23 октября 2015
"Живо по коням – в погоню за квантами…"

Научно-технический прогресс сегодня – явление, подобное цунами. Он не просто движется вперед семимильными шагами в сапогах-скороходах, а стремительно преодолевает пространство и время на ковре-самолете. Образно говоря, то, что позавчера существовало лишь в научно-фантастических книгах, а вчера было верхом совершенства, сегодня - вполне обычная вещь. Назавтра же новинка станет раритетом наподобие распространенного «во времена оны» механического арифмометра «Феликс».

Но с массой новшеств, разумеется, приходится работать подольше. Одно из них – квантовый компьютер, идея которого появилась в начале 80-х годов прошлого столетия. За прошедшее время полноценного квантового компьютера пока не появилось, хотя компания «D-Wave Systems» (Канада) с 2007 г. разрабатывает такие устройства, повышая их мощность. Если первый квантовый компьютер содержал в себе всего 16 кубитов, то самый новый, появившийся летом этого года – более 1000. С 2011 года компания выпускает компьютеры «D-Wave One» мощностью 128 кубит, работающие на принципе квантовой релаксации.  Они уже нашли применение, в частности, в известной аэрокосмической компании «Lockheed Martin» (США).

Справка: поскольку нашу газету читают не только физики, необходимо внести некоторую ясность. Итак, квантовый компьютер – вычислительное устройство, использующее для передачи и обработки данных явления квантовой суперпозиции (альтернативные или взаимоисключающие состояния, которые не могут быть реализованы одновременно) и квантовой запутанности -  явления, при котором квантовые состояния 2-х или более объектов оказываются взаимозависимыми. Это явление сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Кубит – наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Квантовая релаксация (квантовая нормализация или квантовый отжиг) - довольно общий математический метод нахождения решения заданной функции среди набора решений-кандидатов.  

Несмотря на то, что компьютеры «D-Wave One» могут решать крайне ограниченный подкласс задач оптимизации, и не подходят для реализации традиционных квантовых алгоритмов, они уже демонстрируют превосходство над обычными процессорами. Профессор Кэтрин МакГью (Канада) провела сравнение «D-Wave One» с процессором «Vesuvius» и обычного компьютера, оснащенного процессором «Intel». Первый из тестов «квантовый» компьютер выполнил за 0,5 секунды, обычный – за полчаса. Во 2-м тесте потребовалась программа-переводчик для квантового компьютера, поэтому скорость вычислений была примерно одинаковой. В 3-м же тесте, где также понадобилась программа-переводчик, «D-Wave One» за 30 минут решил 28 из 33 заданных задач, а обычный компьютер – только 9.

Казалось бы – что мешает распространению столь эффективных вычислительных систем? Таких помех две: необходимость обеспечения очень высокой точности измерений и риск разрушения или искажения действий квантовой системы под влиянием внешних воздействий – температуры, электромагнитного излучения и т.д. Решением этих вопросов занимается множество ученых со всего мира. Наибольших же успехов добилась международная научная группа, в которую входят физики из Нидерландов и США. Их исследования уже дали результат: по информации PhysOrg.com, ученые создали квантовый компьютер на основе алмаза. Его мощность, правда, составляет всего 2 кубита, но представлены они гибридной системой: 1-й кубит – спин (имеющий квантовую природу собственный момент импульса элементарных частиц, не связанный с их перемещением как целого) ядра атома азота, присутствующего в алмазе как примесь, 2-й кубит – спин электрона.

Сделано это было вот зачем: квантовые ячейки на основе одних электронов в каком-либо твердом теле могут проводить быстрые вычисления, но они очень быстро теряют связанное состояние. Атомное ядро же держится намного дольше. Используя его как носитель информации, ученые изобрели оригинальную защиту от декогеренции - нарушения связей в квантовой системе, вызываемого ее взаимодействием с окружающей средой. В итоге, компьютер-кристалл «научился» стабильно работать при комнатной температуре. Это очень важно для перспективного появления по-настоящему массовых квантовых вычислительных машин. 

Ниже мы завершим рассказ об этом, поистине «драгоценном» исследовании, а сейчас постараемся узнать, превратятся ли в будущем дорогие и красивые, но бесполезные ювелирные украшения с бриллиантами в мощные вычислительные системы? Своим мнением об этом с нами делятся молодые ученые Института физики КФУ, чья деятельность напрямую связана с квантовыми технологиями: младшие научные сотрудники НИЛ «Новые материалы для квантовых технологий» Юрий Лысогорский (по совместительству - ведущий инженер Центра квантовых технологий ИФ КФУ) и Денис Звездов. Кроме того, они расскажут, проводятся ли подобные исследования в alma mater.

Ю.Лысогорский: «До создания по-настоящему эффективного универсального квантового компьютера пройдет еще немало времени. Да, голландские и американские ученые создали стабильно  работающее при комнатной температуре квантовое устройство, но основные препятствия на пути создания мощной квантовой вычислительной аппаратуры еще впереди. Например, для той производительности, при которой квантовые компьютеры могут сравниться по эффективности с  обычными, нужно увеличить число кубитов до нескольких сотен. Подобные задачи масштабирования редко проходят «без сучка и задоринки».

Хочу также отметить, что, несмотря на большое значение проведенной голландскими и американскими физиками работы, ее нельзя назвать окончательным вариантом схемы реализации квантового компьютера. Сейчас ученые пробуют различные ее варианты, так как ни одна система пока не удовлетворяет всех требований, предъявляемых к универсальному квантовому компьютеру. Поэтому вопрос, какой  будет итоговая схема реализации, остается открытым».

Д.Звездов дополняет коллегу: «Добавлю, что проведенные на квантовом 2-кубитовом компьютере эксперименты на основе азотных вакансий в алмазе - это реализация квантового поиска на пространстве из 4-х состояний, так называемая 2-битовая задача Дойча-Йожи. Она, наравне с задачей коррекции ошибок, пожалуй, является одной из самых простых тестовых задач для проверки того, что изучаемая квантовая система хотя бы потенциально подходит для реализации квантового компьютера.

Подобные эксперименты были впервые проведены еще в 1998 г. для другой реализации квантового компьютера - ядерных спинов растворов органических молекул. Результаты этих исследований были опубликованы в журнале «Nature». Позднее на той же системе была экспериментально показана возможность реализации алгоритма Шора - квантового алгоритма факторизации (разложения на простые множители) чисел.

Дело в том, что хотя алгоритм Шора, возможно, имеет больший практический интерес, чем квантовый поиск, для его реализации нужно минимум 7 кубитов, в то время как для простого алгоритма коррекции ошибок – 3, а для задачи Дойча-Йожи - 2. Это, кстати, было продемонстрировано год назад - тоже на системе алмаза с азотными вакансиями. Результаты этих экспериментов были опубликованы в «Nature nanotechnology».

Можно предположить, что следующим этапом исследований в этой области будет построение квантового компьютера, несущего большее число кубитов. Но вот на основе чего он будет создан – пока неясно, так как в конструировании емких «алмазных» компьютеров есть трудности». 

Ведется ли работа по развитию квантовых компьютеров в КФУ? По словам наших экспертов, такие исследования ведут многие научные коллективы по всему миру. В их числе и Казанский университет, сотрудничающий с японским институтом RIKEN. Кстати, недавно оттуда вернулся аспирант Института физики Нияз Бейсенгулов. В Японии он работал с электронами на поверхности сверхтекучего гелия - физической системой, которую в перспективе можно использовать для квантовых вычислений.

Для продолжения этих исследований в КФУ планируется сборка экспериментальной установки, аналогичной японской. В частности, в ближайшее время к нам должен прибыть рефрижератор растворения - специальная установка для получения низких (ниже 1 К) температур, необходимых для функционирования данной системы.

Но вернемся к созданному голландцами и американцами «алмазному» компьютеру. Проблему вмешательства окружающей среды ученые решили с помощью микроволновых импульсов, регулярно меняя ими спин электрона. По словам одного из участников научной группы Дэниела Лидара (Университет Южной Калифорнии, США), подобное воздействие на электроны уничтожало рассогласования, появляющиеся между параметрами двух частиц и мешающие нормальной работе системы: внутренний резонанс помогал избежать конфликта между внешними импульсами и выполнением поставленной задачи.  Это позволило периодически «обезвреживать» воздействие окружающей среды - остающегося времени хватало на быстрое и точное выполнение квантовых операций.

Если работа канадских компьютеров производства «D-Wave Systems», как уже упоминалось, основана на принципе квантовой релаксации, то новый «ювелирный» компьютер работает именно в квантовом режиме. Чтобы доказать это, его создатели выполнили на своем детище алгоритм Гровера. В упрощенном виде он напоминает поиск имени по номеру телефона в справочнике. Можно найти этот номер (и, соответственно, имя) на первых страницах справочника, а можно - на последних. Если же нужно найти много имен, то придется, в среднем, перелистывать половину справочника.

Ученые были убеждены, что их квантовый компьютер в силу присущего ему принципа суперпозиции состояний решит такую задачу намного быстрее, найдя правильный ответ в самом начале перебора вариантов. И действительно, компьютер-драгоценность делал правильный выбор с 1-го раза в 95% случаев, что невозможно при классическом переборе.

Действительно, похоже, что, пусть и не завтра, но не в столь отдаленном будущем ноутбуки, планшеты и прочая вычислительная техника станет достоянием истории. Вполне вероятно, что ее заменят искрящиеся драгоценные камни в оправе серег, перстней и кулонов.

PS. Этот материал вышел в день рождения одного из старейших вузовских изданий на территории бывшего СССР - газеты «Казанский университет». Поэтому редакция сочла необходимым вкратце рассказать об авторах вышедших 22 октября публикаций.

Автор материала, который вы, наши любимые читатели, только что прочли - старожил редакции. Он впервые появился в «Казанском университете» в 1994 г, будучи первокурсником существовавшего тогда факультета журналистики, социологии и психологии. 6 лет подвизался внештатником (что помогало ему успешно сдавать семестровые практики работы в редакции), а затем стал полноправным корреспондентом. В 2003 году сменил место работы, но 7 лет спустя вернулся к родным пенатам. Таким образом, автор ведет летопись alma mater уже 14 лет.

И делает он это с огромным удовольствием! Автор, будучи убежденным либералом и сайентистом (не путать с сайентологом!), а также противником религиозного мракобесия всех мастей и псевдонаучного шарлатанства, постоянно старается внести свою скромную лепту в дело популяризации науки – единственного точного инструмента познания мира. Поэтому он горд тем, что трудится именно в газете «Казанский университет» - мало того, что вузовской, так еще и выходящей в одном из старейших университетов России, обладающем богатейшими научными традициями!

С днем рождения тебя, «Казанский университет»! Пусть на твоих полосах выступают только самые лучшие научные журналисты и ученые-эксперты!

Источник информации: Алексей Леонтьев