«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 08 (15)

Квантовые чипы

Рохлецкий К. П.

13 февраля 2007 года 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 на десятилетия ранее предсказанного срока. Заметим, 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 и с 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 нулем” или “точно единичкой”. Однако до измерения ее состояния частица несет в себе как бы оба “ответа” сразу. Если мы имеем дело с системой из X кубитов, то они формируют пространство из 2Х 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 2Х операций в привычной нам двоичной логике.

Таким образом, квантовый компьютер может кардинально обойти компьютер обычный в тех задачах, где по мере роста количества переменных время, требуемое для вычислений, растет по экспоненте. Однако выкидывать на свалку классические PC, похоже, еще рано.

16-кубитный квантовый процессор фирмы D-Wave

Канадцы пишут, что решение уравнений Шредингера 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 с 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 все 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, приближенному моделированию, в то время как квантовый компьютер мог бы решать определенный круг интересных задач, так сказать, в лоб. “Квантовая технология обеспечивает точные ответы на задач и, которые сегодня можно решить только в общих чертах”, — говорит глава D-Wave Херб Мартин (Herb Martin).

Хорошо, в теории все 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 свое 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 ферм ионам, 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, охлажденных 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 определенным 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?

Сердце “Ориона” — процессор в сборе с криогенной системой охлаждения

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.

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 идет 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 вперед 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 достаете фанфары и литавры? Погодите. Хотя в решении определенных типов задач Orion может быть удивительно сообразительным, в целом он еще в тысячу раз медленнее обычного настольного PC.

Правда, канадцы подчеркивают, что вся архитектура “Ориона” специально продумана, чтобы быть легко масштабируемой. И в то же время исследователи все 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.

Учитывая правило 2Х, такой квантовый компьютер (если обещания будут выполнены) станет настоящим монстром вычислений, за которым выстроятся очереди из ученых 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 ее отдела разработок Джорди Роуз (Geordie Rose) говорит: “Мы показали принципиальную выполнимость идеи. Мы хотим стимулировать воображение людей”. Воображение, конечно, подстегивается будь здоров. Только относиться к этому событию все равно следует спокойно.

“Тут есть все еще много “если” и “возможно”, — говорит Сет Ллойд (Seth Lloyd), специалист по квантовым вычислениям из Массачусетского технологического института (MIT). “Но, — добавляет ученый, — 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 все равно, это не та компания, в которую я вложил бы собственные деньги”. Вот на такой оптимистичной ноте для пользователей ныне существующих «компов» мы и закончим.

Центр процессора Orion, снятый с увеличением