Работает ли квантовый компьютер?


Квантовый компьютер — в высшей степени увлекательная область новейших инфотехнологий. Только тут, наверняка, может быть синхронное возникновение пары исследовательских работ, в каких изучалось одно и то же, выводы, на самом деле, диаметрально расползаются, но при всем этом оба — правильные...

Озадачивающие итоги

Фактически сразу (с различием наименее месяца) два приличных научных журнальчика выпустили исследования команд ученых, которые независимо друг от друга изучали одну и ту же вычислительную систему — 1-ый в истории ИТ коммерческий квантовый компьютер D-Wave.

В самом обобщенном виде выводы 2-ух этих команд можно резюмировать известной многосмысленной формулой типа «казнить нельзя помиловать» — когда одна группа поставила жирную запятую после слова «нельзя», а 2-ая, соответственно, перед. Если же формулировать чуток наименее заковыристо и по существу, то одна статья — в журнальчике Physical Review [1] — очень серьезно и внушительно ведает о том, что при исследовательских работах работы 512-кубитного микропроцессора D-Wave вправду обнаружены эффекты квантовой сцепленности. Соответственно, данное устройство с полным основанием имеет право именоваться реальным квантовым компом, архитектурно полностью допускает предстоящее наращивание числа кубитов, а означает, имеет примечательные перспективы на будущее...

Что все-таки касается 2-ой статьи — размещенной журнальчиком Science [2], — то в ней поведано, как исследователи занимались не физической природой эффектов в базе работы такого же самого микропроцессора, а чисто практической стороной дела: как отлично это устройство делает свои вычислительные функции. Итак вот, эта группа ученых настолько же серьезно и внушительно, как и 1-ая, показывает, что в реальных проверочных тестах, нормально подходящих для этой конструкции, квантовый компьютер D-Wave не дает никакого выигрыша в скорости по сопоставлению с компьютерами обыкновенными, традиционными. На самом деле дела, для дорогой, но спец «машины будущего» не нашлось задач, где она могла бы показать свое квантовое приемущество. По другому говоря, оказывается под огромным колебанием сам смысл очень недешевых усилий по созданию подобного устройства...

Даже при настолько коротком описании данных работ понятно, наверняка, что на их базе в высшей степени проблемно прийти к выводу о том, какова сейчас ситуация с прогрессом технологий для реальных квантовых вычислений. Является ли компьютер D-Wave вправду революционным прорывом — либо же это чисто экспериментальная разработка с неясным будущим?

Для полноты настолько озадачивающей картины обязательно нужно отметить и то, что два упомянутых исследования, разительно расходящиеся в собственных выводах, выполнены никак не конкурирующими сторонами. Быстрее даже напротив — приблизительно на две третьих обе сборные команды состоят из ученых одних и тех же, на самом деле, научных центров (институт Южной Калифорнии, лаборатории компании Гугл и т.д.).

Короче говоря, чтоб стало яснее, как вообщем оценивать настолько нетривиальную ситуацию вокруг первого в мире коммерческого квантового компьютера D-Wave, имеет смысл глубже вдуматься в сущность вопроса — как фактически технологии, так и истории ее возникновения...

Мы пойдем другим методом

Никакой канадской компании D-Wave Systems и ее квантового компьютера в истории инфотехнологий не было бы и в помине, если б не человек по имени Джорди Роуз (Geordie Rose).

В юные годы очень удачный спортсмен, медалист всяческих состязаний по борьбе и кандидат в олимпийскую сборную Канады, во 2-ой половине 1990-х Роуз серьезно решил предназначить себя науке, поступив в аспирантуру Института Английской Колумбии. Вот тогда, в период работы над диссертацией по физике, Роузу довелось прочитать книгу ученого из НАСА Колина Уильямса «Исследования по квантовым вычислениям» («Explorations in Quantum Computing» by Colin Williams, сейчас создатель книжки, кстати говоря, управляет бизнес-проектами D-Wave).

По тем временам — конец 1990-х — это была еще совершенно новенькая область исследовательских работ, а книжка Уильямса получила известность как одна из первых обзорных работ с описанием и анализом различных теорий относительно того, как мог бы работать гипотетичный квантовый компьютер. На российском языке о сущности и особенностях квантовых вычислений в доступно-популярном виде рассказывается в материале приблизительно такого же периода «Фантастическая реальность» [3]. Ну а мы для погружения в тему выделим только несколько главных моментов.

Подобно тому, как в базе обыденного цифрового компьютера лежит понятие «бит», другими словами носитель простого блока двоичной инфы, 0 либо 1, так и в фундаменте компьютера квантового лежит «кубит». Другими словами «квантовый бит» (quantum bit), носитель квантовой суперпозиции различных состояний, сразу соответственных как 0, так и 1, — по правилам квантовой механики. Добравшись в опытах до уровня квантовых кирпичиков, формирующих устройство микромира, ученые сообразили, что могут не только лишь моделировать феномены квантовой физики на схемах квантового компьютера, да и решать с его помощью массу других прикладных задач, до этого казавшихся совсем неподъемными из-за собственной огромной вычислительной трудности.

Тот большой, в теории, вычислительный выигрыш, что обещают кубиты квантового компьютера, конкретно связан с присущим им свойством суперпозиции. Данная особенность квантового вычислителя позволяет обсчитывать на кубитах все ветки метода практически сразу — с недосягаемым до этого уровнем распараллеливания задачки. Но это, подчеркнем, в теории. На практике же для воплощения настолько прекрасной идеи нужно обеспечить несколько принципно принципиальных вещей. Во-1-х, кубиты компьютера должны находиться в очень особенных критериях квантовой сцепленности, что делает их элементами единой квантовой системы, реагирующей на наружные воздействия как одно целое. Во-2-х, это очень хрупкое взаимосогласованное, либо когерентное, состояние системы должно длиться по времени больше, чем продолжаются деликатные операции волновых воздействий, приводящих в конечном итоге вычислитель к подходящему ответу. В-3-х…

Вобщем, для осознания масштабов задачки полностью довольно ограничиться и этими 2-мя неуввязками: квантовой сцепленностью огромного количества кубитов и долговременной когерентностью системы. Действенное техническое решение для данных заморочек найти так трудно, что в протяжении вот уже 2-ух 10-ов лет квантовый компьютер как был, так и остается только очень примитивной лабораторной моделью-игрушкой на 3, 5, 7 либо от силы десяток кубитов.

Кроме, ясное дело, квантового чудо-компьютера от Джорди Роуза и его компании D-Wave (которая осенью сегодняшнего года планирует выпустить на рынок новое поколение собственной машины с 1024-кубитным микропроцессором). В качестве разъяснения для этого «чуда» привлекается последующий знаменитый факт из биографии отца-основателя. Когда Роуз прочитал обзорную книжку Уильямса о квантовых вычислениях, у него случилось нечто вроде озарения. Работавший над диссертацией совершенно другой темы аспирант вдруг ясно сообразил, что квантовый компьютер — это конкретно то, чем он желал бы заниматься всю жизнь.

Но только заниматься не так, как это делают в собственных лабораториях академические ученые. Нет. Джорди Роуз сходу решил сколотить на этой практически умопомрачительной технологии впечатляющее состояние, при этом сделать это стремительно — приблизительно лет за 10 выведя на рынок не игрушечный, а совсем реальный квантовый компьютер для решения реальных задач.

Самое же, пожалуй, увлекательное в этом историческом решении то, что сначала, в протяжении нескольких первых лет компании D-Wave (сделанной в 1999 году), Джорди Роуз не имел ни мельчайшего понятия о том, на базе какой непосредственно технологии будет построена его революционная машина. Единственное, в чем он был полностью уверен, — это чем заниматься НЕ следует. А конкретно — архитектурами «квантовых вентилей», над которыми и доныне неудачно бьются в большинстве лабораторий мира, занятых неуввязками квантового компьютинга.

Средства на отжиг

Так именуемая вентильная модель (gate model) для квантовых компов крепко закрепилась в базе подавляющего большинства академических исследовательских работ по полностью естественной, в общем-то, причине: эта концепция сводится к разработке квантовых эквивалентов для тех логических вентилей, которые выступают в качестве строй блоков для электрических схем в компьютерах обыденных, традиционных.

При таком подходе в необыкновенную ловушку захватывают личные ионы либо фотоны, чтобы использовать их в качестве кубитов, и сцепляют «пленников» совместно цепочками — в логические вентили, подобно тому как это изготовлено в обыденных компьютерных схемах. Другими словами те же модули логических операций «и», «или», «не» и т.д., но только с той различием, что кубиты способны вести взаимодействие вместе намного более сложным, квантовым образом.

Фатальная неудача прямого подхода в том, что кубиты в ловушках категорически не обожают находиться в состоянии общей суперпозиции, по другому называемой когерентностью. Одна случайная молекула воздуха либо другой мельчайший «шум» в системе способны выбивать кубиты из когерентной сцепленности. Потому все эти хрупкие и нежные вентили нужно кропотливо экранировать практически от всего — так что подобного рода квантовый компьютер проще обычного сделать дорогущим, но никчемным в деле устройством.

Короче, Джорди Роуза совсем не устраивали лабораторные опыты с регистрами из 3 либо 7 кубитов. Он желал тыщу кубитов — при этом в таком устройстве, которое можно реализовать. И было совсем ясно, что нужен конструктивно другой подход, каким-то образом позволяющий избавиться от тупиковой хрупкости кубитов. В качестве одной из более многообещающих мыслях на этом пути достаточно стремительно был избран так именуемый «квантовый метод адиабатической эволюции» [4], также узнаваемый как «квантовый отжиг» (quantum annealing). Если излагать в нескольких словах, то теоретическая сущность способа смотрится приблизительно так.

Под отжигом в металлургии принято осознавать процесс естественного остывания материала. Другими словами — исходя из убеждений физики — переход системы к основному, самому устойчивому состоянию энергетического минимума. Так как в природе всюду применим принцип меньшего деяния, математическое описание данного процесса дает ученым методы для менее накладного приведения хоть какой системы к ее хорошему состоянию. На техническом уровне это называют методами оптимизации, а используют в огромном огромном количестве самых различных приложений — от систем искусственного ума и галлактических исследовательских работ прямо до биржевых спекуляций.

Квантовый же компьютер здесь очень заманчив вот в каком ракурсе. Очень нередко задачки оптимизации зрительно представляют как непростой горный ландшафт со обилием пиков, хребтов и долин, расположенных на разной высоте над уровнем моря. Задачка ищущего — найти на этой местности самую что ни на есть низкую равнину. И чтоб найти ее на компьютере традиционном, нужно методично — взбираясь на пики и хребты — обойти все равнины, таким вот изнуряющим перебором вычислив подходящий минимум. Ну а компьютер квантовый — в теории — позволяет вроде бы проделывать в горах огромное количество туннелей, куда резвее выходя на равнины и отыскивая посреди их наименьшую.

Исходя из убеждений физики для решения этой задачки прекрасно подходит узнаваемый квантовый эффект, неслучайно носящий имя «туннельный» — он обеспечивает прямой переход системы из 1-го состояния в другое, минуя энерго барьеры. А самое симпатичное, что эффект туннелирования не только лишь намного более стабилен, ежели хрупкая когерентность, да и давным-давно уже освоен в индустрии полупроводников.

Для Роуза и его компании D-Wave этот подход концептуально смотрелся достаточно интригующе, но сначала не было ясности с тем, на базе какой элементной базы все это дело можно было бы воплотить. Но в один прекрасный момент, в 2003 году, Джорди Роуз знакомится с необходимым человеком — спецом НАСА по системам SQUID Эриком Ладизински (Eric Ladizinsky) — и осознает, что нашел-таки самое подходящее решение.

Дословно SQUID расшифровывается как Superconducting QUantum Interference Device, другими словами «сверхпроводящее устройство квантовой интерференции». Но на российский этот термин обычно переводят как «сверхпроводящий квантовый магнитометр» — так как очень нередко «сквиды» употребляют конкретно в качестве особо чувствительного, самого наилучшего для физиков датчика магнитного поля. Если же поглядеть на SQUID чуток по другому, то это устройство, имеющее вид сверхпроводящего кольца, пропускает через себя ток сразу в 2-ух обратных направлениях. По другому говоря, находится в состоянии квантовой суперпозиции и представляет собой готовый, на самом деле дела, кубит макроскопического размера, комфортного для вычислительных манипуляций с магнитным полем.

Более того, «сквиды» можно делать сцепленными, чтоб заряды за счет квантового туннельного эффекта могли перескакивать с 1-го кольца на другое. Ну а самым, пожалуй, восхитительным оказывается то, что из ниобиевых «сквид-колечек», имеющих размер в толики мм, полностью можно сформировывать массивы-матрицы — фактически по той же технологии, при помощи которой на стандартных промышленных линиях изготовляются полупроводниковые микросхемы...

Когда все эти факты, суждения и расчеты были аккуратненько собраны в серьезный бизнес-план (о разработке криогенного микропроцессора квантового отжига на базе матрицы из SQUID-элементов), под настолько приличный проект Роуз и компания смогли достаточно стремительно, в том же 2003-м, получить очень солидный стартовый капитал — в размере около 100 миллионов баксов. (Посреди основных инвесторов затеи обычно упоминают основоположника империи Amazon Джефа Безоса и свою вкладывательную фирму ЦРУ США под заглавием In-Q-Tel.)

Успехи и расстройства

К 2007 году компания D-Wave сделала собственный 1-ый реальный продукт — 16-кубитный микропроцессор, получивший заглавие Orion. Сверхпроводниковые схемы машины, работающие около температуры абсолютного нуля, реально показали способность решать ряд обычных тестовых задач: судоку, рассаживание гостей за столом, поиск в базе данных на предмет наиблежайшего соответствия для специфичной молекулы. Тот факт, что микропроцессор начал сходу работать, много, нужно сказать, удивил даже самих творцов. Как говорит очередное предание, когда чип Orion реально стал решать задачки, Джорди Роуз произнес: «Ну нужно же, черт побери, эта штучка и взаправду делает то, зачем мы ее делали... Ведь прямо до этого момента мы и понятия не имели, будет ли оно вообщем работать...»

Не раскрывая подробностей собственной архитектуры, D-Wave представила ученым и рынку работающий макет нового квантового микропроцессора, но никакого фурора, ясное дело, сначала не произвела. Для научного мира имя Роуза и его предприятия не значили полностью ничего, оценивать их «черный ящик» втемную не было никаких резонов, ну а для рынка что 16 кубитов, что 5 либо 7 — все едино, так как реальные задачки требуют совершенно других масштабов. На планы D-Wave, вобщем, это никак не воздействовало, так как компания вначале была нацелена на методичное — из года в год — наращивание числа кубитов в собственном микропроцессоре.

Когда же в 2010 году на горизонте уже ясно наметился 128-битный чип, обозначился и 1-ый суровый клиент, заинтересовавшийся технологией. По окончании удачных тестов — в 2011-м — флагман военно-промышленного комплекса США, компания Lockheed Martin, вправду купила компьютер D-Wave One на 128-кубитном микропроцессоре за 10 с кое-чем миллионов баксов. Машину, как объявлено, заполучили для оптимизации собственных программ-авиасимуляторов компании, также для различных других тестов общества ученых с новейшей компьютерной архитектурой. Ради чего D-Wave One установили не в скрытых лабораториях компании, а в USC, Институте Южной Калифорнии.

Вот тогда, когда до работы с экзотичным микропроцессором реально добрались любознательные ученые-исследователи, и началось подлинное исследование новейшей системы. С очень и очень разноплановыми плодами, нужно отметить. При этом амплитуда расхождений в оценках никак не уменьшилась (быстрее даже напротив) и совместно со 2-ой большой коммерческой фортуной D-Wave — когда в 2013-м другую их машину на 512-кубитном микропроцессоре приобрели в совместное внедрение Гугл и NASA.

Подробности о том, как происходит этот сложный и очень специфичный процесс «завоевания рынка» компанией D-Wave, можно отыскать в материале «Особый путь Волны D» [5].

Тут же пора просто подытожить рассказ о необыкновенном компьютере — возвратом к тому, с чего, фактически, и начиналась статья. Другими словами к итогам новейших исследований технологии. Итоги же эти, в самом коротком виде, приблизительно таковы. На данный момент в научном обществе уже нет никаких колебаний, что в микропроцессоре компьютера D-Wave работа частей вправду происходит на базе реальных квантовых эффектов меж кубитами (достаточно длительно многие считали, что криогенный «черный ящик» просто симулирует квантовую физику).

Но (и это очень суровое НО) главные особенности в конструкции микропроцессора D-Wave таковы, что при реальной эксплуатации вся его квантовая физика не дает никакого выигрыша в сопоставлении с обыденным массивным компом, который имеет особое ПО, заточенное под решение задач оптимизации. Просто говоря, не только лишь ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли узреть ни одной реальной задачки, где квантовый компьютер мог бы внушительно показать свое вычислительное приемущество, но даже и сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задачка...

Чтобы понять, отчего все так удивительно здесь происходит, нужно для начала вдуматься в особенности конструкции микропроцессора D-Wave, матрица кубитов которого набирается из 8-битных «островков сцепленности», очень почти не связанных вместе (в эталоне же ВСЕ кубиты микропроцессора должны впрямую сообщаться меж собой). Отсюда наращивается масса иных заморочек, замыкающихся в конце и на очень недешевую в эксплуатации криогенную аппаратуру, охлаждающую схему до сверхнизких температур.

При суммировании всех этих причин подвести общий результат инициативе D-Wave идеальнее всего помогает такое вот заявление их очень настойчивого отца-основателя Джорди Роуза:

Мы желаем стать компанией типа Intel, Microsoft и Гугл. Другими словами здоровенным предприятием-флагманом на 100 млрд баксов, которое породит совсем новый тип технологий и экосистем. И я думаю, что мы уже близки к этой цели — выстроить самый зашибательский компьютер из всех, что появлялись в истории этого мира...

Нет никаких, в общем-то, колебаний, что в дальнейшем население земли точно ждет начало новейшей компьютерной эпохи. Но только навряд ли нужно быть волшебником и ясновидящим, чтоб верно осознавать — это будущее почти наверняка НЕ БУДЕТ смотреться как криогенные компы компании D-Wave Systems.


Copyright © 2018 Коипьютерный блог.