Тема 7. Квантові комп'ютери

1. Принцип роботи

Квантовий комп’ютер (КК) – це обчислювальний пристрій, який використовує явища квантової механіки для передачі й обробки даних. Ідея квантових обчислень була незалежно запропонована Юрієм Маніним і Річардом Фейнманом на початку 80-х років минулого століття. З тих пір була пророблена колосальна робота з їх створення. Однак повноцінний універсальний квантовий комп’ютер усе ще є гіпотетичним пристроєм, можливість розробки якого пов’язана з серйозним розвитком квантової теорії. До теперішнього моменту були створені поодинокі експериментальні системи з алгоритмом невеликої складності.

Основна відмінність квантового комп’ютера від класичного полягає в поданні інформації. У звичайних комп’ютерах, що працюють на основі транзисторів і кремнієвих чіпів, для обробки інформації використовується бінарний код. Біт, як відомо, має два базових станів – нуль та одиницю, і може перебувати тільки в одному з них. Що ж стосується квантового комп’ютера, то його робота ґрунтується на принципі суперпозиції, а замість бітів використовуються квантові біти, іменовані кубітами. У кубіта також є два основні стани: нуль та одиниця. Однак завдяки суперпозиції кубіт може приймати значення, отримані шляхом їх комбінування, і перебувати у всіх цих станах одночасно. У цьому полягає паралельність квантових обчислень, тобто відсутність необхідності перебирати всі можливі варіанти станів системи. Крім того, для опису точного стану системи квантовому комп’ютера не потрібні величезні обчислювальні потужності й обсяги оперативної пам’яті, оскільки для розрахунку системи з 100 частинок досить лише 100 кубітів, а не трильйон трильйонів біт.

Таблиця 1 . Фізична реалізація кубітів.

При будь-якій зміні кубіта він змінює свій стан випадковим чином, а за рахунок наявності зв’язку між кубітами паралельно свій стан змінюють і пов’язані кубіти. Набір пов’язаних кубітів прийнято називати квантовим регістром, який за рахунок можливої безлічі комбінацій (суперпозиций) кубітів, що входять до нього, значно інформативніше класичного бітового регістра. Безпосередньо спостерігати за станом кубіта або квантового регістра можна. У той же час кубіти можуть обмінюватися своїм станом і перетворювати його, що, власне, і дозволяє створити комп’ютер, який реалізує паралельні обчислення на фізичному рівні.

Також варто відзначити, що зміна стану певного кубіта у квантовому комп’ютері веде до зміни стану інших часток, що є ще однією відмінністю від звичайного комп’ютера. І цією зміною можна керувати. Процес роботи КК був запропонований британським фізиком-теоретиком Девідом Дойчем у 1995 році, коли він створив ланцюжок, здатний виконувати будь-які обчислення на квантовому рівні. Згідно з його схемою, для початку береться набір кубітів і записуються їх основні параметри. Потім виконуються необхідні перетворення з використанням логічних операцій і записується отримане значення, яке і є результатом, що видаються комп’ютером. У ролі проводів виступають кубіти, а перетворення роблять логічні блоки.

Спрощено схему обчислень на квантовому комп’ютері можна представити таким чином. У якусь систему кубітів записується початковий стан, а потім над нею відбуваються унітарні перетворення, що виконують функцію потрібних нам логічних операцій. Таким чином, у квантових алгоритмах і описується послідовність унітарних операцій (також званих гейтами або вентилями) із зазначенням – над якими саме кубітами їх треба здійснювати. Результатом роботи квантового алгоритму є підсумковий стан системи кубітів.

Результат роботи квантового комп’ютера буде носити імовірнісний характер. Однак, збільшуючи кількість унітарних операцій, імовірність отримання правильного результату можна наблизити до одиниці. У теорії КК швидше класичних в експоненціальне число раз (алгоритм факторизації Шора), але при використанні алгоритму Гровера спостерігається лише квадратичний приріст продуктивності. Існують й інші квантові алгоритми, націлені на вирішення різноманітних завдань.

Але, незалежно від реалізованого алгоритму, використання технологій квантових обчислень дозволяє ефективно вирішувати завдання, що вимагають серйозної обчислювальної потужності. Наприклад, квантовому комп’ютеру може виявитися під силу розшифрувати повідомлення, які захищені асиметричним криптографічним алгоритмом RSA. Іншим можливим застосуванням КК можуть стати задачі моделювання фізичних процесів або обробка дуже великих обсягів даних.

Не можна не згадати й існування квантової теорії ігор, що є адаптацією класичної теорії ігор. Нагадаю, теорія ігор – це математичний метод вивчення оптимальних стратегій в іграх, де під грою розуміється процес, у якому беруть участь дві й більше сторін, які ведуть боротьбу за реалізацію своїх інтересів. У кожної зі сторін є своя мета, для досягнення якої реалізується певна стратегія, яка може вести до виграшу або програшу, у залежності від поведінки інших гравців. При цьому теорія ігор допомагає вибрати найкращі стратегії з урахуванням уявлень про інших учасників, їх ресурси та їх можливі вчинки.

У квантовій теорії ігор класичний біт (тобто вибір одного з двох варіантів, наприклад, так чи ні) замінюється кубітом, який є квантовою суперпозицією базових станів. З урахуванням пов’язаності кубітів будь-яка операція, вироблена над одним з них, може вплинути й на інші. Таким чином, розв’язка гри може виявитися досить несподіваною.

Рисунок 1. Представлення біта у класичному вигляді і у квантовому вигдялі.

Кубіти представляють собою атоми, іони, фотони або електрони і їх відповідні керуючі пристрої, котрі працюють разом, щоб виступати в якості комп’ютерної пам’яті і процесора. Завдяки системі кубітів, квантовий комп'ютер здатний вирішувати навіть найскладніші і комплексні проблеми; він має потенціал бути в мільйони разів потужнішим ніж сучасний найпотужніший суперкомп’ютер.

Для того щоб квантовий ефект мав місце, квантовий процесор має працювати в екстремальних умовах: температура має бути близька до абсолютного нуля, мають бути забезпечені екранування від магнетизму і ізоляція від вібрацій і зовнішніх сигналів будь-якої форми. Процесор екранується в замкненій оболонці, де створюється магнітне поле в 50 000 разів менше ніж магнітне поле Землі, і розміщується в високому вакуумі, де тиск в 10 млн. разів нижчий ніж атмосферний. Система охолодження, яка використовується для охолодження процесора, відома як «сухий» рефрижератор розчинення. Він використовує рідкий гелій в циклі замкненого контуру, в якому він рециркулює і конденсується за допомогою імпульсної трубки кріоохолоджувача. Охолодження з замкненим циклом усуває необхідність поповнювати кількість рідкого гелію і робить систему придатною для віддаленої установки. Рефрижератори розчинення не є рідкістю в дослідницькому середовищі, проте компанія D-Wave має передові технології, що забезпечує їм тривалість терміну служби і високу надійність. 

2. Історія

Звичайно, реалізація повноцінного квантового комп’ютера вважається одним з фундаментальних завдань фізики XXI століття, але певні позитивні зрушення в цьому питанні вже є. У 1998 році вчені з Массачусетського технологічного інституту змогли розділити один кубіт між трьома ядерними спінами в кожній молекулі рідкого аланіну або молекули трихлороетілену (нагадаю, у квантових комп’ютерах носіями інформації можуть бути атоми, іони, фотони або електрони). У березні 2000 року вчені з Національної лабораторії у Лос Аламосі оголосили про успішне створення квантового комп’ютера з 7 кубітами. Роком пізніше, у 2001, фахівці IBM продемонстрували обчислення алгоритму Шора на 7-кубітному комп’ютері.

У 2005 році групою дослідників з Московської лабораторії надпровідності під керівництвом Ю. Пашкіна за допомогою японських фахівців був побудований 2-кубітний квантовий комп’ютер на надпровідних елементах. Запам’ятався 2005 рік й іншим досягненням – вченим з інституту квантової оптики та квантової інформації при Іннсбрукському університеті вдалося створити кубайт (реєстр з 8 кубітів). У листопаді 2009 року фізикам з Національного інституту стандартів і технологій у США вдалося створити 2-кубітний програмований квантовий комп’ютер.

До речі, запропоноване Пашиним використання надпровідності для квантових комп’ютерів виявилося вельми перспективним. У лютому 2012 року фахівці компанії IBM заявили про серйозний прорив у справі створення кубітів на надпровідних елементах. Робоча температура подібних квантових комп’ютерів складає десятки мікрокельвін. Відповідно, йому потрібна вкрай ефективна система охолодження, що працює на спеціальній суміші ізотопів гелію-3 і гелію-4. Втім, технологічно отримання таких низьких температур відмінно опрацьоване вже зараз.

У квітні 2012 групі дослідників з Південно-Каліфорнійського університету, Технологічного університету Дельфта, університету штату Айова та Каліфорнійського університету Санта-Барбара, вдалося побудувати двохкубітний квантовий комп’ютер на кристалі алмаза (з домішками), який може працювати при кімнатній температурі й теоретично є масштабованим

3. Сучасний стан квантових обчислень

D-Wave Systems

У травні 2011 року нею ж був показаний 128-кубітний комп’ютер D-Wave One, а наприкінці 2012 року – комп’ютер на 512 кубітів. При цьому D-Wave One є комерційно доступним продуктом, його ціна становить $11 млн. Втім, навіть якщо не звертати уваги на високу ціну, сфера застосування комп’ютерів D-Wave поки досить обмежена, в основному мова йде про завдання дискретної оптимізації.

IBM

В листопаді 2017 року компанія IBM представила прототип квантового комп'ютера з 50 кубіт. В представленому прототипі час когерентності кубіт (час, протягом якого вони можуть залишатись в стані суперпозиції та виконувати корисні обчислення) вдалось збільшити до 90 мікросекунд. Основна частина цього прототипу (його «ядро») було показане компанією на виставці CES 2018.

Після успішного закінчення тестування, 2011 року, флагман військово-промислового комплексу США, корпорація Lockheed Martin, купила комп’ютер D-Wave One на 128-кубітному процесорі більш ніж за 10 млн. доларів. Як заявила сама компанія, машину було куплено для оптимізації власних програм-авіасимуляторів компанії, а також для всіляких інших експериментів спільноти вчених з новою комп’ютерною архітектурою.

У травні 2013 року було оголошено про започаткування спільного проекту між NASA, Google і USRA (The Universities Space Research Association )під назвою Quantum Artificial Intelligence Lab, розміщеного в Дослідницькому центрі Еймса в Каліфорнії. У цьому проекті перед D-Wave Two, з 512 кубітами, постають такі задачі машинного навчання, як, наприклад, персоналізований пошук або передбачення завантаженості трафіку за допомогою GPS даних. Також подібна система використовується в розпізнаванні голосу, осіб, поведінці і рішенні складних багатопараметричних завдань.

Для досягнення квантового ефекту машина має працювати в екстремальних умовах: температура має бути близька до абсолютного нуля, процесор ізольований від будь-яких вібрацій, магнітного поля Землі, зовнішніх сигналів будь-якої форми, атмосферного тиску, тощо. Безсумнівно це впливає і на вартість, і на габарити квантового комп’ютера. Також, у вирішенні деяких задач  він таки поступається звичайним комп’ютерам.

Квантові комп'ютери на оптичних чіпах

Вчені центру квантової фотоніки Бристольського університету створили силіконовий чип, який можна буде використовувати для складних підрахунків та симуляцій з використанням квантових часток у найближчому майбутньому. Вчені вважають що їхній прилад проторює шлях до квантових комп'ютерів — потужного виду комп'ютерів, що використовують квантові біти, а не звичайні біти, що використовуються у сучасних комп'ютерах.

Технологія, створена у Бристолі використовує дві ідентичні часточки світла (фотони) рухаються вздовж силіконового чипа в межах експерименту, відомого як рух квантів. Експерименті руху квантів з використанням одного фотону проводився і раніше і він підпадав під модель класичної фізики хвиль. Тим не менш, такого роду експеримент з використанням двох часток було проведено вперше і результати їх важко переоцінити.

Тепер, коли ми маємо змогу напряму реалізувати та спостерігати рух двох фотонів перед нами відкривається шлях до приладів з використанням трьох- та багатьох фотонів і результати мають бути більш ніж просто вражаючими», каже професор О'Брайєн. «Щоразу як ми додаємо фотон, ми дістаємо змогу вирішувати по експоненті все складніші задачі, тобто якщо однофотонна система має 10 відсоткову ефективність, то двофотонна — 100 відсоткову, а трифотонна 1000 і т. д

Мови програмування

Для програмування квантових комп'ютерів створені спеціалізовані мови програмування, які дозволяють запис квантового алгоритму[en] з використанням конструкцій високого рівня. Завдання квантових мов не полягає у тому, щоб надати інструмент для програмістів, а в тому, щоб надати інструменти для дослідників, щоб зрозуміти краще, як працюють квантові обчислення і як формально доводити коректність квантових алгоритмів.

Можна виділити дві основні групи квантових мов програмування: імперативні квантові мови програмування і функційні квантові мови програмування. Найвідомішими представниками першої групи є QCL і LanQ.