Журнал «Компьютерра» N 9 от 06 марта 2007 года - Журнал Компьютерра

Время от времени появляются совершенно нереалистичные сообщения о решительных прорывах в проблеме квантового компьютера. Например, два года назад за рубежом анонсировался квантовый компьютер на фотонах, который якобы делал квантовое преобразование Фурье на 1024 кубитах. Одного из двух авторов анонса мы пригласили к нам на семинар, уточнили с ним вместе, что можно, а что нельзя называть квантовым компьютером - и недоразумение уладилось. Случай D-Wave похож на этот, но тут еще и мощная рыночная составляющая, которую я не готов обсуждать. По научной же составляющей возникает масса вопросов:

• Где протокол квантового вычисления с пошаговым распределением амплитуд для базисных состояний?

• Какой именно алгоритм реализован?

• Где демонстрация распределения амплитуд для основных вентилей (типа CNOT или Toffoli)? Такая демонстрация должна предоставляться при любой схеме квантового компьютера, в том числе и для адиабатических вычислений, которые анонсировали авторы.

• Где сравнение с идеальной моделью квантового вычисления? Ведь для 16 кубитов симуляцию на обычном компьютере можно провести элементарно, у нас на кафедре есть парочка таких симуляторов.

• Где детальное описание архитектуры компьютера? Основные элементы - кольца из алюминия и ниобия хорошо известны, но по схеме устройства непонятно, как организуется хранение запутанных состояний.

Ни на один из этих вопросов мы не получили ответа. Далее, специалистов по сверхпроводимости удивляет, что устройство так быстро переключается с задачи на задачу - системы управления сверхпроводящими элементами вряд ли могут такое обеспечить. Непонятно, почему доступ к устройству только дистанционный; непонятно, почему в планах по наращиванию числа кубитов только степени двойки: 16, 512, потом 1024 (а такое мы уже проходили). К сожалению, все это очень мешает всерьез относиться к разработке D-Wave. А серьезные разработки на таких технологиях существуют. Например, в группе Юрия Пашкина из NEC уже два года назад было создано устройство из двух кубитов на сверхпроводящих элементах. Об этом Пашкин докладывал на нашей конференции, и там все эти пять пунктов были детально разобраны, было и много другой информации, так как дело это сложное. Не сомневаюсь, что КК на трех кубитах появится очень скоро - все запутанные состояния для них уже получены экспериментально. Дальше будет труднее. О масштабируемости (присоединяем новое сверхпроводящее кольцо - и готов еще один кубит) - забудьте.

КК - это не ноутбук, и даже не Cray. Создание масштабируемого полнофункционального КК на 100 (сто) кубитов будет событием в естествознании, перед которым померкнет квантовая физика как таковая. Я лично думаю, что этого не произойдет никогда - в силу фундаментальных ограничений. А вот что будет сделано почти наверняка - ограниченный квантовый процессор. Это квантовое устройство, организующее запутанные состояния кубитов (просто запутать несколько десятков - уже сейчас не проблема), которые можно использовать для помощи классическим компьютерам (например, при моделировании молекул). Такая цель реальна. Но она достижима только на пути серьезных исследований с возможностью полного контроля и воспроизведения результатов.

Юрий Ожигов

«КТ» уже столько писала об этом удивительном предмете (впервые еще в 1997 году в номере 224, без малого десять лет назад, а в новостях КК теперь мелькает почти на каждой неделе) что и читатели, и авторы уже выработали у себя в голове некое рабочее представление о квантовом компьютере: там внутри совокупность частиц (кубитов), находящаяся в едином, «запутанном» квантовом состоянии, и эту совокупность постепенно подкручивают в абстрактном квантовом пространстве, то один кубит, то другой, до тех пор, пока она не займет там нужное положение - и тогда все это измеряют, и получают ответ. Чудо в том, что есть задачи, требующие запредельного счета на обычном компьютере, но решаемые (теоретически) очень быстро на КК. Не потому, что КК перемалывает те же биты быстрее, чем просто К. А за счет того, что квантовая система способна каким-то образом одновременно проживать все возможные варианты своего развития - и среди них можно (с хорошей вероятностью) выбрать тот, что кодирует решение требуемой задачи.

Если кого-то не удовлетворяют такие заклинания - надо лезть в книги. Могу поделиться личным опытом. Не так давно я нашел в себе силы разобрать простейший и исторически первый пример квантового вычисления, обгоняющего обычное, классическое. Это пример того, как в квантовом случае можно за одну операцию узнать ответ к задаче, которая в классике требует ровно двух операций. Тем, кто готов затратить время и силы - рекомендую. Производит впечатление! Потому что трюк основан именно на том, что частица одновременно проходит по двум разным путям. И это выражено самой простой, школьной математикой на основе самых-самых азов квантовой механики - самой, в свою очередь, подтвержденной на опыте теорией из всех физических теорий, хотя и неинтуитивной донельзя.

Однако для того, чтобы действительно считать на КК такое, что на классическом компе, даже очень большом, посчитать сейчас невозможно, нужно много кубитов - тысячи, или хотя бы сотни. Их нужно поддерживать в этом страшно хрупком «запутанном» состоянии, да еще и управлять ими. Сейчас уже придумано несколько технологий, которые потенциально могут быть основой для такой машины.

В нашумевшем эксперименте 2001 года, выполненном группой Айзека Чуаня (Isaac Chuang), КК состоял из одной молекулы, а кубитами были ядра входящих в нее атомов (семь штук). Воздействуя на эти ядра радиоимпульсами, удалось реализовать квантовый алгоритм факторизации - представить число 15 как 3х5. Этот подход относится к так называемым ЯМР-технологиям; считается, что много кубитов на них получить вряд ли удастся (сейчас рекорд - то ли 12, то ли 8, по данным разных экспертов).

Вот еще ряд технологий, с которыми активно экспериментируют. Ионные ловушки в полупроводнике - тут уже получены запутанные состояния ионов меди и магния (тоже все в районе десяти штук). Идет работа над кубитами на квантовых точках («искусственных атомах») - это особые зоны, состоящие примерно из миллиона атомов в полупроводнике, а внутри этих зон удерживаются один или несколько электронов. Кубит - пара квантовых точек, значение «ноль» соответствует состоянию «электрон в „левой“ точке», «единица» - электрон в «правой» точке, а в процессе счета - ну, элементарно, часть электрона в одной точке, часть в другой, причем эти части измеряются комплексными числами… Есть еще идея - применить цепочки ядерных спинов, нанометровые структуры в полупроводнике: в канал в кремнии имплантируется 104-106 ионов фосфора, и получается кубит. Наконец, p-контакт - кубит в виде перехода на границе высокотемпературных сверхпроводников, его энергия имеет два минимума (ноль и единица).

Однако все эти технологии нацелены на такую архитектуру КК, где нужно последовательное и очень точное воздействие на отдельные кубиты при сохранении системы в неприкасаемом «запутанном» состоянии абсолютного квантового единства. Добиться выполнения всех этих условий для большого числа кубитов так сложно, что некоторые теоретики уже задумываются, возможно ли это хотя бы в принципе. Поэтому активно идут поиски других архитектур, где требования к точности и к изоляции от внешней среды были бы не такими жесткими.

Несколько лет назад появилась идея адиабатического КК (АКК). Исходные данные задачи кодируются исходным состоянием набора кубитов - тем, которое имеет наименьшую возможную энергию. Потом систему начинают медленно менять. И это состояние минимальной энергии («основное состояние») тоже медленно меняется, но все время остается (по идее) состоянием с минимальной возможной энергией. И в конце концов процесс выруливает к такой конфигурации этого основного состояния, которая и кодирует ответ. Именно эту архитектуру выбрала для своего КК D-Wave.

О достоинствах и подводных камнях АКК во врезке рассказывает Артур Экерт. «Элементная база», на которой работает Orion - решетка размером 4х4 из сверхпроводящих элементов, колец из алюминия и ниобия. "Состояние кубита здесь зависит от наличия или отсутствия магнитного потока через кольцо. Этот поток для таких колец тоже квантуется. Как организовать взаимодействие кубитов? Детали, возможно, известны специалистам по сверхпроводимости; в препринте, на который ссылаются разработчики, речь идет об индуктивной связи через контур", - пояснил нам Юрий Ожигов.

Именно непроясненность принципиальных деталей и разочаровала академическое сообщество, следящее за проектом.

•

В пресс-релизах D-Wave говорится о решении NP-полных задач, таких как составление расписаний авиаперелетов и головоломки судоку. Однако уже давно стало ясно, что с помощью КК скорее всего не удастся эффективно решать такие проблемы. Известно, как с помощью КК экспоненциально ускорить решение некоторых «структурированных» задач - например, факторизации целых чисел. Для NP-полных задач известно лишь, как добиться квадратичного ускорения по сравнению с прямым перебором вариантов. Это фундаментальный момент, который почти никто из писавших о D-Wave в популярной прессе не отметил.