Квантовые чипы на продажу: изнанка сенсации

"Представлен первый коммерческий квантовый компьютер", – заголовки в СМИ просто пышут жаром. "Будущее наступило!", "Мы спасены!". Есть даже такое: "Самое значимое событие года". Или десятилетия? Давайте разбираться.

 

 

Выкидывать на свалку классические PC, похоже, ещё рано.

13 февраля в самом сердце Кремниевой долины, в музее истории компьютеров (Computer History Museum), канадская компания D-Wave Systems презентовала, как заявлено, "первый в истории коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер" по имени "Орион" (Orion), созданный, мол, на десятилетия ранее предсказанного.

Заметим, экспериментальные ячейки для квантовых вычислений учёные уже строили в лабораториях, но главное достижение канадцев – не квантовые вычисления как таковые, а разработка и постройка технологичного, надёжного и со вменяемой себестоимостью квантового процессора.

Однако прежде чем рассказать об устройстве чипа — пару 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 нулём" или "точно единичкой". Однако до измерения её состояния частица несёт в себе как бы оба "ответа" сразу (мы об этом уже говорили, к примеру, вот тут).

Если мы имеем дело с системой из X кубитов, то они формируют пространство из 2^X состояний.

Далее мы можем согласованно менять состояния всех кубитов сразу, воздействуя на них каким-либо определённым способом. При этом окажется, что, выполняя одну так называемую квантовую логическую операцию, мы выполняем одновременно 2^X операций в привычной нам двоичной логике.

Сердце "Ориона" – процессор в сборе с криогенной системой охлаждения (фото J.Chung/D-Wave Systems с сайта dailytech.com).

Таким образом, квантовый компьютер может кардинально обойти компьютер обычный в тех задачах, где по мере роста количества переменных время, требуемое для вычислений, растёт по экспоненте.

Канадцы пишут, что решение уравнений Шрёдингера для системы более чем из 30 электронов представляет собой неразрешимую задачу для обычных компьютеров, базирующихся на ньютоновой физике и принципах машины Тьюринга.

Система из 100 c лишним электронов (как в молекуле кофеина, например) сложнее системы из 30 электронов в 10⁵⁰ раз. Это уже явный тупик для классических вычислений, если напрямую пробовать моделировать это всё безобразие. Для квантового же компьютера – это задача легко решаемая, было бы в процессоре соответствующее число кубитов.

Сейчас в ряде областей (типа молекулярной химии) люди прибегают к эмпирическому, приближённому моделированию, в то время как квантовый компьютер мог бы решать определённый круг интересных задач, так сказать, в лоб. "Квантовая технология обеспечивает точные ответы на задачи, которые сегодня можно решить только в общих чертах", — говорит глава D-Wave Херб Мартин (Herb Martin).

Хорошо, в теории всё выглядит соблазнительно. А что с практикой? Сразу скажем, какие же частицы физически могут реализовывать кубиты. Это ионы, пойманные в магнитные ловушки и всяческим образом меняющие своё состояние при воздействии лазерных лучей, это сами фотоны, наконец, даже электроны.

Последний вариант и применили канадцы. Однако, чтобы из электронов (вернее из целых полчищ электронов) сделать кубиты, нужно было, чтобы целая группа электронов находилась одновременно в одном и том же квантовом состоянии.

Поскольку электрон относится к фермионам, таковое "согласованное пребывание" им запрещают законы квантовой физики. Однако если посмотреть на электроны в сверхпроводнике – картина меняется. Там электроны формируют так называемые Куперовские пары, которые являются бозонами, движущимися словно солдаты целой роты в ногу.

А это значит, что огромное число таких электронов в куске сверхпроводника находится одновременно в одном квантовом состоянии, представляя собой прекрасный кубит.

Потому канадцы физически сделали свои кубиты в виде элементов из алюминия и ниобия, охлаждённых жидким гелием до минус 273,145 градуса по Цельсию, почти до абсолютного нуля. Такой подход называется адиабатным квантовым вычислением.

Как можно воздействовать на кубиты в таком случае? При помощи определённым образом меняющихся магнитных полей. Но как квантовые логические операции, меняющие состояние всех кубитов сразу (примерно так, как в математике существуют операции над матрицами), соотносятся с теми задачами, которые нам собственно и 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. Программы эти 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.

	Центр процессора Orion, снятый с увеличением (фото J.Chung/D-Wave Systems с сайта dailytech.com).

13 февраля D-Wave предоставила всем желающим возможность посмотреть, как специалисты компании работают на "Орионе". Правда, сам этот компьютер не покидал штаб-квартиру фирмы, расположенную близ Ванкувера, — с ним люди связывались через Интернет.

Они давали квантовой машине три типа задач: поиск молекулярных структур, соответствующих целевой молекуле, составление плана рассаживания (подробности неизвестны, но, предполагаем, речь идёт о решении логической задачи, типа задачи о волке, козе и капусте), а также – решение логической головоломки Судоку (Sudoku).

Важно отметить, что в новом канадском чипе 16 кубитов, и это огромный шаг вперёд по сравнению с прежними экспериментами. Согласно принципу квантового параллелизма, выполняя над этими кубитами одну квантовую операцию, канадские умельцы фактически выполняют аналог 65536 обычных операций.

Уже достаёте фанфары и литавры? Погодите. Хотя в решении определённых типов задач Orion может быть удивительно сообразительным, в целом он ещё в тысячу раз медленнее обычного настольного PC.

Правда, канадцы подчёркивают, что вся архитектура "Ориона" специально продумана, чтобы быть легко масштабируемой. И в то же время исследователи всё равно не знают, будет ли это работать в большем размере?

Тем не менее, они вовсю работают над более крупными вариантами своего процессора. К концу 2007-го они намерены представить 32-кубитный чип, а в конце 2008-го – 1024-кубитный процессор. Доступный на рынке.

Учитывая правило 2^X, такой квантовый компьютер (если обещания будут выполнены) станет настоящим монстром вычислений, за которым выстроятся очереди из учёных и инженеров, желающих провести самые зубодробительные численные эксперименты. Такие, на которые у обычных компов ушло бы время, равное, пожалуй, возрасту Вселенной.

Понятно теперь, почему даже сама D-Wave пишет: "Новое устройство предназначено в качестве дополнения к обычным компьютерам, для расширения существующих машин, а не для их замены".

При этом, заметьте, они считают Orion машиной универсальной (говорят, были примеры построения экспериментальных квантовых компьютеров строго под одну задачу). Просто для одних задач его использовать будет не оптимально, а для других он окажется незаменим.

А что с "Орионом" нынешним? Один из основателей D-Wave и глава её отдела разработок Джорди Роуз (Geordie Rose) говорит: "Мы показали принципиальную выполнимость идеи. Мы хотим стимулировать воображение людей".

Воображение, конечно, подстёгивается будь здоров. Только относиться к этому событию всё равно следует спокойно.

"Тут есть всё ещё много "если" и "возможно", — говорит Сет Ллойд (Seth Lloyd), специалист по квантовым вычислениям из Массачусетского технологического института (MIT). "Но, — добавляет учёный, — с точки зрения науки, то, что они делают — очень интересно".

Относительно будущего тысячекубитного варианта Ллойд осторожен: "Если он будет работать, то поможет решить много сложных проблем. Но всё равно, это не та компания, в которую я вложил бы собственные деньги".

Вот на такой оптимистичной ноте мы и закончим.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru