Квантовые чипы на продажу: изнанка сенсации
Представлен первый коммерческий квантовый компьютер, – заголовки в массмедиа жаром. «Будущее наступило!», «Мы спасены!». Имеется кроме того такое: «Самое значимое событие года». Либо десятилетия?
Позволяйте разбираться. Выкидывать на свалку хорошие PC, наверное, ещё рано.
13 февраля в самом сердце Кремниевой равнины, 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, дескать, на десятилетия ранее предсказанного.
Увидим, экспериментальные ячейки для квантовых вычислений учёные уже строили в лабораториях, но основное достижение канадцев – не квантовые вычисления как таковые, а постройка и разработка технологичного, надёжного и со вменяемой себестоимостью квантового процессора.
Но перед тем как поведать об устройстве чипа — несколько слов о квантовых компьютерах. Они применяют в собственных заинтересованностях законы квантовой механики, определяющие поведение квантовых частиц и изменение их состояний.
Любая такая частица может играться в компьютере роль кубита (квантового бита), что, благодаря квантовой природе частицы, имеется ни 0, ни 1, но некая суперпозиция и того и другого (изменяемым параметром возможно, например, спин). Состояние кубита описывается возможностями получения 1 и 0 при настоящего измерения.
Действительно, само измерение меняет состояние частицы – она переходит в одно из базисных состояний, условно, делается «совершенно верно нулём» либо «совершенно верно единичкой». Но до измерения её состояния частица несёт в себе как бы оба «ответа» сходу (мы об этом уже говорили, например, вот тут).
В случае если мы имеем дело с совокупностью из X кубитов, то они формируют пространство из 2X состояний.
Потом мы можем согласованно поменять состояния всех кубитов сходу, влияя на них каким-либо определённым методом. Наряду с этим окажется, что, делая одну так именуемую квантовую логическую операцию, мы делаем в один момент 2X операций в привычной нам бинарной логике.
Сердце «Ориона» – процессор в сборе с криогенной совокупностью охлаждения (фото J.Chung/D-Wave Systems с сайта dailytech.com).
Так, квантовый компьютер может кардинально обойти компьютер простой в тех задачах, где по мере роста количества переменных время, требуемое для вычислений, растёт по экспоненте.
Канадцы пишут, что ответ уравнений Шрёдингера для совокупности более чем из 30 электронов представляет собой неразрешимую задачу для простых компьютеров, базирующихся на ньютоновой физике и правилах автомобили Тьюринга.
Совокупность из 100 c лишним электронов (как в молекуле кофеина, к примеру) сложнее совокупности из 30 электронов в 1050 раз. Это уже явный тупик для хороших вычислений, в случае если напрямую пробовать моделировать это всё безобразие. Для квантового же компьютера – это задача легко решаемая, было бы в процессоре соответствующее число кубитов.
на данный момент в ряде областей (типа молекулярной химии) люди прибегают к эмпирическому, приближённому моделированию, тогда как квантовый компьютер имел возможность бы решать определённый круг увлекательных задач, так сообщить, в лоб. «Квантовая разработка снабжает правильные ответы на задачи, которыесегодня возможно решить лишь в общем», — говорит глава D-Wave Херб Мартин (Herb Martin).
Прекрасно, в теории всё выглядит соблазнительно. А что с практикой? Сходу скажем, какие конкретно же частицы физически смогут реализовывать кубиты.
Это ионы, пойманные в магнитные ловушки и всяческим образом меняющие собственное состояние при действии лазерных лучей, это сами фотоны, наконец, кроме того электроны.
Последний вариант и применили канадцы. Но, дабы из электронов (вернее из целых полчищ электронов) сделать кубиты, необходимо было, дабы целая несколько электронов пребывала в один момент в одном и том же квантовом состоянии.
Потому, что электрон относится к фермионам, таковое «согласованное нахождение» им запрещают законы квантовой физики. Но в случае если взглянуть на электроны в сверхпроводнике – картина изменяется. В том месте электроны формируют так именуемые Куперовские пары, каковые являются бозонами, движущимися как будто бы воины целой роты в ногу.
А это значит, что очень много таких электронов в куске сверхпроводника находится в один момент в одном квантовом состоянии, воображая собой красивый кубит.
Потому канадцы физически сделали собственные кубиты в виде элементов из ниобия и алюминия, охлаждённых жидким гелием до минус 273,145 градуса по шкале Цельсия, практически до безотносительного нуля. Таковой подход именуется адиабатным квантовым вычислением.
Как возможно влиять на кубиты при таких условиях? При помощи определённым образом изменяющихся магнитных полей. Но как квантовые логические операции, меняющие состояние всех кубитов сходу (приблизительно так, как в математике существуют операции над матрицами), соотносятся с теми задачами, каковые нам фактически и необходимо решать?
Иными словами – что имеется в квантовом компьютере кроме кубитов?
Это – простая кремниевая электроника со особыми программами, управляющими тем физическим оборудованием, которое меняет состояние кубитов, и создаёт измерение их состояний. Программы эти делятся на три уровня – большой, средний, низкий и последовательно реализовывают перевод задачи пользователя в комплект квантовых операторов, и – извлекают из квантового процессора «ответы», преобразуя их в конечный итог.
Центр процессора Orion, снятый с повышением (фото J.Chung/D-Wave Systems с сайта dailytech.com).
13 февраля D-Wave предоставила всем желающим возможность взглянуть, как эксперты компании трудятся на «Орионе». Действительно, сам данный компьютер не покидал штаб-квартиру компании, расположенную недалеко от Ванкувера, — с ним люди связывались через Интернет.
Они давали квантовой машине три типа задач: поиск молекулярных структур, соответствующих целевой молекуле, составление замысла рассаживания (подробности малоизвестны, но, предполагаем, речь заходит о ответе логической задачи, типа задачи о волке, капусте и козе), и – ответ логической головоломки Судоку (Sudoku).
Принципиально важно подчернуть, что в новом канадском чипе 16 кубитов, и это громадный ход вперёд если сравнивать с прошлыми опытами. В соответствии с принципу квантового параллелизма, делая над этими кубитами одну квантовую операцию, канадские умельцы практически делают аналог 65536 простых операций.
Уже добываете литавры и фанфары? Погодите. Не смотря на то, что в ответе определённых типов задач Orion возможно страно сообразительным, в целом он ещё в тысячу раз медленнее простого настольного PC.
Действительно, канадцы подчёркивают, что вся архитектура «Ориона» намерено продумана, дабы быть легко масштабируемой. И одновременно с этим исследователи всё равняется не знают, будет ли это трудиться в большем размере?
Однако, они вовсю трудятся над более большими вариантами собственного процессора. К концу 2007-го они собираются представить 32-кубитный чип, а в конце 2008-го – 1024-кубитный процессор. Дешёвый на рынке.
Учитывая правило 2X, таковой квантовый компьютер (в случае если обещания будут выполнены) станет настоящим монстром вычислений, за которым выстроятся очереди из инженеров и учёных, желающих совершить самые зубодробительные численные опыты. Такие, на каковые у простых компов ушло бы время, равное, пожалуй, возрасту Вселенной.
Ясно сейчас, из-за чего кроме того сама D-Wave пишет: «Новое устройство предназначено в качестве дополнения к простым компьютерам, для расширения существующих автомобилей, а не для их замены».
Наряду с этим, увидьте, они вычисляют Orion машиной универсальной (говорят, были примеры построения экспериментальных квантовых компьютеров строго под одну задачу). Легко для одних задач его применять 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 продемонстрировали принципиальную выполнимость идеи. Мы желаем стимулировать воображение людей».
Воображение, само собой разумеется, подстёгивается будь здоров. Лишь относиться к этому событию всё равняется направляться нормально.
Тут имеется всё ещё большое количество «в случае если» и «вероятно», — говорит Сет Ллойд (Seth Lloyd), эксперт по квантовым вычислениям из Массачусетского технологического университета(MIT). «Но, — додаёт учёный, — с позиций науки, то, что они делают — весьма интересно».
Довольно будущего тысячекубитного варианта Ллойд осмотрителен: «Если он будет трудиться, то окажет помощь решить большое количество непростых неприятностей. Но всё равняется, это не та компания, в которую я положил бы личные деньги».
Вот на таковой оптимистичной ноте мы и закончим.
