Когда будет создан квантовый компьютер?

Если верить словам Джорди Роуза, очередная компьютерная революция уже началась. «Через 15 лет, — немного самонадеянно утверждает основатель компании D-Wave в своем докладе 2013 года, — мы будем иметь компьютеры, которые обойдут людей во всех отношениях». А квантовые компьютеры, производимые его компанией, будут играть решающую роль.

Серьезное заявление, однако, факты на его стороне. В то время как академический мир еще работает над квантовыми компьютерами мини-формата, компания D-Wave уже довольно давно предлагает «взрослый» суперкомпьютер: огромный черный монолит с серьезным охлаждением «святая святых» — квантового чипа, защищенного от всех внешних воздействий. Подобная машина и ее невообразимые вычислительные мощности должны стоить около $15 млн. При этом ученые и инженеры в течение нескольких лет ведут острую дискуссию о том, соответствует ли этот черный чудо-куб тому, что обещает Д. Роуз.

Перечень претензий к D-Wave довольно велик: научное невежество, преувеличенное стремление к секретности, агрессивная патентная политика в ущерб исследованиям. Что компьютер D-Wave умеет делать действительно хорошо, так это избавлять фирмы от их накоплений. Такая тенденция продолжалась в течение нескольких лет, пока в декабре 2015 года не были опубликованы результаты двухлетнего тестирования компьютера D-Wave, проведенного НАСА и Google.

Исследователи утверждают, что при определенных обстоятельствах и в определенном месте микросхемы они смогли измерить увеличение скорости обработки данных в 100 млн раз по сравнению с одноядерным процессором. Вердикт общественности: эта система может быть только квантовым компьютером. Тот факт, что это высказывание в исследовании было крайне ограничено, а фактическое ускорение в лучшем случае было стократным, утонул в сильном волнении. Компания D-Wave лаконично прокомментировала исследование в Twitter: «Прекрасно!». Также она могла бы написать: «Победа!»

У чудес есть пределы

Дэвид ди Винченцо, директор Института теоретической наноэлектроники (г. Юлих, Германия), видит эту картину немного иначе. Для него Джорди Роуз и его компания добилась риторической победы: «В моем словаре устройство D-Wave не означает квантовый компьютер». Ди Винченцо знает, о чем он говорит. Физик является пионером в области исследований квантовых компьютеров. Его статья «Вопросы квантовых вычислений» (Topics in Quantum Computing, 1996 г.) до сих пор считается критерием того, насколько действительно квантовым является квантовый компьютер.

Его суждение в отношении D-Wave следующие: их чипы точно обладают особенными характеристиками, однако это еще долго не сделает их квантовым компьютером. Научное объяснение данному факту является довольно сложным. Вкратце: D-Wave формирует в своем чипе квантовые эффекты с целью решения определенных задач, т. н. «квантовый отжиг» (Quantum Annealing).

Для этого задействованы физические эффекты туннелирования, применяемые для использования математических сокращений в задаче оптимизации. Их обработка осуществляется в квантовом вентиле, состоящем из квантовых битов (кубитов): схеме, которая, благодаря сильному охлаждению, переводится в квантовое состояние. Часть этих кубитов переплетается, при этом состояния системы описываются уравнениями квантовой механики. Благодаря принципу суперпозиции все комбинации состояний «0» и «1» данного вентиля кубитов могут обрабатываться одновременно.

Только компромиссное решение

Данная технология отличает устройство D-Wave от обычных компьютеров и действительно напоминает квантовый компьютер. Но, по словам ди Винченцо, фундаментальным свойством квантовых компьютеров является объединение очень большого числа кубитов в крупные квантовые блоки памяти и квантовые вентили: «Только масштабное объединение делает квантовый компьютер таким особенным».

Фактически производительность квантового компьютера экспоненциально увеличивается с ростом числа объединенных кубитов. Однако массированное объединение в настоящее время невозможно. До сих пор исследователи смогли объединить в лаборатории лишь дюжину кубитов. Для большего объединения и выполнения более сложных задач квантовые состояния являются нестабильными, на профессиональном жаргоне: недостаточно связанными.

У компании D-Wave положение такое же: из общего числа в 2048 кубитов в каждом чипе активными являются только 50%; соответственно, взаимосвязанными являются только октеты. «Сотрудники D-Wave решились на более низкую квантовую когерентность и, таким образом, значительно упростили свою техническую задачу, — считает ди Винченцо. — Результатом в этом случае является лишь компромиссное решение».

В квантовом компьютере, как его представляет себе ди Винченцо, миллионы кубитов объединены друг с другом. И только из этого условия вытекает почти бесконечная сложность одновременных состояний переключения, только благодаря которым и могут совершаться предсказанные чудеса производительности. Настоящий квантовый компьютер мог бы, кроме того, решать не только конкретные задачи, но и, используя множество т. н. «универсальных квантовых вентилей», работать как обычный компьютер, однако с массовым распараллеливанием вычислительной мощности.

Положительные стороны ажиотажа

Однако до этого времени должно пройти не менее 20 лет, считает ди Винченцо. Предполагается, что пока не доказано, что квантовые компьютеры никогда не смогут работать, как это задумывается; они считаются нашей скорой реальностью. До сих пор вся шумиха вокруг D-Wave для ди Винченцо имеет неоспоримое преимущество: она обеспечивает решение действительно насущных проблем квантовых вычислений.

Благодаря промышленным деньгам компания D-Wave проводит фундаментальные исследования, что можно только приветствовать. Однако еще больше внимания D-Wave уделяет «привлечению умов». Так как технические концепции пока не идут дальше идей о том, что с ними можно сделать. Если ажиотаж вокруг D-Wave приведет к тому, что еще больше светлых голов займутся данным вопросом, то настоящее вычислительное чудо может появиться гораздо раньше.

ФОТО: компании-производители