Квантовые компьютеры: сможет ли Google изменить подход к вычислениям?

Google как никогда близка к тому, чтобы начать разработку и сборку «железа» для квантовых компьютеров, вычислительных машин, использующих принципы квантовой физики при работе с задачами, для решения которых обычным компьютерам понадобятся миллионы лет.


Начиная с 2009 года Google работала с успевшим приобрести сомнительную репутацию стартапом D-Wave Systems, представители которого утверждали, что они создали «первый коммерческий квантовый компьютер». В 2013 году Google приобрела одну из машин D-Wave. Результаты независимых тестов, опубликованные в этом году, показали, что суперкомпьютеры D-Wave используют принципы квантовой физики для решения задач ненамного эффективнее обычных вычислительных машин.


С Google планирует сотрудничать Джон Мартинис (John Martinis), профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. В рамках партнерства с корпорацией Мартинис намеревается создать новую лабораторию по исследованию аппаратных компонентов для квантовых компьютеров. Профессор попытается разработать собственную версию чипа — того же типа, что находится в компьютерах D-Wave.


Мартинис уже более десяти лет работает над испытанным подходом в квантовых вычислениях и построил несколько больших, в основном работающих без ошибок кубитов, базовых «строительных блоков», которые зашифровывают информацию в квантовом компьютере.


«Мы хотели бы пересмотреть лежащую в основе схему и сделать кубиты другим способом», — комментирует Мартинис свои усилия по улучшению D-Wave. «Мы считаем, имеется возможность улучшению этого компьютера, если применить наш способ создания кубитов». 


Квантовые компьютеры могут работать значительно быстрее обычных компьютеров при решении специфических задач в силу того, что кубиты, работающие вместе, могут использовать особенности квантовой механики для быстрого отказа от неверных способов решения и нахождения единственного правильного. Однако, с кубитами сложно работать, так как квантовые состояния весьма неустойчивы.


Крис Монро (Chris Monroe), профессор, руководящий лабораторией квантовых вычислений в Мэрилендском университете, считает, что известие о том, что один из ведущих ученых в этой области собирается разобраться, насколько практична архитектура D-Wave, можно только поприветствовать: «Я думаю, что это отличное решение предоставить такую возможность зарекомендовавшим себя ученым». 


С момента демонстрации своего первого компьютера в 2007 году компания D-Wave всегда раздражала ученое сообщество оценкой собственных усилий без предоставления убедительных доказательств. Впрочем, это не помешало компании привлечь более $140 млн инвестиций и продать несколько своих машин.


Нет сомнений в том, что компьютеры D-Wave могут производить вычисления. И опубликованное в 2001 года исследование показало, что процессоры внутри этих компьютеров действительно используют квантовые состояния, необходимые для соответствующих вычислений. Но практически нет доказательств того, что машины D-Wave используют эти новые принципы для действительного ускорения вычислительных процессов, которые связывают с квантовыми компьютерами. Есть подозрение, что они решают те самые специфические задачи, используя обычную физику.


Предыдущая работа Мартиниса была сфокусирована на традиционном подходе к квантовым вычислениям. Именно он с коллегами смог установить новую веху в области квантовых вычислений — в апреле Мартинис объявил о том, что ему удалось управлять пятью кубитами одновременно с относительно низкой частотой появления ошибок. Более крупные системы из таких кубитов могут быть настроены  для выполнения практически любого вида алгоритмов в зависимости от решаемой задачи, так же как и обычный компьютер. Чтоб приносить реальную пользу, квантовый компьютер, вероятно, должен содержать десятки тысяч кубитов.


Процессор последней модели компьютера от D-Wave содержит 512 кубитов, но все они связаны в другой компонент, известный как «квантовый релаксатор» (quantum annealer). Он может выполнять только определенный алгоритм, используемый для решения задач, связанных с выбором лучшего варианта в ситуации со многими конкурирующими требованиями. Пример такой задачи — определение наиболее эффективного маршрута доставки товаров по городу.


Мартинис был соавтором научной статьи, опубликованной в журнале Science ранее в этом году, в которой излагался строгий и независимый анализ работы D-Wave. В ее заключительной части говорилось, что по итогам тестов, запущенных на компьютере D-Wave, «нет свидетельств квантового ускорения вычислений». Но даже без это заключения критики говорили, что D-Wave это не более чем разрекламированный и, скорее, обычный компьютер со странным принципом работы. Представители компании парировали подобные высказывания тем, что их машина использовалась для решения задач, не подходящих для демонстрации ее преимуществ.


Исследование Мартинисом работы D-Wave привело к переговорам с Google и выработке его новой позиции. Теория и проведенные моделирования предполагают, что «релаксаторы», возможно, все же смогут быть использованы для квантового ускорения.


Профессор Мартинис считает, что его технология создания кубитов позволит разработать более совершенные квантовые релаксаторы. В частности, он надеется создать такой релаксатор, кубиты которого смогут более стабильно реализовать состояние, известное как суперпозиция, в сущности предполагающее одновременное представление нуля и единицы. Кубиты компьютеров D-Wave могут  сохранять состояние суперпозиции в течение нескольких наносекунд. По словам Мартиниса,созданные им кубиты могут делать то же самое до 30 микросекунд.


Мартинис изготавливает кубиты из алюминиевых контуров, размещая их на сапфировой подложке и охлаждая до 20 милликельвинов, что немногим выше абсолютного нуля, поэтому они становятся сверхпроводящими. Процессоры D-Wave требуют сравнимого охлаждения, но их контуры изготавливаются из сверхпроводящего ниобия и наносятся на кремниевую подложку. Мартинис в настоящее время пробует изготовить собственные кубиты на основе кремния и считает, что электроизоляционные материалы, используемые в процессорах D-Wave, могут ограничивать производительность компьютера.


Впрочем, Google не прекращает сотрудничество с D-Wave — об этом говорится в заявлении, сделанном руководителем квантовых исследований Google. Компьютер D-Wave, приобретенный компанией, подвергнется апгрейду с появлением нового 1000-кубитного процессора.