Суперпозиция «Волны D»: работает ли квантовый компьютер?

⇡#Озадачивающие итоги

Практически одновременно (с разницей менее месяца) два солидных научных журнала опубликовали исследовательские работы команд ученых, которые независимо друг от друга изучали одну и ту же вычислительную систему — первый в истории ИТ коммерческий квантовый компьютер D-Wave.

В самом обобщенном виде выводы двух этих команд можно резюмировать знаменитой двусмысленной формулой типа «казнить нельзя помиловать» — когда одна группа поставила жирную запятую после слова «нельзя», а вторая, соответственно, перед. Если же формулировать чуть менее замысловато и по существу, то одна статья — в журнале Physical Review [1] — очень обстоятельно и убедительно рассказывает о том, что при исследованиях работы 512-кубитного процессора D-Wave действительно обнаружены эффекты квантовой сцепленности. Соответственно, данное устройство с полным основанием имеет право именоваться настоящим квантовым компьютером, архитектурно вполне допускает дальнейшее наращивание числа кубитов, а значит, имеет замечательные перспективы на будущее...

Что же касается второй статьи — опубликованной журналом Science [2], — то в ней рассказано, как исследователи занимались не физической природой эффектов в основе работы того же самого процессора, а сугубо практической стороной дела: насколько хорошо это устройство выполняет свои вычислительные функции. Так вот, эта группа ученых столь же обстоятельно и убедительно, как и первая, демонстрирует, что в реальных проверочных тестах, оптимально подходящих для этой конструкции, квантовый компьютер D-Wave не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. По сути дела, для дорогущей, но специализированной «машины будущего» не нашлось задач, где она могла бы продемонстрировать свое квантовое превосходство. Иначе говоря, оказывается под большим сомнением сам смысл весьма недешевых усилий по созданию подобного устройства...

Даже при столь кратком описании данных работ понятно, наверное, что на их основе в высшей степени затруднительно сделать вывод о том, какова ныне ситуация с прогрессом технологий для реальных квантовых вычислений. Является ли компьютер D-Wave действительно революционным прорывом — или же это сугубо экспериментальная технология с неясным будущим?

Для полноты столь озадачивающей картины непременно надо отметить и то, что два упомянутых исследования, разительно расходящиеся в своих выводах, выполнены отнюдь не конкурирующими сторонами. Скорее даже напротив — примерно на две трети обе сборные команды состоят из ученых одних и тех же, по сути, научных центров (университет Южной Калифорнии, лаборатории корпорации Google и так далее).

Короче говоря, чтобы стало яснее, как вообще оценивать столь нетривиальную ситуацию вокруг первого в мире коммерческого квантового компьютера D-Wave, имеет смысл поглубже вникнуть в суть вопроса — как собственно технологии, так и истории ее появления...

⇡#Мы пойдем другим путем

Никакой канадской фирмы D-Wave Systems и ее квантового компьютера в истории инфотехнологий не было бы и в помине, если бы не человек по имени Джорди Роуз (Geordie Rose).

В молодые годы весьма успешный спортсмен, медалист всяческих состязаний по борьбе и кандидат в олимпийскую сборную Канады, во второй половине 1990-х Роуз всерьез решил посвятить себя науке, поступив в аспирантуру Университета Британской Колумбии. Именно тогда, в период работы над диссертацией по физике, Роузу довелось прочесть книжку ученого из НАСА Колина Уильямса «Исследования по квантовым вычислениям» («Explorations in Quantum Computing» by Colin Williams, ныне автор книги, кстати говоря, руководит бизнес-проектами D-Wave).

По тем временам — конец 1990-х — это была еще совсем новая область исследований, а книга Уильямса получила известность как одна из первых обзорных работ с описанием и анализом разнообразных теорий относительно того, как мог бы работать гипотетический квантовый компьютер. На русском языке о сути и особенностях квантовых вычислений в доступно-популярном виде рассказывается в материале примерно того же периода «Фантастическая реальность» [3]. Ну а мы для погружения в тему выделим лишь несколько ключевых моментов.

Подобно тому, как в основе обычного цифрового компьютера лежит понятие «бит», то есть носитель элементарного блока двоичной информации, 0 или 1, так и в фундаменте компьютера квантового лежит «кубит». То есть «квантовый бит» (quantum bit), носитель квантовой суперпозиции разных состояний, одновременно соответствующих как 0, так и 1, — по правилам квантовой механики. Добравшись в экспериментах до уровня квантовых кирпичиков, формирующих устройство микромира, ученые поняли, что могут не только моделировать феномены квантовой физики на схемах квантового компьютера, но и решать с его помощью массу других прикладных задач, прежде казавшихся совершенно неподъемными из-за своей гигантской вычислительной сложности.

Тот огромный, в теории, вычислительный выигрыш, что обещают кубиты квантового компьютера, непосредственно связан с присущим им свойством суперпозиции. Данная особенность квантового вычислителя позволяет обсчитывать на кубитах все ветви алгоритма фактически одновременно — с недостижимым прежде уровнем распараллеливания задачи. Но это, подчеркнем, в теории. На практике же для воплощения столь красивой идеи необходимо обеспечить несколько принципиально важных вещей. Во-первых, кубиты компьютера должны находиться в весьма особых условиях квантовой сцепленности, что делает их элементами единой квантовой системы, реагирующей на внешние воздействия как одно целое. Во-вторых, это весьма хрупкое взаимосогласованное, или когерентное, состояние системы должно продолжаться по времени больше, чем длятся деликатные операции волновых воздействий, приводящих в итоге вычислитель к нужному ответу. В-третьих…

Впрочем, для понимания масштабов задачи вполне достаточно ограничиться и этими двумя проблемами: квантовой сцепленностью множества кубитов и длительной когерентностью системы. Эффективное техническое решение для данных проблем отыскать настолько сложно, что на протяжении вот уже двух десятков лет квантовый компьютер как был, так и остается лишь крайне примитивной лабораторной моделью-игрушкой на 3, 5, 7 или от силы десяток кубитов.

За исключением, ясное дело, квантового чудо-компьютера от Джорди Роуза и его фирмы D-Wave (которая осенью нынешнего года планирует выпустить на рынок новое поколение своей машины с 1024-кубитным процессором). В качестве объяснения для этого «чуда» привлекается следующий легендарный факт из биографии отца-основателя. Когда Роуз прочел обзорную книгу Уильямса о квантовых вычислениях, у него случилось нечто вроде озарения. Работавший над диссертацией совсем иной тематики аспирант вдруг отчетливо понял, что квантовый компьютер — это именно то, чем он хотел бы заниматься всю жизнь.

Но только заниматься не так, как это делают в своих лабораториях академические ученые. Нет. Джорди Роуз сразу решил сколотить на этой почти фантастической технологии внушительное состояние, причем сделать это быстро — примерно лет за десять выведя на рынок не игрушечный, а совершенно настоящий квантовый компьютер для решения реальных задач.

Самое же, пожалуй, интересное в этом историческом решении то, что поначалу, на протяжении нескольких первых лет фирмы D-Wave (созданной в 1999 году), Джорди Роуз не имел ни малейшего понятия о том, на основе какой конкретно технологии будет построена его революционная машина. Единственное, в чем он был абсолютно уверен, — это чем заниматься НЕ следует. А именно — архитектурами «квантовых вентилей», над которыми и поныне безуспешно бьются в большинстве лабораторий мира, занятых проблемами квантового компьютинга.

⇡#Деньги на отжиг

Так называемая вентильная модель (gate model) для квантовых компьютеров прочно закрепилась в основе подавляющего большинства академических исследований по вполне естественной, в общем-то, причине: эта концепция сводится к разработке квантовых эквивалентов для тех логических вентилей, которые выступают в качестве строительных блоков для электронных схем в компьютерах обычных, классических.

При таком подходе в особую ловушку захватывают индивидуальные ионы или фотоны, дабы использовать их в качестве кубитов, и сцепляют «пленников» вместе цепочками — в логические вентили, подобно тому как это сделано в обычных компьютерных схемах. То есть те же модули логических операций «и», «или», «не» и так далее, но только с той разницей, что кубиты способны взаимодействовать друг с другом намного более сложным, квантовым образом.

Фатальная беда прямого подхода в том, что кубиты в ловушках категорически не любят находиться в состоянии общей суперпозиции, иначе именуемой когерентностью. Одна случайная молекула воздуха или другой малейший «шум» в системе способны выбивать кубиты из когерентной сцепленности. Поэтому все эти хрупкие и нежные вентили необходимо тщательно экранировать буквально от всего — так что подобного рода квантовый компьютер проще простого сделать дорогущим, но бесполезным в деле устройством.

Короче, Джорди Роуза совершенно не устраивали лабораторные опыты с регистрами из 3 или 7 кубитов. Он хотел тысячу кубитов — причем в таком устройстве, которое можно продать. И было совершенно ясно, что нужен радикально иной подход, каким-то образом позволяющий избавиться от тупиковой хрупкости кубитов. В качестве одной из наиболее перспективных идей на этом пути довольно быстро был выбран так называемый «квантовый алгоритм адиабатической эволюции» [4], также известный как «квантовый отжиг» (quantum annealing). Если излагать в нескольких словах, то теоретическая суть метода выглядит примерно так.

Под отжигом в металлургии принято понимать процесс естественного остывания материала. То есть — с точки зрения физики — переход системы к основному, самому устойчивому состоянию энергетического минимума. Поскольку в природе повсюду применим принцип наименьшего действия, математическое описание данного процесса дает ученым алгоритмы для наименее затратного приведения любой системы к ее оптимальному состоянию. Технически это именуют алгоритмами оптимизации, а применяют в гигантском множестве самых разных приложений — от систем искусственного интеллекта и космических исследований вплоть до биржевых спекуляций.

Квантовый же компьютер тут очень заманчив вот в каком ракурсе. Весьма часто задачи оптимизации визуально представляют как сложный горный ландшафт со множеством пиков, хребтов и долин, расположенных на разной высоте над уровнем моря. Задача ищущего — отыскать на этой местности самую что ни на есть низкую долину. И чтобы отыскать ее на компьютере классическом, надо методично — взбираясь на пики и хребты — обойти все долины, таким вот изнуряющим перебором вычислив нужный минимум. Ну а компьютер квантовый — в теории — позволяет как бы проделывать в горах множество туннелей, куда быстрее выходя на долины и отыскивая среди них минимальную.

С точки зрения физики для решения этой задачи отлично подходит известный квантовый эффект, неслучайно носящий имя «туннельный» — он обеспечивает прямой переход системы из одного состояния в другое, минуя энергетические барьеры. А самое привлекательное, что эффект туннелирования не только намного более стабилен, нежели хрупкая когерентность, но и давным-давно уже освоен в промышленности полупроводников.

Для Роуза и его фирмы D-Wave этот подход концептуально выглядел довольно заманчиво, однако поначалу не было ясности с тем, на основе какой элементной базы все это дело можно было бы реализовать. Но однажды, в 2003 году, Джорди Роуз знакомится с нужным человеком — специалистом НАСА по системам SQUID Эриком Ладизински (Eric Ladizinsky) — и понимает, что нашел-таки самое подходящее решение.

Дословно SQUID расшифровывается как Superconducting QUantum Interference Device, то есть «сверхпроводящее устройство квантовой интерференции». Однако на русский этот термин обычно переводят как «сверхпроводящий квантовый магнитометр» — поскольку очень часто «сквиды» используют именно в качестве особо чувствительного, самого лучшего для физиков датчика магнитного поля. Если же посмотреть на SQUID чуть иначе, то это устройство, имеющее вид сверхпроводящего кольца, пропускает через себя ток одновременно в двух противоположных направлениях. Иначе говоря, находится в состоянии квантовой суперпозиции и представляет собой готовый, по сути дела, кубит макроскопического размера, удобного для вычислительных манипуляций с магнитным полем.

Более того, «сквиды» можно делать сцепленными, чтобы заряды за счет квантового туннельного эффекта могли перескакивать с одного кольца на другое. Ну а самым, пожалуй, замечательным оказывается то, что из ниобиевых «сквид-колечек», имеющих размер в доли миллиметра, вполне можно формировать массивы-матрицы — практически по той же технологии, с помощью которой на стандартных промышленных линиях изготовляются полупроводниковые микросхемы...

Когда все эти факты, соображения и расчеты были аккуратно собраны в обстоятельный бизнес-план (о создании криогенного процессора квантового отжига на основе матрицы из SQUID-элементов), под столь солидный проект Роуз и компания смогли довольно быстро, в том же 2003-м, получить вполне приличный стартовый капитал — в размере около 100 миллионов долларов. (Среди главных инвесторов затеи обычно упоминают основателя империи Amazon Джефа Безоса и собственную инвестиционную фирму ЦРУ США под названием In-Q-Tel.)

⇡#Успехи и разочарования

К 2007 году компания D-Wave изготовила свой первый реальный продукт — 16-кубитный процессор, получивший название Orion. Сверхпроводниковые схемы машины, работающие около температуры абсолютного нуля, реально продемонстрировали способность решать ряд типичных тестовых задач: судоку, рассаживание гостей за столом, поиск в базе данных на предмет ближайшего соответствия для специфической молекулы. Тот факт, что процессор начал сразу работать, немало, надо сказать, изумил даже самих творцов. Как гласит еще одно предание, когда чип Orion реально стал решать задачи, Джорди Роуз сказал: «Ну надо же, черт побери, эта штуковина и вправду делает то, для чего мы ее создавали... Ведь вплоть до этого момента мы и понятия не имели, будет ли оно вообще работать...»

Не раскрывая подробностей своей архитектуры, D-Wave представила ученым и рынку работающий прототип нового квантового процессора, однако никакого фурора, ясное дело, поначалу не произвела. Для научного мира имя Роуза и его предприятия не значили абсолютно ничего, оценивать их «черный ящик» вслепую не было никаких резонов, ну а для рынка что 16 кубитов, что 5 или 7 — все едино, поскольку реальные задачи требуют совсем других масштабов. На планы D-Wave, впрочем, это никак не повлияло, поскольку фирма изначально была нацелена на методичное — из года в год — наращивание числа кубитов в своем процессоре.

Когда же в 2010 году на горизонте уже отчетливо наметился 128-битный чип, обозначился и первый серьезный покупатель, заинтересовавшийся технологией. По окончании успешных тестов — в 2011-м — флагман военно-промышленного комплекса США, корпорация Lockheed Martin, действительно купила компьютер D-Wave One на 128-кубитном процессоре за 10 с чем-то миллионов долларов. Машину, как объявлено, приобрели для оптимизации собственных программ-авиасимуляторов компании, а также для всевозможных других экспериментов сообщества ученых с новой компьютерной архитектурой. Ради чего D-Wave One установили не в секретных лабораториях корпорации, а в USC, Университете Южной Калифорнии.

Вот тогда-то, когда до работы с экзотическим процессором реально добрались пытливые ученые-исследователи, и началось подлинное изучение новой системы. С весьма и весьма неоднозначными результатами, надо отметить. Причем амплитуда расхождений в оценках ничуть не уменьшилась (скорее даже наоборот) и вместе со второй большой коммерческой удачей D-Wave — когда в 2013-м другую их машину на 512-кубитном процессоре купили в совместное использование Google и NASA.

Подробности о том, как происходит этот непростой и весьма специфический процесс «завоевания рынка» фирмой D-Wave, можно найти в материале «Особый путь Волны D» [5].

Здесь же пора просто подытожить рассказ о необычном компьютере — возвратом к тому, с чего, собственно, и начиналась статья. То есть к итогам новейших научных исследований технологии. Итоги же эти, в самом кратком виде, примерно таковы. Сейчас в научном сообществе уже нет никаких сомнений, что в процессоре компьютера D-Wave работа элементов действительно происходит на основе реальных квантовых эффектов между кубитами (довольно долго многие считали, что криогенный «черный ящик» просто симулирует квантовую физику).

Но (и это чрезвычайно серьезное НО) ключевые особенности в конструкции процессора D-Wave таковы, что при реальной эксплуатации вся его квантовая физика не дает никакого выигрыша в сравнении с обычным мощным компьютером, который имеет специальное ПО, заточенное под решение задач оптимизации. Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже и сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача...

Дабы постичь, отчего все так странно тут происходит, надо для начала вникнуть в особенности конструкции процессора D-Wave, матрица кубитов которого набирается из 8-битных «островков сцепленности», очень слабо связанных друг с другом (в идеале же ВСЕ кубиты процессора должны напрямую сообщаться между собой). Отсюда нарастает масса прочих проблем, замыкающихся в финале и на очень недешевую в эксплуатации криогенную аппаратуру, охлаждающую схему до сверхнизких температур.

При суммировании всех этих факторов подвести общий итог инициативе D-Wave лучше всего помогает такое вот заявление их крайне напористого отца-основателя Джорди Роуза:

Мы хотим стать компанией типа Intel, Microsoft и Google. То есть здоровущим предприятием-флагманом на 100 миллиардов долларов, которое породит совершенно новый тип технологий и экосистем. И я думаю, что мы уже близки к этой цели — построить самый зашибательский компьютер из всех, что появлялись в истории этого мира...

Нет никаких, в общем-то, сомнений, что в будущем человечество определенно ожидает начало новой компьютерной эры. Но только вряд ли надо быть волшебником и ясновидящим, чтобы четко понимать — это будущее практически наверняка НЕ БУДЕТ выглядеть как криогенные компьютеры фирмы D-Wave Systems.

⇡#Ссылки:

• [1] T. Lanting et al. Entanglement in a Quantum Annealing Processor. PHYSICAL REVIEW X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041 )
• [2] T.F. Rønnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, Jun 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319 )
• [3] Киви. Фантастическая реальность. К итогам конференции по квантовым вычислениям в Беркли. (Март 2000) (http://kiwibyrd.org/2014/06/22/03/)
• [4] Farhi E., et al. A quantum adiabatic evolution algorithm applied to random instances of an NP-complete problem. Science 292, 472-475 (2001)
• [5] Киви. Особый путь «Волны D». (Май 2013) (http://kiwibyrd.org/2014/05/11/135/)