya.
“Seberapa sering Anda bisa melakukan ini? Tidak ada batasan eksplisit untuk "percepatan komputasi" seperti itu, tetapi kita semua tahu bahwa alam semesta akhir tidak akan menjadi tempat yang sangat menarik bagi kita. Bintang-bintang secara bertahap akan mulai memudar, dan galaksi akan menjadi tidak terlihat satu sama lain karena perluasan alam semesta,”catat profesor itu.
Refleksi serupa menimbulkan pertanyaan alami: jika umat manusia dapat melakukannya, apa yang mencegah alien melakukan hal yang sama? Karenanya, beberapa jejak komputasi kuantum "ruang" atau rekan klasiknya harus ada di ruang angkasa. Apa yang mengindikasikan hal ini, komputer kuantum alien raksasa?
“Saya tidak dapat memberikan jawaban yang tepat untuk pertanyaan tentang apa itu atau untuk menyarankan bagaimana mencarinya. Pada saat yang sama, keberadaan “kalkulator universal” bagi saya tampaknya jauh lebih mungkin daripada kemunculan spontan “planet cerdas” dan objek kosmik lain yang mampu menyadari dirinya sendiri, yang sering didiskusikan oleh filsuf “kuantum”,”simpul Biamonte.
