Новости высоких технологий. Фотонные компьютеры
Hewlett Packard создали фотонный процессор с тысячей компонентов на чипе
В настоящее время для передачи и обработки информации используется поток электронов, но постоянное увеличение сложности вычислений говорит о том, что современных методик скоро будет недостаточно и электроны неплохо было бы заменить чем-то другим. Фотоны, имеющие гораздо большую скорость, подойдут для этого как нельзя кстати. Группе исследователей из лаборатории Hewlett Packard удалось создать оптический процессор, на чипе которого присутствует 1052 оптических компонента, способные быстро и эффективно выполнять достаточно сложные вычисления.
Принцип работы оптического процессора основан на модели, определяющей взаимодействие магнитных полей отдельных атомов. Эта модель предполагает, что каждый из атомов вращается, а направление его вращения может указывать «вверх» или «вниз». В ферромагнитных материалах, находящихся при температуре выше определенной точки, направления вращения атомов ориентированы хаотичным образом за счет их тепловых колебаний. Однако при понижении температуры на первый план начинают выходить взаимодействия между атомами и направления их вращения упорядочиваются, ориентируясь в определенном направлении.
Элементы оптического процессора
Если говорить о строении чипа, то на нем созданы 4 вычислительных узла, оперирующие с инфракрасным светом. Поток света, выходящий из каждого узла, проходит через череду разделителей, взаимодействуя со светом, выходящим из других узлов. Как утверждают авторы исследования из лаборатории Hewlett Packard,
«Программа, определяющая выполняемые оптическим процессором вычислительные операции, кодируется в виде температур множества нагревателей, отвечающих за работу отдельных элементов. Свет, прошедший через обработку и смешение со светом из других вычислительных узлов, проходит через микрокольцевые резонаторы, где он очищается от помех и возвращается в вычислительный узел, который изменяет свое состояние, меняя снова фазу выходящего из него света. И так происходит до тех пор, пока вся система не найдет сбалансированное состояние, которое и будет являться решением поставленной задачи».
Подобные процессоры пока не могут выступать в качестве элемента полноценного компьютера, зато могут послужить в роли ускорителей при выполнении определенных задач, к примеру, обработки алгоритмов компьютерной графики или обработки другого большого массива данных.
hi-news.ru
маленькие частицы для большого прорыва / Блог компании Google / Хабр
Квантовый компьютер, пожалуй, является самым сложным и самым интригующим устройством «второй квантовой революции». Можно считать, что эту революцию – волну технологий на основе использования индивидуальных квантовых объектов – идея квантового компьютера, собственно, и запустила. Действительно, стимулирующим фактором стремительного развития в последние годы таких технологий как квантовые коммуникации, квантовые генераторы случайных чисел, квантовое моделирование, а также квантовые сенсоры, можно считать именно квантовый компьютер.
На данный момент универсальный квантовый компьютер – гипотетическое устройство, а его создание – один главных вызовов для науки и инженерии. Предстоящая в рамках Международной конференции по квантовым технологиям (которая состоится в Москве 12-16 июля 2017 года) публичная лекция лидера квантового проекта Google Джона Мартиниса призвана раскрыть наиболее интересные аспекты гонки, разворачивающейся вокруг построения квантового компьютера. Что может дать нам квантовый компьютер? Кроме революционных последствий для существующих инструментов информационной безопасности, квантовый компьютер откроет путь к новым материалам, новым методам поиска по базам данных, распознавания образов, машинного обучения, а также, как прогнозируется, к новой эре в развитии искусственного интеллекта.
Квантовый компьютер компании D-Wave на обложке журнала Time.
Двадцатый век подарил нам компьютеры. Несмотря на тот факт, что элементарная ячейка компьютера – транзистор – может также по праву считаться квантовой технологий, для описания работы имеющихся в нашем распоряжении компьютеров достаточно классической физики. Поэтому мы будем называть привычные нам компьютеры классическими. Для описания процесса вычисления понятие машины Тьюринга, полностью имитирующей исполнение алгоритма на компьютере.
К идее квантового компьютера научное сообщество подвели «три мысленных облачка» [1]. Первое «облачко» – развитие и обобщение классической теории информации Шеннона на квантовый случай. Несмотря на то, что поначалу интерес к такой задаче можно считать чисто академическим, а рассмотрение достаточно абстрактным (характерным больше для математики, чем для физики), эти исследования быстро выявили потенциал квантовых систем для теории информации. Важные парадигмы для квантовой теории информации возникли в работах Юрия Манина, Стивена Визнера (предложившего сопряженное кодирование и «квантовые деньги»), а также Александра Холево (доказавшего знаменитую «Теорему Холево»). Позднее, с помощью разработанной Дэвидом Дойчем квантовой машины Тьюринга начали исследоваться первые квантовые алгоритмы для гипотетических квантовых компьютеров.
Второе «облачко» – это интерес к вопросу о том, какие физические ограничения накладывает квантовая механика на возможности компьютеров. Этот вопрос поднимался Чарльзом Беннетом (одним из создателей квантовой криптографии), и был освещен Ричардом Фейнманом в одном из первых докладов, посвященным квантовым вычислениям. Оказалось, что сформулировать такие ограничения (за исключением, пожалуй, размерных, согласно которым вряд ли транзистор может быть меньше, чем один атом) достаточно трудно. А если мыслить в терминах размерных ограничений, то можно гипотетически построить очень миниатюрный компьютер, в котором все классические биты (0 и 1) будут заменены на квантовые биты (кубиты), реализуемые с помощью двухуровневых квантовых систем (системы, которые могут находиться в двух возможных состояниях). Такой миниатюрных компьютер будет описываться законами квантовой физики, а квантовые биты будут находится не только в двух состояниях, но и во всех возможных суперпозиции этих состояний.
Наконец, третье «облачко» связана с тем, что компьютеры продемонстрировали свой потенциал для сложных расчетных задач, например, в атомных или космических проектах. Однако в задачах, связанных с расчетом из нескольких квантовых частиц, серьезных продвижений не было. Тем не менее, актуальных задач для расчетов в области квантовой физики достаточно много.
Все эти идеи в совокупности представляли большой интерес для научного сообщества, но не отвечали на главный вопрос: что могли бы дать гипотетические квантовые вычислительные устройства? Преимущества в вычислениях? В каких задача? Расчет многочастичных квантовых систем? Каким образом?
В начале 90ых годов было предложено несколько квантовых алгоритмов, которые давали заметный выигрыш по сравнению с существующими классическими алгоритмами. В 1992 году Дэвид Дойч и Ричард Йожи (на основе предшествовавшей работы Дойча 1985 года) показали, что квантовой компьютер дает выигрыш в задаче в достаточно специфической задаче. Представим себе, что у нас есть функция, про которую точно известно, что она либо принимает всегда одинаковое значение (0 или 1) для всех аргументов, т.е. является постоянной величиной, либо является сбалансированной (для половины области определения принимает значение 0, для другой половины 1). Вопрос: сколько нужно раз посмотреть на результат вычисления этой функции, чтобы сказать сбалансированная она или постоянная? В этой (прямо скажем, достаточно непрактичной) задаче квантовый компьютер демонстрирует экспоненциальный выигрыш по сравнению с классическим.
Другим (тоже не больно практичным) важным шагом стал алгоритм Саймона. Алгоритм Саймона вычисляет период функции s за линейное время, в то время как любому классическому алгоритму требуется экспоненциальное время в зависимости от длины входного аргумента функции.
Тем не менее, именно алгоритм Саймона вдохновил Питера Шора на создание квантового алгоритма решения задачи факторизации (разложение числа на множители) и дискретного логарифмирования. Несмотря на опять же присутствующее изобилие сложны математических терминов, эти задачи гораздо практичнее, чем кажутся на первый взгляд. Такие задачи используются в криптографии с открытым ключом. Идея криптографии с открытым ключом состоит в том, чтобы использовать такую задачу, для которой прямое вычисление является простым, а обратная задача является сложной. В самом деле, перемножить два простых числа достаточно просто, а вот если задано большое число трудно сразу сообразить из каких простых множителей оно состоит. Трудно сообразить не только нам, но и даже самым лучшим классическим компьютерам.
Таким образом, если квантовый компьютер будет создан, то существующая информационная инфраструктура в части методов защиты информации должна быть модифицирована. Методы криптографии с открытым ключом используются в очень широком диапазоне продуктов для информационной безопасности, поэтому квантовый компьютер – настоящая угроза для конфиденциальности данных, атомная бомба информационного века.
Интересно отметить, что метод модификации, который гарантирует абсолютную стойкость шифрования даже при наличии квантового компьютера, был предложен за 8 лет до алгоритма Шора в работе Чарльза Беннета и Жиля Брассара, а также в работе Артура Экерта 1991 года. Однако лишь после создания алгоритма Шора работа Беннета и Брассара, предлагавшая использовать квантовые эффекты как способ защиты информации, получила заслуженное внимание научного сообщества.
Потенциал квантового алгоритма Шора, а также квантового алгоритма Гровера, который дает ускорение в другой практичной задаче поиска по базе данных, приковал пристальное внимание научного сообщества к задаче разработки квантового компьютера. В добавлении к упомянутым «трём облачкам» поспело четвертое – замечательный экспериментальный прогресс в области создания методов работы с квантовыми системам на уровне отдельных их индивидуальных объектов (фотонов, отдельных атомов, электронов и др). Этот прогресс был отмечен Нобелевской премией 2012 года Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленд с формулировкой: «за создание прорывных технологий манипулирования квантовыми системами, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими».
Однако задача построения квантового компьютера чрезвычайно сложна. Построить большую систему, состоящую из квантовых объектов так, чтобы она была, с одной стороны, достаточно хорошо защищена от окружения (которое может деструктивно влиять на её квантовые свойства), при этом, с другой стороны, позволять объектам этой системы (кубитам) «разговаривать» друг с другом для реализации вычислений, действительно очень тяжело.
Позитивным фактом является то, что квантовые биты можно в принципе создать в совершенно разных физических системах. Это и ультрахолодные газы атомов и молекул в оптических решетках, сверхпроводящие квантовые цепи, фотоны и многие другие квантовые системы. При этом каждая из этих систем обладает рядом преимуществ и недостатков.
Например, с ультрахолодных атомов и молекул в оптических решетках можно создавать неуниверсальные квантовые компьютеры, называемые часто квантовыми симуляторами. Дело в том, что поведение таких частиц в оптических решетках очень напоминает поведение электронов в периодическом поле, создаваемом ионами. Установив некоторое соответствие между системами, можно с помощью системы атомов или молекул выявлять новые интересные фазы, которые должны при определенных условиях возникать и твердых телах. Наиболее интригующими здесь являются такие задачи как создание сверхпрочных сплавов или поиск материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние уже при комнатной температуре. Последнее, конечно, приведёт к революции в электротехнической промышленности, поскольку позволит передавать энергию без потерь. Моделирование квантовых состояний огромного числа атомов на обычных компьютерах и суперкомпьютерах требует колоссальных ресурсов, а его результаты лишь ограниченно применимы к реальной физике, а квантовые симуляторы могут открыть новые пути для революционных инноваций в сотовой связи, медицине и бытовой технике.
Одной из наиболее перспективных технологий на пути к созданию квантового компьютера является использование сверхпроводниковых кубитов. Именно на основе сверхпроводниковых квантовых бит работает квантовый процессор (вычислитель) компании D-Wave. Продукт компании D-Wave не является полноценным и универсальным квантовым компьютером, поэтому сегодня мы еще можем совершать покупки в Интернете, шифруя данные своей банковской карты существующими средствами. Продукт компании D-Wave, объединяющий несколько тысяч кубитов, в данный момент предназначен в большей степени для решения задач оптимизации методом квантового отжига.
Отжиг – металлургический термин – означает класс методов решения оптимизационных задач, действующих по принципу отжига, т.е. нагрева до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. В процессе охлаждения система «двигается» между состояниями, обеспечивающими минимальную энергию до тех пор пока не остынет, выбрав для себя лучшее состояния. За счет квантовых эффектов, таких как туннелирования, квантовые системы являются более «подвижной», поэтому позволяют эффективно находить наилучшее решение. Как и в случае с квантовыми симуляторами, квантовый отжиг не является универсальным методом. Он может быть направлен на решение задач определенного класса. Тем не менее, потенциал достаточно большой. Дело в том, что задачи оптимизации тесно связаны с задачами машинного обучения. Поэтому квантовый компьютер может потенциально принести большую пользу развитию новых высокоэффективных методов обучения нейронных сетей. Кроме того, большой интерес к квантовым методам оптимизации высказывают крупные индустриальные компании такие как NASA и Airbus [2].
Возможно, именно этот потенциал стал решающим для компании Google, сформировавшей не так давно исследовательские подразделения по созданию и изучению квантовых вычислений под руководством Джона Мартиниса. При чем компания исследует как потенциал уже существующего квантового компьютера D-Wave, так и ищет подходы к созданию универсального квантового компьютера на основе сверхпроводящих кубитов.
Другие компании, такие как IBM, Microsoft и Intel также демонстрируют интерес к созданию квантовых вычислений. Например, к квантовому компьютеру из 5 кубит, созданному IBM, открыт доступ [3]. Компании Microsoft и Intel налаживают тесные связи с научным сообществом. Совместные исследовательские программы, возможно, позволят раскрыть потенциал наиболее фундаментального подхода к квантовому компьютеру – топологическим защищенным от ошибок квантовым вычислениям. Дело в том, что от ошибок, вызываемых окружением можно защититься с помощью топологии. Некоторые параметры систем, называемые инвариантами, не меняются (при определенных ограничениях) при изменении внешних условий. Если связать кубиты с этими инвариантами, то можно защититься от ошибок. Однако создать такие состояния вещества достаточно трудно, сейчас исследования в области топологических квантовых вычислений с точки зрения эксперимента только начинаются.
Квантовый компьютер из-за воздействия окружения создать тяжело. Но если квантовые системы так чутко реагируют на изменения параметров окружения, то почему бы не использовать это? Например, квантовый сенсор в виде кристалла размером порядка нескольких нанометров может быть внедрен в клетку живого организма без нарушения её жизнедеятельности и затем использоваться для измерения микроскопических полей внутри этой клетки. С помощью этой технологии становится возможным проведение магнитно-резонансной томографии отдельных клеток, их частей и даже отдельных молекул. Это открывает совершенно новые горизонты для биологии и медицины. Становится доступным колоссальный объём знаний о жизнедеятельности частей клеток, развитии болезней, механизмов функционирования лекарств. Квантовые датчики помогут разобраться и в структуре синаптических связей головного мозга человека, сделав возможным лечение его болезней или позволив разобраться в других процессах мозговой активности.
Не стоит забывать, что квантовый компьютер – не только состоит из процессора. Он также предполагает наличие памяти и интерфейсов. Одним из наиболее перспективных кандидатов для построения памяти для квантовых состояния являются ультрахолодные атомы, а для интерфейсов – фотоны, ведь ни что не передаст информацию быстрее, чем частицы света. Поэтому возможным обликом будущего может быть гибридных квантовый компьютер, сочетающий все самые лучшие качества от всех самых лучших квантовых систем.
Необходимо также иметь ввиду, что квантовые компьютеры (в любых формах: симуляторы, «отжигающие» или универсальные) не решают все задачи лучше классических, а решают лишь специальные классы. Не хочется также ошибиться в прогнозах, как Кен Олсен, сказавший в 1977 «Вряд ли кому-то придет в голову установить компьютер дома», но есть основания полагать, что квантовые компьютеры войдут в нашу повседневную жизнь как часть общей и большой гибридной информационной инфраструктуры XXI века. Такое внедрение по-настоящему позволит раскрыть «сквозной» потенциал квантового компьютера и квантовых технологий вообще, открыв новые двери на пути к прогрессу.
[1] Отсылка на лекцию А. Гейма, где он рассказывал о «трёх облачках», которые привели его к графену. [2] www.telegraph.co.uk/finance/newsbysector/industry/12065245/Airbuss-quantum-computing-brings-Silicon-Valley-to-the-Welsh-Valleys.html [3] phys.org/news/2016-05-ibm-users-quantum.html
habr.com
Квантовые компьютеры 3: практика | Политех (Политехнический музей)
1. Условия работы квантовых компьютеров
Наверное, наиболее важным и фундаментальным условием работы квантовых компьютеров является условие изолированности: внутренние механизмы квантового компьютера, находясь под контролем программиста, тем не менее, должны быть полностью изолированы от всего остального мира. Даже небольшие утечки информации, как уже отмечалось выше, могут разрушать хрупкие квантовые волны на запутанности которых строится работа квантовых компьютеров, вызывая деструктивный процесс, называемый декогеренцией.
Рис. 1. Механизмы декогеренции
Для того, чтобы волны квантовых систем были запутанными, они должны быть когерентными, то есть колебаться с одинаковой частотой и в одной и той же фазе, как световые волны в лазере. В реальных системах через некоторое время волны начинают расходиться (Рис. 1a) или менять форму из-за случайных энергетических возмущений из-за границ системы (Рис. 1b).
Так или иначе, когеренция исчезает через некоторое время Т, которое называют временем декогеренции. Никакую систему нельзя полностью защитить от декогеренции, но небольшие ее количества могут быть устранены с помощью разных приемов, называемых «квантовой коррекцией ошибок» или QEC (Quantum Error Correction). Впрочем, если смотреть на ситуацию реалистично, большая часть коррекционных механизмов будет работать только на то, чтобы устранять собственные ошибки, которые будут возникать внутри квантового компьютера из-за несовершенства его устройства. В общем случае, время декогеренции используется как базовая характеристика многих квантовых систем, претендующих на то, чтобы стать квантовыми компьютерами, так как любые вычисления необходимо проводить за время значительно меньшее, чем Т, ведь вместе с когеренцией пропадают и квантовые эффекты. И на сегодняшний день времена декогеренции больших квантовых систем измеряются в лучшем случае секундами, а то и миллисекундами. Однако достаточно большое время декогеренции не является единственным условием.
Вторым условием является масштабируемость: квантовый компьютер должен работать в пространстве состояний, количество измерений которого может расти экспоненциально, не требуя при этом экспоненциального роста ресурсов, таких как время, пространство или энергия. И, с одной стороны, это просто, как мы уже показали, ведь с увеличением количества запутанных кубитов размер квантового пространства состояний (называемого также Гильбертовым пространством по фамилии математика, придумавшего такой тип пространств) растет экспоненциально при линейном увеличении числа кубитов. С другой стороны, создание и управление кубитами – сложное дело. Для этого могут потребоваться различные ресурсы: большие помещения, микроволновая электроника, лазеры, криогенные установки и т.д… И то, что все эти приспособления сегодня успешно используются в лабораториях, отнюдь не гарантирует, что их можно будет промасштабировать, не столкнувшись с серьезными инженерными и организационными проблемами.
Третьим условием является универсальная компьютерная логика. Большие Гильбертовы пространства должны управляться с помощью ограниченного числа команд, сложность которых также не должна экспоненциально расти вместе с размерами пространства. В стандартном случае это значит, что у системы должен быть набор универсальных преобразований вектора волновой функции (называемых обычно логическими гейтами). Как уже говорилось выше, в случае кубитов достаточно иметь «аналоговые» одно-кубитные гейты для ввода информации (такие, как произвольное вращение вектора единичного кубита) и практически любой «цифровой» двухкубитный гейт для запутывания (например, контролируемый НЕ-гейт).
Но дело здесь в том, что квантовые компьютеры не обязательно должны использовать кубиты, управляемые логическими гейтами. В адиабатических квантовых вычислениях, например, ответ определяется как состояние с минимальным значением энергии у сложной сети взаимодействий между кубитами. А получают его, медленно включая контакты в этой сети и заставляя систему саму прийти в энергетический минимум, после чего это состояние и измеряют, получая ответ. В этом случае условия заключаются в том, чтобы сеть взаимодействий была достаточно сложной для проведения вычисления, но не требовала слишком долгого времени и чрезмерного охлаждения для получения ответа. Такие компьютеры эквивалентны по вычислительной мощности системам, построенным на гейтах, но создание их на практике может в некоторых случаях быть проще технологически.
Но не обеспечение контролируемости с помощью минимальных ресурсов и даже не борьба с декогеренцией являются главной проблемой в создании квантовых компьютеров, а взаимный конфликт этих требований. Ведь вычислительные части системы должны быть под постоянным контролем извне для ввода и вывода информации, а также для коррекции ошибок, но одновременно они же должны быть строго изолированными от внешнего мира для поддержания запутанного состояния большого количества кубитов. И в общем случае, возможность переключения между изолированным и контролируемым состояниями системы создать труднее, чем то или другое состояние само по себе. Для того чтобы построить настоящий квантовый компьютер необходимо суметь одновременно контролировать большие квантовые системы, измерять их, и в то же время поддерживать их строгую изоляцию от неконтролируемых частей окружения. Далее будут рассмотрены некоторые примеры систем, которые ученые пытаются использовать для достижения этой цели.
2. Реальные воплощения квантовых компьютеров
В фотонных компьютерах кубитом оказывается поляризованный фотон когерентного света, причем разные состояния кубита соответствуют разным направлениям поляризации (то есть углу наклона колебаний электромагнитных волн относительно вертикали). Такой подход оказывается привлекательным, потому что фотоны относительно свободны от декогеренции, да и однокубитные гейты, изменяющие угол поляризации, в таких системах легко сделать с помощью поляризационных пластин. Недостаток фотоники заключается в том, что создать необходимые для получения многокубитных сиситем взаимодействия между поляризованными фотонами оказывается очень сложно.
В 2001-м году в этой области был совершен прорыв, когда было показано, что масштабируемый квантовый компьютер можно сделать, используя только однофотонные источники, детекторы и оптические схемы, не требующие прямого взаимодействия между фотонами. В последние пять лет такой подход перестал быть чисто математической идеей, когда были показаны практические применения такой схемы на простейших квантовых алгоритмах, которые в будущем, возможно, позволят значительно снизить затраты ресурсов, необходимых для создания квантовых компьютеров.
Тем не менее, потеря фотонов при передаче, аналогичная декогеренции в других типах квантовых систем, остается серьезной проблемой, из-за чего для фотонов время аналогичное времени декогеренции оказывается на уровне порядка 0.1 милисекунды. Но исследования в этой области продолжаются, так как развитие фотоники позволит не только создавать фотонные квантовые компьютеры, но поможет и другим типам квантовой электроники, ведь с помощью фотонов можно было бы легко устанавливать связь между разными частями квантовых компьютеров других типов.
Рис. 4. Ионная ловушка
Главной проблемой для квантовых компьютеров на основе ионных и атомных ловушек оказывается масштабирование. С увеличением количества взаимодействующих кубитов стабилизация с помощью лазеров становится неэффективной, шумы и прочие эффекты декогеренции усиливаются, а контролировать систему с помощью имеющихся на сегодня физических гейтов становится намного сложнее. Одним из подходов, разработанных, чтобы обойти эту проблему, является пространственное разделение сложной системы запутанных ионов на отдельные небольшие зоны, связанные фотонными взаимодействиями. Это позволяет сохранять стабильность небольших групп ионов, поддерживая между ними связь даже на больших расстояниях. Основная на сегодня цель разработчиков систем, основывающихся на ионных ловушках – сохранить при масштабировании высокую степень контроля, полученную для малых систем. Системы, основанные на изолированных атомах, таких как ионы, удерживаемые электрическими полями в вакуумных ловушках с нанометровой точностью (Рис. 4), показывают наилучшие результаты по стабильности. Время декогеренции подобных систем может доходить на сегодняшний день до 15 секунд. Такие системы также оказывается достаточно легко привести в состояние когерентности благодаря фиксированному значения энергетических уровней используемых атомов. Запутывание можно произвести с помощью лазера, настраивая электронные колебания в атомах на единую частоту. Недавно был проведен эксперимент в котором удалось создать квантовую систему, состоявшую из восьми запутанных ионных кубитов.
- Ядерный магнитный резонанс
Вращающиеся ядра молекул в растворах представляют собой отличные гироскопы. Хаотическое движение молекул в растворе позволяет поддерживать угловой момент вращения всех ядер (спин) в среднем постоянным для всех атомов, что позволяет им сопротивляться декогеренции долгое время (до нескольких секунд), сравнимое с временами декогеренции у атомов в ионных ловушках. В 1996 году был предложен метод использования молекул определенной структуры в качестве маленьких квантовых компьютеров, результаты расчетов на которых можно было бы считывать с помощью технологий ядерного магнитного резонанса (ЯМР). ЯМР был изобретен на пятьдесят лет раньше и все это время использовался как один из самых эффективных методов анализа структуры молекул в органической химии.
Если облучать молекулы резонансными пульсами радиоволн, получается управлять вращением определенных ядер, что дает доступ к простейшим однокубитным гейтам. Двухкубитные взаимодействия и запутывание получаются сами собой благодаря взаимодействию разных ядер в молекуле. В результате жидкостной ЯМР позволил управлять квантовыми процессорами размером вплоть до дюжины кубитов, и даже проводить на них расчеты по простейшим алгоритмам с применением протоколов коррекции ошибок. Одним из самых первых был применен алгоритм Шора, и с помощью семиатомной молекулы, работавшей как процессор из семи кубитов, удалось успешно разложить на простые множители число 15. Множителями оказались 3 и 5. Расчет, конечно, простейший, но сам факт того, что даже этот результат был достигнут, говорит о многом.
Серьезной проблемой для квантовых компьютеров на основе жидкостного ЯМР оказывается подготовка кубитов перед процедурой вычисления, то есть, по сути, ввод информации. Ситуация осложняется тем, что методы, которые были предложены на заре этого подхода и применялись к маленьким молекулам, перестают работать, когда такие компьютеры пытаются масштабировать, увеличивая размеры молекул. С этой проблемой пытаются бороться, используя не жидкостной, а твердофазный ЯМР, для которого существует большое количество более эффективных методов для динамической поляризации ядер. К сожалению, ни один подход пока не позволил получить большую ЯМР-систему, в которой можно было бы одновременно и эффективно вводить информацию, и контролировать процесс вычисления для коррекции ошибок. Тем не менее, именно техники, использующие ЯМР, первыми позволили контролировать многокубитные системы, внеся значительный вклад в прогресс всей области квантовой электроники в целом.
- Квантовые точки
Проблема с ионными ловушками, где атомы удерживаются подвешенными в вакууме, заключается в том, что, чтобы эти атомы стабилизировать, приходится их постоянно охлаждать, откачивая из них лазерами энергию. Системы из многих кубитов было бы легче сделать, если бы «атомы», работающие в качестве кубитов, не были просто подвешены в пустоте, а являлись частью твердого тела, например, кристалла, поддерживающего их стабильность. Именно такой ход мысли мотивирует разработку квантовых компьютеров на основе квантовых точек и примесных атомов в твердых телах. Такого рода «синтетические атомы» получаются, если, например, полупроводниковая наноструктура, примесь или примесный комплекс связывают электрон в локальном потенциале с четкими энергетическими уровнями, что оказывается аналогичным электрону, связанному с обычным атомным ядром.
Существует много разных типов квантовых точек. Одной из самых первых предложенных моделей квантовых компьютеров были ряды эпитаксиальных квантовых точек, электростатические потенциалы которых создавались токами в металлических проводниках, выращенных на подложке из полупроводника. Каждая из таких точек должна была содержать в своем потенциале по электрону, направленность спина которых должна была работать как кубит. Изменяя напряжение в проводниках, работавших гейтами, можно было бы двигать электроны ближе или дальше друг от друга, включая и отключая тем самым взаимодействия между кубитами. Проблема с этой схемой была в том, что спины ядер полупроводниковой подложки создавали неравномерное магнитное поле, которое было трудно контролировать, что приводило к временам декогеренции электронных спинов порядка нескольких микросекунд. Одним из подходов для борьбы с этой проблемой является использование полупроводников на основе элементов у ядер атомов которых в принципе нет спина, таких, например, как кремний и германий. Также используются единичные примесные атомы: фосфор или изотоп кремний-28 в сверхчистом кристалле кремния-29. Эксперименты с подобными системами позволили получить времена декогеренции доходящие до 25 секунд.
Тем не менее, проблема с эпитаксиальными квантовыми точками заключается в том, что расстояния, на которых может происходить взаимодействие между кубитами, оказывается очень маленьким, что не позволяет совершать контроль, необходимый для коррекции ошибок в вычислениях. Эту проблему можно было бы решить, используя фотонные взаимодействия между разными частями компьютера для облегчения контроля и коррекции. Это подталкивает исследователей к исследованию самособирающихся (или, как их еще называют, коллоидных) квантовых точек. Они в несколько раз больше по размерам, чем эпитаксиальные, что значительно облегчает их взаимодействие с фотонами. Но использование самособирающихся квантовых точек осложняется случайной природой их образования: невозможно точно задать место, где она вырастет, а их оптические характеристики варьируются от точки к точке. Материалом для таких точек может служить множество веществ, часть из которых используется и для эпитаксиальных точек: от выращиваемых из коллоидных растворов кристаллов арсенидов индия-галлия до примесных атомов азота в кристаллах сверхчистого алмаза. И все же, несмотря на то, что сегодня уже легко можно изготавливать подложки с большим количеством выращенных на них квантовых точек, сохранение запутанности при масштабировании подобных систем пока оказывается ученым не под силу.
- Сверхпроводники
Из обычных электрических проводников получились бы плохие кубиты, которые очень быстро декогерировали бы из-за потерь энергии вследствие электрического сопротивления в проводнике. В сверхпроводниках при достаточно низких температурах электроны конденсируются в состояние, в котором ток проходит по проводнику без сопротивления. Такие токи можно контролировать с помощью макроскопических внешних воздействий, добавляя в схему индукторы, конденсаторы и т.д., что позволяет создавать кубиты и контролировать их с помощью электрических сигналов в цепи. Эти устройства похожи на обычные интегральные микросхемы, что позволяет легко изготавливать их с помощью уже существующих технологий. Однокубитные гейты в подобных схемах представляют собой интегрированные в схему проводники, управляющие кубитами с помощью резонансных пульсов микроволнового излучения. Соседние кубиты могут взаимодействовать друг другом емкостно или индуктивно, давая простые двухкубитные гейты. Впрочем, для больших квантовых архитектур применяются и другие, более гибкие схемы, такие, например, как запутывание кубитов с помощью микроволновых фотонов, позволившее проводить двухкубитные преобразования в течение нескольких наносекунд на расстоянии до нескольких миллиметров.
Важной особенностью сверхпроводниковых кубитов являются их макроскопические размеры: они включают в себя движение нескольких миллиардов электронов в устройствах размером в миллионы раз превосходящих размеры атомов, на масштабах которых в основном проявляются квантовые эффекты. Здравый смысл подсказывает, что запутывание в таких больших «макроскопических» системах должно подвергаться намного более быстрой декогеренции, чем в более «микроскопических» системах. Однако, удручающе короткие времена декогеренции, порядка нескольких наносекунд, наблюдавшиеся в ранних экспериментах, в последнее время увеличились до нескольких микросекунд, что в несколько десятков раз больше временных масштабов, необходимых для проведения логических операций в подобных системах. Тем не менее, борьба с декогеренцией остается главной задачей людей, пытающихся создать квантовые компьютеры на основе сверхпроводников.
3. Компьютеры D-Wave (Рис. в заголовке)
В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems заявила о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит. Информация о нем не отвечала требованиям достоверного научного сообщения, поэтому новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании — создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер — вызвали скепсис у экспертов.
В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера онлайн на конференции, посвящённой суперкомпьютерам. Данная демонстрация тоже вызвала скепсис. В январе 2008 года компания привлекла 17 млн. долларов США от международных инвесторов на поддержание своей деятельности.
11 мая 2011 года был представлен компьютер D-Wave One, созданный на базе 128-кубитного процессора (Рис. в заголовке). 25 мая 2011 года Lockheed Martin подписала многолетний контракт с D-Wave Systems, касающийся выполнения сложных вычислительных задач на квантовых процессорах. Контракт также включает в себя техническое обслуживание, сопутствующие услуги и покупку квантового компьютера D-Wave One. В декабре 2012 года компанией был представлен новый процессор, который объединяет 512 кубитов. В мае 2013 года Google объявила, что она запускает лабораторию по исследованию искусственного интеллекта на основе 512-кубитного квантового компьютера от D-Wave.
Считается, что компьютеры D-Wave – это сделанные на основе сверхпроводящих микросхем адиабатические компьютеры, работающие по принципу квантовой релаксации. Как уже было сказано выше, такой компьютер в своей работе основывается не на логических гейтах, а на естественном поведении физической системы, которую представляет собой сеть связанных друг с другом кубитов. Сеть таких взаимодействий описывает некоторую функцию, для которой чаще всего нужно найти глобальный минимум, которым описывается оптимальное решение какой-нибудь проблемы. При экстремальном охлаждении (20 мкК в случае компьютера D-Wave) и полной изоляции от внешних электрических и магнитных полей постепенно включаются взаимодействия между кубитами, начальное состояние которых описывает исходные условия задачи. Система постепенно перескакивает с помощью квантового туннелирования с одного минимума на другой, пока не окажется в глобальном минимуме энергии, откуда перескакивать уже некуда. Тогда это состояние системы считывают, и по нему, зная исходные данные, определяют ответ кубитного процессора.
С 2011 года D-Wave продает за $ 11 млн. долларов компьютер с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу такого типа – дискретную оптимизацию. Решение такой задачи можно применять для поиска в больших базах данных, распознавания образов, нахождения трехмерной формы сложных молекул по их структуре и т.д…
В то же время, квантовые компьютеры D-Wave Systems в течение долгого времени подвергались критике со стороны некоторых исследователей. Так, профессор Массачусетского Технологического Института Скотт Ааронсон считал, что D-Wave не смогла доказать ни того, что её компьютер решает какие-либо задачи быстрее, чем обычный компьютер, ни того, что используемые 128 кубитов удается ввести в состоянии квантовой запутанности. В 2013 году был проведен тест производительности, сравнивающий компьютер D-Wave One с обычным классическим компьютером. В зависимости от типа задач, производительность квантового компьютера превышала производительность обычного компьютера в число, варьировавшееся от трех до нескольких тысяч раз. В январе 2014 года учёные D-Wave опубликовали статью, в которой сообщается, что с помощью метода кубитной туннельной спектроскопии ими было доказано наличие квантовой когерентности и запутывания в процессоре во время проведения вычислений. Тем не менее, вопрос о том, являются ли компьютеры D-Wave настоящими квантовыми компьютерами, до сих пор остается открытым.
4. Заключение
Создание полномасштабного квантового компьютера – очень амбициозная цель, представляющаяся нам сегодня, наверное, примерно так, как полностью программируемый классический компьютер представлялся век назад. Но по мере того, как мы будем подходить ближе к этой цели, мы привыкнем контролировать контринтуитивные свойства квантовой механики, заодно открыв новые материалы, инструменты и методы, которые нам в этом помогут. Когда мы освоим квантовые технологии достаточно, чтобы полностью масштабировать квантовый компьютер, мы приручим квантовый мир и окончательно вступим в новую технологическую реальность.
polymus.ru
