Что делает квантовые компьютеры такими уникальными?

 

Идея использования законов квантовой механики для построения компьютера впервые была предложена физиком Ричардом Фейнманом (см. рис. 5.1) в 1982 году, а в 1985 году физик Дэвид Дойч создал первую теоретическую схему. Эта область процветала и в последующие десятилетия (см. хронологию ниже в этой главе). Но как в реальности построить квантовый компьютер и как он работает? Чтобы внести ясность, приведем сводку основ.

 

Обычные компьютеры обрабатывают информацию, используя наличие или отсутствие электрического заряда (или тока). Эти классические биты имеют два положения: включен (1) и выключен (0). Полупроводниковые переключатели – транзисторы – переворачивают эти биты, осуществляя логические элементы, например И, ИЛИ и НЕ. Объединяя эти элементы, мы можем вычислить все, что в принципе поддается вычислению.

 

Рис. 5.1. Ричард Фейнман – пионер в области квантовых вычислений.

 

В квантовых вычислениях переключение производится между квантовыми состояниями. К квантовым объектам, как правило, может быть применимо множество состояний одновременно: атом в одно и то же время может занимать несколько положений или находиться в нескольких энергетических состояниях, фотон – более чем в одном состоянии поляризации, и так далее. Можно сказать, что квантовый бит, или кубит, является суперпозицией, включающей одновременно и 0, и 1.

Это уже предлагает существенное увеличение вычислительной мощности. Но реальная основа работы квантового компьютера – это возможность запутанности друг в друге состояний множества кубитов, что создает суперпозицию всех возможных комбинаций однокубитных состояний. Разнообразные операции, одновременно проводимые над разными частями суперпозиции, эффективно реализуют крайне мощный процессор с параллельными вычислениями, характеризующийся экспоненциальным ростом потенциала: n кубитов имеют производительность обработки информации 2 n классических битов (см. рис. 5.2). Таким образом, 400-кубитный квантовый компьютер соответствует классическому компьютеру с 10120 битами – числом, намного превышающим оцениваемое количество частиц, существующих во Вселенной.

 

Рис. 5.2. Квантовая суперпозиция и запутанность объединяются, реализуя более эффективную обработку и телепортацию информации на расстояния.

 

 

Кубит

 

Обычные компьютеры используют для обработки информации биты. Основная единица квантовых вычислений – кубит. Он является физической системой, которая может существовать в двух разных состояниях и воспроизводить единицы и нули, составляющие двоичный код, который используют компьютеры. Кубит может быть электроном, поддерживаемым в магнитном поле, или поляризованным фотоном, поэтому его спином легко управлять. Подготовка кубитов, а также их считывание и запись в них информации проводится с помощью специализированного оборудования, работающего, например, на рубиновом лазере, нелинейном кристалле или даже розовом бриллианте.

 

Суперпозиция

 

Необычайным преимуществом кубита перед обычным битом является то, что он может быть приведен в состояние суперпозиции, при котором кубит и 0, и 1 одновременно. Но привести его в это состояние очень сложно: любые рассеянные потоки тепла, электромагнитный шум или удар могут снова выбить кубит из суперпозиции. Предотвращаются эти факторы с помощью сложных холодильных установок или новейшей системы подавления вибрации. Но даже в этом случае запускать квантовый компьютер можно на ограниченное время, пока не сколлапсирует суперпозиция. Это «время когерентности» очень важно.

 

Запутанность

 

И вот здесь происходит настоящая «магия». Неразрывная взаимосвязь двух субатомных частиц, или запутанность, позволяет управлять сразу несколькими кубитами. Именно это делает квантовые компьютеры такими выдающимися: всего лишь восемь кубитов, запутанные и поддерживаемые в суперпозиции, могут одновременно представлять любое число от 0 до 255, позволяя вам проводить множество операций сразу. Для квантовых вычислений важным качеством является количество запутанных кубитов, которым можно управлять одновременно. Сейчас 14 – это рекорд, достигнутый в 2011 году группой Райнера Блатта в Инсбрукском университете (Австрия).

 

 

Исправление ошибок

Любой нормальный компьютер допускает ошибки. Иногда пик напряжения или проходящая частица космических лучей может поразить бит, изменив его с 0 на 1. Безопасность процессоров обеспечивается копированием данных, но в случае с кубитами работает закон, названный теоремой о запрете клонирования.

К счастью, для решения этой проблемы существуют алгоритмы исправления ошибок. Недостатком является то, что они нуждаются в огромном количестве кубитов – в 100–10 000 раз больше, чем нужно для реальных выполняемых вычислений. Однако мы быстро научились составлять массивы кубитов для исправления ошибок, и частота их появления также пошла на спад. В июне 2014 года компания IBM представила миру код, который исправляет ошибки и подходит для больших массивов кубитов – ожидается, что они обгонят по производительности обычные машины.

 

Что делает кубит хорошим?

 

В 1997 году Дэвид Ди Винченцо из IBM определил жесткий, хотя и не исчерпывающий список некоторых необходимых требований, которым должен соответствовать любой практичный квантовый компьютер.

 

• Масштабируемость

Чтобы превзойти классический компьютер, квантовый должен справляться с сотнями кубитов, включая запутывание и управление. Квантовые компьютеры, построенные до настоящего времени, осиливают только несколько. Масштабируемость представляет собой серьезное препятствие: чем больше система, тем сильнее она склонна «декогерировать» в условиях окружающих шумов, теряя необходимый квантовый характер.

• Инициализация

Мы должны быть способны надежно зафиксировать все кубиты в одном состоянии (скажем, в состоянии нуля) в начале вычислений.

• Когерентность

Время до начала декогеренции должно быть намного больше времени включения квантового логического элемента – желательно, в несколько десятков раз. В большинстве практических реализаций, которые были выполнены к настоящему времени, это требовало рабочую температуру, близкую к абсолютному нулю, для ограничения эффектов интерференции с окружающей средой.

• Точность

Результаты операций должны точно воспроизводиться кубитом, даже при осуществлении множества последовательных операций.

• Стабильная память

Должен быть обеспечен надежный способ установления состояния кубита, поддержки его в том состоянии и его последующего сброса.

 

Решение числовых задач

 

Как и остальные квантовые хитрости, перспективы квантовых компьютеров опираются в основном на два алгоритма. Один, разработанный в 1994 году Питером Шором, работавшим тогда в Bell Labs, позволяет квантовому компьютеру быстро находить простые множители больших чисел (см. интервью ниже в этой главе). Классические компьютеры фактически должны поочередно разделить данное число на все простые множители (2, 3, 5, 7, 11 и т. д.), тогда как квантовые могут производить все эти деления одновременно. Обычные методы шифровки основываются на том, что классические компьютеры не могут эффективно раскладывать на простые множители.

Если бы алгоритм Шора реализовали на практике в глобальных масштабах, то зашифрованная информация, например пин-код вашей банковской карты, стала бы уязвима для взлома – и квантовая криптография была бы единственной реальной защитой (см. ниже в этой главе). Пока что волноваться рано, поскольку квантовые компьютеры недостаточно мощны. В долгосрочной перспективе алгоритм, разработанный физиком Ловом Гровером в 1996 году, также в Bell Labs, может стать самым веским коммерческим аргументом в пользу квантового компьютера. Он предоставляет рецепт, следуя которому, квантовый компьютер сможет радикально ускорить получение огромных объемов информации и поиск среди ее массивов.

Рассмотрим пример базы данных библиотеки со списком ее содержимого. Поиск в ней конкретной книги на классическом компьютере займет время, пропорциональное числу книг n; с помощью алгоритма Гровера для квантового компьютера оно будет прямо пропорционально √ n. Для библиотеки с миллионом книг процесс пройдет в 1000 раз быстрее. Возможности такого алгоритма имеют повсеместное применение: почти все вычислительно сложные проблемы, например задача про путешествие торговца, который должен найти кратчайший маршрут по определенному числу городов, в конечном итоге сводятся к поиску оптимального решения. Однако для реализации этих блестящих перспектив придется сделать кое-что еще.

 

 

Компьютерная аппаратура

 

Существует множество вариаций подготовки кубитов для квантового компьютера – от поляризации света или охлаждения атомов до подавления коллективного движения электронов. Но кубиты должны соответствовать некоторым жестким критериям, особенно в части подтверждения своей надежности, или «когерентности», к поражению со стороны окружающей классической среды. Ни один из сортов кубитов так и не собрал все галочки по чек-листу «готовности». Самыми долгоживущими оказались сверхпроводящие кубиты, но имеется и ультрахолодная новинка – спин, а также несколько неожиданных вариантов, речь о которых пойдет ниже.

 

Сверхпроводящие кубиты

 

Предвестник всех технологий квантовых компьютеров появился в 1962 году, когда Брайан Джозефсон продемонстрировал удивительный эффект в результате создания небольшого зазора в полосе сверхпроводника – материала с нулевым сопротивлением к потоку электронов при низких температурах. Например, сверхпроводящие цепи, включающие такое «джозефсоновское соединение», позволяют току течь по часовой стрелке и против нее одновременно. Это суперпозиция состояний – как раз то, что нужно для кубита. Более того, эти системы производятся из главного материала электронных технологий – кремния.

Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы, от англ. SQUID – Superconducting Quantum Interference Devices) уже используют этот эффект для проведения невероятно чувствительных измерений электромагнитных полей. Но движения электронов и состояния магнитных полей внутри СКВИДов могут также управляться с помощью внешних полей для образования битов квантового логического устройства. Кубиты СКВИДов предлагают хорошую инициализацию и время декогеренции, примерно в десять раз превышающие требуемые для включения логического элемента. Однако при большом числе кубитов нагрев вследствие использования для управления внешних полей становится проблемой.

В 2011 году компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Британская Колумбия, Канада), заявила о разработке 128-кубитного компьютера, а впоследствии и еще более мощного. Последний, объявленный в январе 2017 года (см. также ниже в параграфе «Не хотите один прямо сейчас?»), – это D-Wave 2000Q с 2000 кубитов; но все еще открыт вопрос, является ли это устройство полностью квантовым. У компании IBM уже есть 5-кубитный сверхпроводящий компьютер, способный производить квантовые вычисления, и он подключен к Интернету для внешнего использования. Компания Google обладает 9-кубитным компьютером и в ближайшем будущем надеется приобрести 49-кубитный (с использованием сетки 7x7 кубитов).

 

Спиновые кубиты

 

Одними из первых исследованных кубитов были спиновые состояния ядер, управляемые с использованием магнитных полей. Большим преимуществом спиновых состояний является то, что они составляют кубиты при комнатной температуре, хотя и с очень низкой точностью инициализации – порядка один на миллион. Но эффект теплового шума, разрушающий запутанность, означает, что компьютеры на спинах ядер ограничены 20 кубитами, прежде чем их сигнал станет размытым. Одна разновидность спинового оформления использует примеси азота в практически идеальной кристаллической решетке алмаза (угля). С их помощью вводятся электроны, спины которых управляются электрическим или магнитным полем, а также с помощью света, но увеличение до чего-то большего, чем пара спинов, оказалось слишком трудоемким.