Квантовый компьютер – миф или реальность?
Разработанный специалистами D-Wave Systems квантовый компьютер, первые публикации о котором появились в начале года, как известно, вызвал скептическую реакцию специалистов. Это не обескуражило компанию D-Wave Systems, и она включила онлайновую демонстрацию работы своего детища в программу конференции по суперкомпьютерам Supercomputing 2007 (SC 2007) в г. Рено (штат Невада).
По сообщению CNet News, в демонстрации квантового компьютера, построенного D-Wave Systems, примет участие специалист Google. До сих пор ученые не имели возможности убедиться в подлинности демонстрируемой системы. На конференции SC 2007 Хартмут Невен (Hartmut Neven), специалист Google по распознаванию образов, продемонстрирует работу устройства, выполняющего алгоритм распознавания образов.
Так выглядит начинка квантового компьютера
Канадская компания D-Wave Systems утверждает, что ей удалось решить эту задачу применением адиабатного квантового процесса. По словам главного технолога D-Wave Джорджа Роуза (George Rose), время декогеренции – уже не проблема, так как система D-Wave может функционировать даже в условиях теплового шума (тонкости реализации проекта описаны ниже – прим. ред.). В феврале специалисты D-Wave Systems впервые представили 16-кубитный квантовый компьютер Orion, но ученые до сих пор относятся к этой демонстрации с большой долей иронии, поскольку в журнальных рецензиях специалистов данной области не было опубликовано никаких результатов.
Г-н Роуз заявляет, что с момента той демонстрации специалисты компании разработали инфраструктуру поддержки для своих проектов и использовали ее для создания и тестирования семи поколений прототипа процессора, каждое из которых сосредоточено на решении определенной проблемы производительности и/или стабильности коммерческих процессоров. Он также отметил, что на конференции SC 2007 будет продемонстрирована система из 28 кубитов и алгоритм, созданный при участии Neven Vision – компании, которая работает в составе Google. К слову, Neven Vision, специализирующуюся на обработке образов, поисковый гигант приобрел в 2006 г.
Рабочая температура D-Wave Systems Orion составляет -273,145°С
Если в феврале речь шла о вычислительной машине, содержащей 16 квантовых разрядов, то новая версия квантового компьютера будет манипулировать уже 28 кубитами. По словам руководителя D-Wave, в планах компании – создание во втором квартале 2008 г. системы с 512 кубитами и с 1024 кубитами к концу 2008 г. К этому моменту, утверждает Джордж Роуз, новый компьютер превзойдет классические вычислительные машины по производительности. Интересно, что уже в четвертом квартале будущего года D-Wave Systems планирует обеспечить онлайновый доступ к квантовому компьютеру под названием Orion.
И если планам D-Wave суждено сбыться, в июне 2009 года заработает онлайновый сервис моделирования по методу "Монте-Карло", ориентированный на потребности оценки и анализа рисков в интересах банков и страховых компаний. За этим сервисом последуют другие, открывающие возможности моделирования с помощью квантового компьютера для приложений химии, материаловедения, биологии и медицины.
Как работает квантовая вычислительная машина
13 февраля в самом сердце Кремниевой долины, в музее истории компьютеров (Computer History Museum), компания D-Wave Systems презентовала, как заявлено, "первый в истории коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер" по имени Orion, созданный на десятилетия ранее предсказанного. Заметим, что экспериментальные ячейки для квантовых вычислений ученые уже строили в лабораториях, но главное достижение канадцев – не квантовые вычисления как таковые, а разработка и постройка технологичного, надежного квантового процессора по доступной цене.
Но прежде чем рассказать об устройстве чипа, несколько слов о квантовых компьютерах. Они используют в своих интересах законы квантовой механики, определяющие поведение квантовых частиц и изменение их состояний. Каждая такая частица может играть в компьютере роль кубита (квантового бита), который благодаря квантовой природе частицы есть ни 0, ни 1, но некая суперпозиция и того, и другого (изменяемым параметром может быть, к примеру, спин). Состояние кубита описывается вероятностями получения 1 и 0 в случае реального измерения. Правда, само измерение меняет состояние частицы – она переходит в одно из базовых состояний, условно, становится "точно нолем" или "точно единичкой". Однако до измерения ее состояния частица несет в себе как бы оба "ответа" одновременно (аналогия – знаменитый эксперимент с кошкой Шредингера).
Если мы имеем дело с системой из X кубитов, то они формируют пространство из 2X состояний. Далее мы можем согласованно менять состояния всех кубитов сразу, воздействуя на них каким-либо определенным способом. При этом окажется, что, выполняя одну так называемую квантовую логическую операцию, мы выполняем одновременно 2X операций в привычной для нас двоичной логике.
Таким образом, квантовый компьютер может кардинально обойти обычный в тех задачах, где по мере роста количества переменных время, требуемое для вычислений, растет по экспоненте. По словам специалистов D-Wave Systems, решение уравнений Шредингера для системы из более чем 30 электронов представляет неразрешимую задачу для обычных компьютеров, базирующихся на ньютоновой физике и принципах машины Тьюринга. Например, система из более чем 100 электронов (как в молекуле кофеина) сложнее системы из 30 электронов в 1050 раз, и ее моделирование является явным тупиком для классических вычислений. Для квантового же компьютера эта задача легко решаема, было бы соответствующее число кубитов в процессоре.
Сейчас в ряде областей (молекулярная химия, биология, фармацевтика) прибегают к эмпирическому, приближенному моделированию, в то время как квантовый компьютер мог бы решать определенный круг интересных задач, так сказать, в лоб.
Немного физики
В теории все выглядит соблазнительно. А что с практикой? Из чего физически могут быть реализованы кубиты? Ими могут быть элементарные частицы (фотоны, электроны), пойманные в магнитные ловушки и меняющие свое состояние при воздействии лазерных лучей. Именно такой вариант и применили канадцы. Однако чтобы сделать кубиты из массы электронов нужно, чтобы целая группа электронов находилась в одном и том же квантовом состоянии. Поскольку электрон относится к фермионам, такое "согласованное пребывание" ему запрещают законы квантовой физики. Но если посмотреть на электроны в сверхпроводнике, картина меняется. Там электроны образуют "Куперовские пары", известные физикам как бозоны с четко выраженной синхронностью, идентичностью. А это значит, что огромное число таких электронов в среде сверхпроводника одновременно находятся в одном квантовом состоянии, представляя собой прекрасный кубит.
Представители D-Wave Systems заявляют, что их система воплощает в жизнь идею ускорения вычислений путем одновременного выполнения множества операций с использованием разных квантовых состояний. В такой системе все возможные квантовые состояния присутствуют сразу, поэтому теоретически квантовый компьютер может находить наилучшее решение задачи, перебирая все возможные варианты одновременно. Идея квантовых вычислений впервые была предложена Нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом (Richard Feynman) и затем развита Дэвидом Дойчем (David Deutsch) в 1980-е годы. Однако она медленно воплощается из-за сложности создания систем, содержащих достаточное число квантовых битов или кубитов, которые можно привести в когерентное состояние. По идее, квантовые компьютеры должны быть полностью изолированы от внешнего мира, чтобы обеспечить достаточно длительное "время декогеренции". Поэтому канадцы физически сделали свои кубиты в виде элементов из алюминия и ниобия, охлажденных жидким гелием до -273,145°С, то есть почти до абсолютного ноля. Такой подход и называется адиабатным квантовым вычислением.
Как можно воздействовать на кубиты в таком случае? При помощи меняющихся магнитных полей. Но как квантовые логические операции, меняющие состояние всех кубитов сразу (примерно так, как в математических операциях над матрицами), соотносятся с теми задачами, которые нам, собственно, нужно решать? Иными словами, что есть в квантовом компьютере помимо кубитов?
Это обычная кремниевая электроника со специальными программами, управляющими тем физическим оборудованием, которое меняет состояние кубитов, а также производит измерение их состояний. Эти программы делятся на три уровня – высокий, средний, низкий – и последовательно осуществляют перевод задачи пользователя в набор квантовых операторов, а также извлекают из квантового процессора "ответы", преобразуя их в конечный результат.
Без лирики
В феврале D-Wave Systems предоставила всем желающим возможность посмотреть, как специалисты компании работают на Orion. Правда, сам компьютер не покидал штаб-квартиру фирмы, расположенную около г. Ванкувера, с ним связывались через Интернет.
Они давали квантовой машине три типа задач: поиск молекулярных структур, соответствующих целевой молекуле, составление плана оптимизации рассаживания (речь идет о решении логической задачи – аналоге задачи о волке, козе и капусте), а также решение логической головоломки Судоку.
Нужно отметить, что в новом канадском чипе 16 кубитов, и это огромный шаг вперед по сравнению с прежними экспериментами. Согласно принципу квантового параллелизма, выполняя над этими кубитами одну квантовую операцию, канадские специалисты фактически выполняют аналог 65536 обычных операций.
Но не все так прекрасно, как кажется. Если в решении определенных типов задач Orion может быть удивительно сообразительным, то в целом он еще в тысячу раз медленнее обычного настольного ПК. Но в компании подчеркивают, что вся архитектура компьютера специально продумана для легкого масштабирования. И в то же время исследователи пока не знают, будет ли это работать в больших масштабах и при большем размере?
В любом случае, учитывая правило 2X, такой квантовый компьютер (если обещания будут выполнены) станет настоящим монстром вычислений, за которым выстроятся очереди из ученых и инженеров, желающих провести самые невероятные вычисления. Такие, на которые у обычных ПК ушло бы время, равное, пожалуй, возрасту Вселенной. Поэтому за ходом реальных экспериментов D-Wave Systems пристально (и с ужасом) следят военные, так как квантовый компьютер сможет взломать любой шифр, независимо от длины ключа и криптоалгоритма.
Сами же специалисты D-Wave Systems скромно заявляют: "Новое устройство предназначено в качестве дополнения к обычным компьютерам для расширения существующих машин, а не для их замены".
— Сергей Кучеренко
