D-Wave Orion: первый коммерческий квантовый компьютер?
Квантовая механика описывает взаимодействие в природе на фундаментальном уровне. Использование этих принципов для построения квантового компьютера означает не только переход на наноуровень; всё должно охлаждаться достаточно сильно, чтобы квантовые эффекты проявили себя. Именно поэтому D-Wave охлаждает систему Orion до температуры в 250 раз холоднее, чем межзвёздное пространство (вернее, чем спектр энергий частиц реликтового излучения – он такой же, как излучение тела с такой температурой).
В прошлом году компания собрала 16-кубитовый квантовый компьютер, который основатель и генеральный технический директор Джорджи Роуз (Geordie Rose) назвал самым мощным квантовым компьютером, когда либо построенным, и первым, который может запускать коммерчески-значимые приложения. В этом году компьютер стал 28-кубитовым, он умеет распознавать фотографии известных достопримечательностей – и, возможно, вскоре вы столкнётесь с работой этого компьютера в Интернете.
Всё это намного превосходит большинство других разработок квантовых компьютеров, причём D-Wave смогла создать компьютер, используя технологии производства полупроводников и существующие полупроводниковые заводы, не прибегая к помощи оптических схем, квантовых точек, сдерживания лазера или других экзотических технологий производства. D-Wave работает и над второй половиной проблемы, а именно над инструментами программирования для создания приложений, способных получить преимущество от возможностей, которые обещают дать квантовые вычисления.
Квантовый процессор D-Wave зафиксирован в нижней части блока фильтрации и заморозки; вся структура погружается в жидкий гелий, охлаждённый до 3 кельвинов, а затем блок охлаждения снижает температуру чипа до 10 милликельвинов.
Роуз определяет квантовый компьютер как “машину, которая говорит на языке природы на самом фундаментальном уровне, чтобы получить, в некоторых случаях, впечатляющий экстремальный прирост производительности по сравнению с обычными компьютерами. Компьютеры ограничиваются законами классической физики; вы можете делать с информацией не больше того, чем позволяют законы физики, если вы работаете на классическом уровне. На уровне же квантового компьютера обработка информации выполняется на устройствах, которые подчиняются законам квантовой механики. Эти устройства могут быть очень маленькими и очень холодными, при их производстве могут применяться экзотические материалы.”
Достаточно холодно для сверхпроводимости
Экзотический материал в квантовом чипе D-Wave – это ниобий; охладите его до достаточно низкой температуры, и он станет сверхпроводником. Когда обычный металл проводит электрический ток, электроны, носители электрического заряда, сталкиваются с неидеальной структурой металла, в результате чего появляется сопротивление. Когда вы охлаждаете сверхпроводящий металл подобно ниобию, электроны металла формируют куперовские пары, где движение одного электрона соответствует равному, но противоположному движению спаренного электрона, что предотвращает электроны от столкновений с неидеальной структурой и появления сопротивления, то есть электроны могут свободно протекать, без необходимости в дополнительном токе. (Можно сказать точнее: после объединения в пару импульсы у электронов всегда строго равны по величине, поэтому измениться они могут только одновременно и одинаково, а так одновременно рассеяться на неоднородностях кристаллической решётки невозможно, поэтому они продолжают двигаться так же, сопротивления нет). Когда куперовские пары входят в переходы Джозефсона на чипе (состоящие из двух сегментов сверхпроводящего ниобия, связанных слабым изолирующим барьером), их можно представить как электроноподобные квазичастицы, которые могут туннельно проходить через изолятор в переходе, эффективно проводя через него ток.
Ниобий расположен в виде колец, через которые ток может протекать по часовой стрелке, против неё или смешанно, в обоих направлениях – соответствуя, по словам Роуза, “0”, “1” или в суперпозиции двух значений в квантовом бите информации (кубите), на которых базируются квантовые вычисления. “Чип представляет собой последовательность металлических дорожек на кремниевой подложке; подложка здесь та же самая, которая используется для любого полупроводникового процесса, но сверху расположены слои металла, разделённые изолятором. Перед нами полностью металлическое магнитное устройство, где вся информация хранится в виде направлений течения тока по металлическим петлям и переходам.”
 |
Leda, 28-кубитовый чип D-Wave; каждое поколение чипа именуется по названию луны в алфавитном порядке. Нажмите на картинку для увеличения.
Направление тока преобразуется в значение кубита, в зависимости от того, есть ли у кубита смещение в сторону одного направления (0 или 1), движутся ли соседние кубиты в том же или противоположном направлении, а также от энергетического барьера между разными состояниями кубита. Нынешний чип Leda оснащён 28 кольцами, что даёт 28 кубитов, но они не связаны каждый друг с другом, только с некоторым количеством “соседей”. Куперовская пара в ниобии – это, точно говоря, бозоны, поэтому все они существуют в одном квантовом состоянии, пояснил Роуз, что даёт всему сверхпроводнику квантовые свойства даже без соединения каждого кубита. Снижение числа межсоединений упрощает производство; в результате D-Wave смогла перейти от 2 кубитов в 2002 году до 16 в 2007 и до 28 сегодня – а в следующем году, если всё пойдёт хорошо, ожидаются 512 и 1024 кубита.
Только некоторые ниобиевые кольца на чипе D-Wave соединены, что упрощает производство.
Сопоставление образцов
Многие считают, что квантовые вычисления приведут к вычислительным возможностям, на которые у суперкомпьютеров уходят годы, сделав реальностью расчёт погоды в реальном времени, создание индивидуальных лекарств и мгновенный взлом защиты. Джорджи Роуз не обещает подобных возможностей; по крайней мере, не прямо сегодня.
“Диапазон применений на данный момент довольно узок. Компьютер лучше всего понимать как аналоговый. Конечно, это не аналоговый компьютер в точности, это кое-что новое, что никогда не существовало раньше, но вы можете представлять его себе как чип специального назначения, который может эффективно справляться с одной какой-либо задачей. Рано или поздно квантовые компьютеры станут нечто большим, чем сегодня, но когда вы реализуете первую итеарацию технологии, полезно сфокусироваться на том, что чип может. Данный чип, если быть конкретным, решает проблемы, связанные с сопоставлением образцов. Что касается других приложений, таких как взлом кода, то данный чип реализован так, что они работать не смогут. Возможно, в будущем мы расширим возможности – если данный проект окажется финансово успешным – и добавим другие типы процессоров, которые будут использовать природу таким образом, чтобы решать упомянутые задачи. Но всё это – перспективы долгосрочные, и сегодня они не находятся в фокусе нашего внимания”.
На конференции “Future in Review” в этом году Роуз продемонстрировал программу сопоставления изображений, разработанную вместе с экспертом в данной области из Google, доктором Хартмутом Невеном (Dr Hartmut Neven), которая может различать фотографии, скажем, Тадж Махала от Биг Бена, сравнивая их с группой изображений, промаркированных как “Тадж Махал”. Программа ищет точки соответствия в фотографиях, то есть решает сложные математические проблемы, в которых Orion очень хорош, по словам Роуза. “Сопоставление фотографий – очень сложная проблема искусственного интеллекта, и, как получается, квантовые компьютеры хорошо справляются с технической математикой, которая лежит в основе проблем компьютерного “зрения” и проблем обучения компьютера”.
Вы можете сопоставлять изображения и искать схожие участки на традиционных компьютерах, но вы потратите уйму времени на тренировку систем, сказал Роуз. “Требование очень быстрого поиска по большому числу изображений приводит к тому, что приходится принести в жертву качество. С поиском изображений ситуация такова: вы можете хорошо справляться с поиском определённых объектов на фотографиях, но вам придётся долго и муторно к этому готовиться. Вы сможете определять лица на фотографиях очень быстро, если посвятите этому год и огромное количество вычислительных ресурсов”.
 |
Программа, удалённо работающая на Orion, определяет точки соответствия. Нажмите на картинку для увеличения.
Использование Orion вряд ли уменьшит время поиска, но, как надеется Роуз, программа даст намного лучшее соответствие того, чего вы ищите (высокую релевантность), а насчёт того, что производительность сегодня уступает традиционным компьютерам, беспокоиться не стоит. “Это не демонстрация производительности; это демонстрация того, что мы можем сегодня делать на постоянной основе. Мы можем качественно проводить поиск соответствий на больших массивах данных, что попросту не получится с обычными компьютерами, неважно, насколько хороши будут ваши алгоритмы. Когда вы ищите что-то сложное или уникальное, то объект очень проблематично описать. И перед нами как раз первый шаг в сторону систем, где вы можете искать не по тексту, а по изображениям; это как раз то, на что будут ориентированы поисковые системы будущего, и квантовые компьютеры прекрасно с этим справляются”.
Сопоставление образцов охватывает широкий спектр применений. D-Wave уже демонстрировала поиск по базе данных молекул; создание списка рассаживания гостей на вечеринке с большим числом ограничений по тому, кто может сидеть вместе; решение задач Судоку, а коммерческие приложения – уже следующий шаг. Роуз поговорил о том, как можно улучшить логистику авиационного горючего (где его хранить и куда распределять), каталогизировать звёзды на снимке космоса, смоделировать свёртывание белков или посчитать число скал на возможном месте приземления на Марсе, а также и решить сложную проблему бизнеса: “Каков будет идеальный состав группы в моей компании, которая будет работать над данным проектом? Мне нужны три программиста, которые знают C++, а также специалисты, которые умеют то и то…”
Но Orion пока ещё далёк до того, чтобы поставляться в ваши центры обработки данных. Пока компьютер останется в штаб-квартире D-Wave в канадском Бурнаби, что связано, как сказал Роуз, с “экстраординарными” требованиями охлаждения. Переходы Джозефсона составляют считанные микроны, они располагаются на чипе площадью пять миллиметров. Но сам Orion по размеру можно сравнить с крупным домашним холодильником, поскольку большую часть системы занимает охлаждение.
 |
Джорджи Роуз рядом с системой фильтрации и охлаждения. Нажмите на картинку для увеличения.
“Эта штука располагается внутри экранированной комнаты, большой металлической комнаты, которая обеспечивает практически полное отсутствие магнитных полей для определённых частот ЭМИ. Внутри располагается система, которая наполовину фильтрует, наполовину охлаждает. Мы заставляем систему работать с температурой в десять милликельвинов – всего на 0,01 градус больше абсолютного нуля. Для сравнения, температура межзвёздного пространства составляет около 2,7 кельвина. Сам чип должен располагаться в магнитном вакууме. И немало оборудования внутри относится к очень и очень надёжным фильтрам, отсеивающим самые мелкие шумы, на пределе возможностей современной технологии, чтобы “слышать” только сигналы, передающиеся по дорожкам, а все внешние магнитные поля свести к минимуму – одной нанотесле в трёх измерениях по всему чипу, что составляет современный уровень технологий магнитного вакуума”.
Как работать с квантовым компьютером?
Вместо перемещения Orion, D-Wave разрабатывает приложения, работающие удалённо. Создание квантовых алгоритмов нормализации для решения квадратных уравнений с двумя неизвестными на Orion сильно отличается от классического программирования. Вы можете работать напрямую в машинном языке системы, прямо указывая ток, протекающий по входным линиям чипа, но, как предполагает Роуз, так будут поступать только учёные, изучающие работу квантовых компьютеров. Демонстрации, подобные системе поиска сравнения изображений, пишутся в виде задач, которые он называет “принятыми в индустрии способами выражений задач комбинаторной оптимизации”. Обычный компьютер преобразует задачу для Orion так, чтобы решение соответствовало шаблону токов в кубитах, который бы требовал минимальное количество энергии – процесс нормализации.
“Это подобно задаче поиска самой нижней точки в низине, когда под рукой есть мяч, и достаточно просто его отпустить; он сам найдёт нижнюю точку, вернувшись в естественное состояние”, объсянил Роуз. “Очень легко понять, как использовать систему таким образом, но поиск способа, как можно поставить задачу, которую вам нужно решить (например, сравнение изображений) может быть очень трудоёмким. Обычно сотрудники, которые занимаются задачей на данном уровне, имеют степень по дискретной математике и богатый опыт в индустрии”.
Роуз желает, чтобы Orion пользовалось больше людей, чем сегодня; “я – сторонник того, чтобы системы были максимально открытыми для всех, кто хочет их использовать, чтобы они были максимально простыми и доступными, даже если люди не понимают квантовых вычислений”. Для простых смертных D-Wave разработала компилятор, который позволяет программистам описывать задачи в SQL с помощью новой команды FIND. “Этот уровень доступа позволяет любому, кто является экспертом в программировании баз данных, начать использовать нашу систему уже через 30 минут”, заявил Роуз, “причём большая часть времени уйдёт на изучение синтаксиса команды FIND, которая очень похожа на SELECT”. Разработчики, которые хотят протестировать прототипы приложений или желают ознакомиться с интерфейсом, могут попробовать модель на web-сервисе D-Wave, хотя она на данный момент работает с программной эмуляцией, а не отсылает код на настоящее “железо”.
Демонстрации D-Wave были восприняты неоднозначно, в частности, по причине того, что компания не опубликовала подобную информацию в солидных экспертных, а не в коммерческих журналах. Критики считают, что D-Wave разработала аналоговый компьютер, который не может приблизиться к квантовой производительности; но Джорджи Роуз верит: время докажет, что это настоящий квантовый компьютер. “Широко известно, что сегодня существует несколько универсальных моделей квантовых вычислений, как и несколько универсальных классических моделей. Та, которую мы выбрали – адиабатические квантовые вычисления – имеет существенное преимущество в том, что её легко реализовать на больших кубитах”.
Использование технологии производства полупроводников означает, что D-Wave может создавать новые версии процессора каждый месяц и дорабатывать его, если нужно решить какую-либо проблему. Роуз уверен, что сегодня существует достаточный спрос, так что мы увидим рабочий квантовый компьютер в ближайшие годы, а не десятилетия, как предполагают некоторые. “Сегодня ощущается мощный стимул со стороны бизнеса и технологий, и этот стимул никуда не денется. И это отнюдь не похоже на проводники со сверхвысокими температурами или ядерный синтез; стимул будет действовать, пока цель не будет достигнута”.
 |
Ниобиевые кольца на чипе Leda под растровым электронным микроскопом; в отличие от других технологий квантовых вычислений, D-Wave использует стандартное полупроводниковое производство. Нажмите на картинку для увеличения.
