Практические преимущества использования суперкомпьютеров
Развернутая в Стокгольме система управления дорожным движением позволила на 20% уменьшить интенсивность движения, на 12% сократить выбросы в атмосферу углекислого газа и на 40 тысяч увеличить количество граждан, ежедневно пользующихся общественным транспортом. Системы интеллектуального управления дорожным движением, уже способствующие повышению конкурентоспособности Лондона, Брисбена и Сингапура, планируют развернуть многие другие города.
Интеллектуальные технологии разработки нефтяных месторождений позволяют повысить объемы добываемой нефти, а также продуктивность нефтедобычи, — в настоящее время извлекается только 20-30% имеющихся запасов.
Интеллектуальные системы в пищевой промышленности (одна из таких систем развернута в Скандинавии) позволяют использовать RFID-технологии для отслеживания движения мясных продуктов от ферм по всей цепочке поставок до прилавка супермаркета.
Системы здравоохранения, которые позволяют сократить стоимость лечения на 90% — примером является система ActiveCare Network, осуществляющая мониторинг состояния более 2 миллионов пациентов в 38 штатах США для своевременного предоставления необходимых инъекций и вакцин.
Японские ученые из корпорации NEC и Токийского технологического института разработали новую методику передачи данных между процессорами в суперкомпьютерных системах. Как ожидается, в перспективе эта методика приведет к появлению сверхмощных вычислительных комплексов. Суть новой технологии сводится к замене традиционных типов соединений оптическими линиями связи; электрические сигналы предлагается преобразовывать в световые импульсы при помощи лазерных диодов. Теоретически данная методика может повысить скорость обмена информацией между отдельными кристаллами в вычислительной системе до 25 Гбит/с.
Для сравнения: наиболее эффективные соединения, применяющиеся в настоящее время, обеспечивают пропускную способность порядка 10 Гбит/с, т. е. прирост быстродействия может составить 250%. Эксперты отмечают, что система, созданная исследователями из Японии, позволит создавать суперкомпьютеры с производительностью до 10 PFLOPS. По мнению японских исследователей, первые вычислительные системы, построенные с применением новой технологии передачи данных, могут появиться уже в 2010 г.
Лекция №8 квантовые компьютеры
Если диапазон 1,0-0,5 микрометра достижим в пределах совершенствования существующей технологии, то в диапазоне ниже 0,1мкм (100нм) мир становится квантовым, вероятностным и неопределенным. Следующий предел 10-1,0 нм соответствует размеру простых биомолекул, 1,0-0,1 нм – размер отдельных атомов и простейших молекул. Квантовая электроника - следующий этап развития технологии.
Идея квантовых вычислений была впервые высказанна советским математиком Ю.И.Маниным в 1980 году. Активное обсуждение этой идеи началось после опубликования в 1982 году статьи американского физика- теоретика, нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана.
Суть состоит в следующем:
Единица измерения объема информации в классической вычислительной технике - бит. Каждый бит информации в двоичной системе счисления может принимать одно из двух определенных значений - 1 или 0. За единицу измерения информации в квантовых компьютерах принят кубит или квантовый бит (qubit, Quantum Bit). Кубитом принято также называть элементарную ячейку квантового компьютера.
Состояние квантовой системы описывает волновая функция, которая может принимать большое количество значений, т. е. может быть представлена виде вектора допустимых значений.
На квантовом уровне мир описывается уравнением Шредингера:
Оператор Н линейный:
a|Y1>
+ b|Y2>
= |Y>
Квантовая система с двумя различимыми состояниями |Y0>, |Y1> способная нести 1 бит информации, получила название кубит (qubit). Если состояния |Y0>, |Y1> связаны с двумя уровнями энергии E0 < Е1, то можно говорить о двухуровневой системе. Простейшим случаем двухуровневой квантовой системы является спин ядра атома или электрона в постоянном внешнем поле B0: два уровня энергии и состояния соответствуют проекциям спина на направление B0.
уровни энергии E0,1 = ±μiB0/2 во внешнем поле B0 представляют логические состояния кубита |0> и |1>
Пусть в начальный момент кубит находился в состоянии |0> (т. е. a(0)=1, b(0)=0). Тогда
а вероятность найти кубит в момент t в состояниях |0> и |1> равны
Это показывает, что кубит с частотой Ω (частота Раби) переходит из состояния |0> в состояние |1>, а в промежуточные моменты времени находится в состоянии, описываемом суперпозицией |Y(t)>=a(t)|0>+b(t)|1>. Контролируя длительность и фазу внешнего воздействия, мы можем получить кубит в состоянии, описываемом любой суперпозицией.
Для квантовых компьютеров можно ввести подобно классическим компьютерам элементарные логические операции: дизъюнкцию, конъюнкцию, квантовое отрицание. Эти функции - логическая основа работы квантового компьютера. Квантовые вентили аналогич-ны соответствующим классическим вентилям, но в отличие от классических, они способны совершать унитарные операции над суперпозициями состояний.
Выполнение унитарных логических операций над элементами в квантовых компьютерах предполагается осуществлять с помощью соответствующих внешних воздействий, которыми управляют классические компьютеры.
Р.Фейнман предложил и первую схему квантового компьютера.
Квантовую часть компьютера составляют n кубитов. К каждому из них может быть приложено селективное воздействие импульсами резонансного внешнего переменного поля. Включение генераторов полей и адресация их излучения на данный кубит осуществляется под управлением классического компьютера.
Эволюция состояния кубитов изображается вдоль горизонтальных линий (ось времени) в виде последовательности однокубитовых и двухкубитовых вентилей. До того как "запустить" вычислительный процесс на квантовом компьютере, все n кубитов должны быть приведены в состояние |0>. Эта процедура носит название "инициализация".
Это вовсе не тривиальная операция. Если в качестве кубитов используются ядерные спины, для инициализации потребуется охлаждение до температур порядка I mK. Ввод данных и исполнение алгоритма совершаются применением однокубитовых и двухкубитовых вентилей.
По завершении алгоритма результат вычисления будет записан в конечном квантовом состоянии кубитов. Чтобы "считать" результат, необходимо провести квантовое измерение состояния кубитов (одного или нескольких). Квантовые алгоритмы решения сложных задач могут состоять из большого числа (~109) операций (вентилей), выполняемых на компьютерах, содержащих -103 кубитов.
В квантовой системе состояние квантовой частицы «квантового бита» (КУБИТА) может быть выражено через суперпозицию базисных состояний (суперпозицию |0> и |1>) и поэтому квантовые состояния объединяются при помощи умножения тензоров. Результирующее пространство состояний из n квантовых частиц обладает при этом размерностью 2 n.
Итак, в предполагаемых квантовых компьютерах экспоненциальное увеличение пространства состояний требует всего лишь линейного увеличения физического пространства (т. е. увеличения n частиц ). Всё это означает, что если один кубит может быть одновременно в двух суперпозиционных состояниях — 0 и 1, то два кубита могут быть уже в четырёх суперпозиционных состояниях — 00, 01, 10, и 11, представляя четыре числа сразу!
Видно, что увеличение растёт экспоненциально: на m кубитах можно выполнять одновременно вычисление над 2m числами параллельно. Это значит, что используя всего несколько сотен кубитов, можно представить одновременно больше чисел, чем имеется атомов во вселенной. Это также позволяет предполагать такое же увеличение скорости вычислений квантового компьютера по сравнению с классическим.
Это предположение основано на том, что при квантовых вычислениях элементарным шагом является отдельная унитарная операция над m — кубитной суперпозицией кубитной суперпозицией — принцип квантового параллелизма. Иначе говоря, когда в классическом компьютере вычисляется единственное выходное значение для одного входного, в квантовом компьютере вычисляются выходные значения для всех входных состояний. Именно этот процесс и принято называть квантовым параллелизмом.
При выборе конкретной схемы любого квантового компьютера необходимо решить три вопроса: во-первых, выбрать физическую систему, пред-ставляющую требуемую систему квантовых элементов, во вторых, определить физический механизм, определяющий взаимодействие квантовых элементов, необходимое для выполнения двухкубитовых операций, в третьих, определить способы селективного управления квантовыми элементами и измерения их состояния на выходе. Все это вместе взятое аналогично "аппаратному обеспечению" (hardware) классического компьютера.
Считается, что для реализации полномасштабного квантового компьютера, превосходящего по производительности любой классический компьютер, на каких бы физических принципах он не работал, следует обеспечить выполнение следующих пяти основных требований:
Физическая система, представляющая полномасштабный квантовый компьютер, должна содержать достаточно большое число хорошо различаемых квантовых элементов для выполнения соответствующих квантовых операций.
Необходимо обеспечить условия для установки входного регистра в исходное основное базисное состояние, то есть возможность процесса инициализации.
Необходимо обеспечить максимальное подавление эффектов декогерентизации квантовых состояний, обусловленное взаимодействием системы кубитов с окружающей средой, что приводит к разрушению суперпозиций квантовых состояний и может сделать невозможной выполнение квантовых алгоритмов. Время декогерентизации должно по крайней мере в 10 раз превышать время выполнения основных квантовых операций (времени такта). Для этого система квантовых элементов должна быть достаточно слабо связана с окружающей средой.
Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование.
Необходимо обеспечить с достаточно высокой надежностью измерение состояния квантовой системы на выходе. Проблема измерения конечного квантового состояния является одной из основных проблем квантовых вычислений.
Познакомимся с некоторыми проектами квантовых компьютеров на переходах Джозефсона. В 1962 г. Брайан Джозефсон, тогда еще студент-дипломник Кембриджского университета, буквально "на кончике пера" предсказал замечательное явление в сверхпроводниках. Опираясь на чисто теоретический анализ, он пришёл к выводу, что сверхпроводящий ток, определяемый парами электронов, может протекать, или "туннелизировать" через пленку изолятора, разделяющую два сверхпроводника, если толщина её незначительна.
Он предсказал два явления, которые вскоре были подтверждены экспериментально и называются теперь "эффектами Джозефсона", а область контакта двух сверхпроводников называют "джозефсоновским переходом". С течением времени устройства на основе джозефсонофских переходов нашли широчайшее применение в сверхпроводниковой электронике, а сам Б. Джозефсон был удостоен Нобелевской премии.
Такой эффект наблюдается, если между двумя сверхпроводниками создать достаточно тонкую прослойку из изолятора, полупроводника или металла в нормальном состоянии либо соединить их очень узким и коротким перешейком (пленочный мостик или точечный контакт ), либо нанести поперёк тонкой сверхпроводящей пленки узкую полоску "нормального металла", словом, создать структуру из слабосвязанных сверхпроводников (рис. 4,а).
Эффект, называемый "стационарным эффектом Джозефсона", заключается в том, что ток, пропускаемый через переход, течет не создавая падения напряжения на переходе, т. е. он содержит сверхпроводящую компоненту. Если величина пропускаемого тока превышает некую критическую величину, переход обретает активное сопротивление и индуктивность и, следовательно, на нем возникает разность потенциалов.
Для этого случая Джозефсон предсказал еще более удивительный эффект: при появлении постоянного напряжения U через переход должен протекать высокочастотный ток, излучающий электромагнитные волны с частотой в десятки и сотни гигагерц. Этот эффект зарегистрирован несколько позднее и получил название "нестационарного эффекта Джозефсона".
Одно из наиболее важных и широко применяемых сверхпроводниковых устройств - сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), в основе работы которого лежат два физических явления: стационарный эффект Джозефсона и эффект квантования магнитного потока. СКВИД, состоящий из двух переходов, включённых параллельно и работающих при постоянном токе смещения, называется СКВИД постоянного тока (ПТ СКВИД).В настоящее время в электронике получили наибольшее распространение ПТ СКВИДы, изготовленные по тонкоплёночной технологии.
Изображение СКВИДа, полученное методом атомной силовой микроскопии. УНТ - углеродная нанотрубка; G1 и G2 - электрические затворы.
Сверхпроводящий квантовый интерферометр (SQUID): два Джозефсоновских перехода внутри сверхпроводникового кольца. Изменение потока вызывает изменение напряжения на паре Джозефсоновских переходов.
Познакомимся с некоторыми проектами квантовых компьютеров на переходах Джозефсона. В Америке начала 80-х годов компьютерный гигант IBM объявил о планах по созданию сверхпроводникового суперкомпьютера с тактовой частотой в несколько ГигаГерц. Ученые из IBM использовали так называемую вольтовую логику (voltage-stage logic, MVTL). Сигналы в MVTL представлялись также, как и в КМОП, уровнями напряжения, но передавались по сверхпроводниковым линиям, а хранились в сверхпроводниковых интерферометрах в виде квантов магнитного потока.
Существенным недостатком MVTL являлось требование глобального высокочастотного тактирования, что сводило на нет все преимущества перед полупроводниками (по скорости и по энерговыделению). Отсутствие ясных перспектив и конурентоспособности привело к тому, что работы были прекращены, породив на свет прототипный примитивный четырехбитный микропроцессор. Коллектив ученых и инженеров, работавших над процессором, отпочковался от IBM и возродился, спустя десять лет - в образе компании "Хайпрес" (HYPRES, Inc.).
А тем временем центр мировой джозефсоники переместился в середине 80-х годов в Японию в компании Hitachi и NEC. Японцы были неоригинальны и в качестве темы нового проекта выбрали четырехбитный микропроцессор, основанный на логике MVTL. Неудивительно, что финал японского проекта в точности совпал с финалом предыдущго, американского проекта: после демонстрации работающего чипа с микропроцессором на очередной международной конференции по сверхпроводниковой электронике работы были свернуты.
В журнале Nature в 1999 году были описаны эксперименты японских ученых по управлению состоянием электронов путем воздействия на них коротких электрических импульсов. Правительство Японии и фирма NEC решили финансировать научные исследования в этом направлении в течении последующих пяти лет.
Наиболее перспективным направлением в создании квантового компьютера считается использование быстрой одноквантовой логики.
Незаслуженно забытая ныне на просторах бывшего СССР, БОКЛ - быстрая одноквантовая логика (английское название - Rapid Single Flux Quantum logic, RSFQ) была открыта и детально разработана в начале 80-х годов тогда еще советскими физиками Константином Лихаревым, Василием Семеновым и Олегом Мухановым, бывшими соответственно профессором и аспирантами физического факультета Московского Государственного Университета им. Ломонсова (МГУ), а также сотрудниками и студентами их лаборатории.
Быстрая одноквантовая логика основана на явлении квантизации магнитного потока в сверхпроводниках. Некоторые металлы (в частности, свинец и ниобий), будучи охлажденными до температуры жидкого гелия (4 Кельвина, или -269 градусов Цельсия), становятся сверхпроводниками, то есть обретают способность пропускать электрический ток без падения напряжения. В частности, это означает, что ток в сверхпроводниковом кольце будет циркулировать вечно, и это не метафора, а физический факт! Существует лишь один способ "выпустить" ток из кольца (равно как и "впустить" его в кольцо): разрушить сверхпроводимость, подавить ее на время, прорвать "сверхпроводниковую" блокаду.
Второе удивительное свойство сверхпроводникового кольца с током состоит в том, что этот ток не может быть произвольным: поток магнитного поля, создаваемого током в кольце, то есть произведение величины магнитного поля на площадь контура, обязан быть равен целому числу квантов магнитного потока. Другими словами, квант "вошел" в кольцо - и ток увеличился на некую величину, зависящую от геометрических размеров кольца.
Квант "вышел" из кольца - и ток уменьшился на ту же самую величину. Любое сверхпроводниковое кольцо может не содержать магнитного поля вообще, содержать один квант, два, три... И даже "минус один" квант! (Поле противоположной полярности.) А вот пол-кванта или полтора - не может!
Единицей представления информации в БОКЛ являются одиночные кванты магнитного потока (2,06*10-15 Вб). Кванты перемещаются от вентиля к вентилю микроскопическими токами, наводимыми такими же квантами в управляющих контурах. Характерная тактовая частота БОКЛ устройств, изготовленных с применением архаичной 3,5-микронной технологии, составляет 20 Гигагерц. Переход на более прогрессивную полумикронную технологию позволит поднять эту цифру до 100 ГГц.
Мощность, потребляемая сверхпроводниковыми БОКЛ схемами, мизерна. Несмотря на то, что для работы БОКЛ устройств их необходимо охлаждать до температуры жидкого гелия (4-9 градусов Кельвина, или от -269 до -264 градусов Цельсия), полная мощность, потребляемая сверхпроводниковой подсистемой квантового компьютера с учетом криогенного оборудования, оценивается всего в 500 киловатт.
Интерес к БОКЛ "подогревался" открытием высокотемпературной сверхпроводимости керамических сплавов, переходящих в сверпроводящее состояние при температуре 77 градусов Кельвина - то есть в жидком азоте (а не гелии!). В качестве перспективных областей применения БОКЛ впервые стали фигурировать высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). К сожалению, поразивший советскую науку кризис привел к тому, что лаборатория криолектроники, а за ней и сотрудники ИРЭ в полном составе переехали в США и в Европу.
Круг замнулся, и следующий взлет джозефсоновской схемотехники и технологии снова пришелся на США: на Университет штата Нью-Йорк в Стони-Бруке (SUNY at Stony Brook) и фирму HYPRES. Позднее к исследованию БОКЛ подключились Университет Рочестера (University of Rochester), Университет Беркли (UCB) и коммерческие фирмы Westinghouse (ныне Northrop Grumman), Conductus и TRW. Одновременно разработки устройств на базе БОКЛ начались в Японии, в Электротехнической лаборатории (ETL) и компании NEC.
Решение проблемы было предложено учеными Томасом Стерлингом и Полом Мессиной из Калифорнийского Технологического Института (Tomas Sterling, Paul Messina, Caltech, США), Гуаном Гао из университета Мак-Гилл (Guang Gao, McGill, Канада) и Константином Лихоревым из университета штата Нью-Йорк (Konstantin Likharev, SUNY, США). Ими была разработана принципиально новая архитектура будущего суперкомпьютера - Гибридно-технологическая Многопоточная Архитектура (ГТМПА, Hybrid Technology Multithreaded Architecture, HTMT).
В основе ГТМПА лежит использование нетрадиционных технологий ("гибридность") и расщепление параллельных процессов на более мелкие независимые фрагменты: потоки и нити ("многопоточность"). За новым петафлопным суперкомпьютером закрепился термин "гиперкомпьютер".
Каждый из 4096 микропроцессоров гиперкомпьютера аппаратно поддерживает 16 параллельных процессов ("потоков"). Каждому потоку предоставляется набор из шестидесяти четырех 64-битных регистров общего назначения, необходимые контрольные регистры и целочисленное АЛУ, образующие аппаратный контекст потока (АКП). Функциональные устройства с плавающей запятой и закрепленный за процессором буфер памяти (СвОЗУ) оди-наково доступны для всех 16 потоков.
Необходимо отметить, что проект гиперкомпьютера предусматривает два типа полупроводниковой оперативной памяти: статическую (возможно, охлажденную до температуры жидкого азота, 77 градусов Кельвина) и динамическую. С точки зрения процессоров, вся память образует единое адресное пространство.
Важнейшей коммуникационной артерией гиперкомпьютера является "Вихрь Данных" ("Data Vortex"), широкополосная оптическая многоступенчатая пакетная сеть. Эта сеть, создаваемая группой Коука Рида и Керен Бергман в Принстонском университете (Coke Reed, Keren Bergman, Princeton, США), соединяет друг с другом все банки динамической и статической по-лупроводниковой памяти.
Оборудование для тестирования Data Vortex:
Еще одна оптическая компонента гиперкомпьютера – голографическая память (Деметри Псалтис, Калифорнийский. Один кристалл голографической памяти будет вмещать 1 гигабайт информации, которая может быть считана или записана в виде одномегабайтных страниц. Отличительной особенностью голографической памяти является ее нечувствительность к перебоям электропитания. Вероятно, голографические кристаллы будут выполнять те же функции, что и жесткие диски в современных компьютерах.
Одна из главных проблем в области хранения голографической информации - создание подходящих материалов для записи. Голографические носители должны удовлетворять строгим критериям, включая расширенный динамический диапазон, высокую фоточувствительность, безусадочность, оптическую прозрачность, неразрушающее считывание, термо- и влагостойкость, а также иметь низкую цену.
Разработчики нашли множество материалов: фазовращающие материалы, фоторефрактивные кристаллы типа LiNbO3, органические полимеры, жидкие кристаллы, полимеры со структурной поверхностью и даже такие экзотические среды, как бактериородопсины в желатиновых матрицах. Самые дешевые в производстве - фотополимеры. При освещении участка полимера поляризованным светом его молекулы ориентируются и надолго сохраняют такое состояние (рис. 5).
Термодинамика
Полупроводниковые чипы становятся все меньше и быстрей. Но более быстрые, плотно и близко расположенные транзисторы подвергаются возникающим неблагоприятным термодинамическим воздействиям. Разработки более совершенного энергообеспечения должны позволить избежать расплавления чипов во время работы. Такие решения уже найдены: энергоснабжение улучшается и потому термодинамические проблемы нивелируются, но эти продвижения опять-таки ведут физику чипов в квантовый мир.
Энергосбережение
Квантовые компьютеры реверсивны, а потому теоретически нет необходимости в обеспечении их энергией. Их реверсивность означает, что работа заключается не в «выполнении» программ, а их постепенном «развитии», малыми шагами, наподобие того, как молекулы парфюма распространяются в воздухе, испаряясь из пузырька.
Помимо экономичности на микроуровне есть намного более масштабные причины для выбора именно квантовых компьютеров. В развитых странах до 5% вырабатываемой энергии тратится на снабжение компьютеров. Затраты электроэнергии, вырабатываемой за счет потребления природного топлива, становятся все более значительными.
Каждые три года стоимость строительства завода полупроводников удваивается. Если такая тенденция сохранится, к 2020 г. необходимая для этих целей сумма будет равна примерно $1 трлн, что, к примеру, составляет 5% валового национального продукта США! По данным о продажах компании Motorola, подобная организация будет нуждаться в $10 трлн (!), вырученных с продаж, для поддержания подобного рода строительства.
Технологии кодировки
Квантовые компьютеры ставят под вопрос эффективность схем кодирования и шифровки, которые ранее считались безопасными из-за бесконечно длительного процесса их расшифровки. Решение схем, на нахождение которого предположительно необходимо затратить миллионы лет, теперь может быть найдено квантовыми компьютерами за год. Упомянутые схемы кодирования применяются многими правительствами в целях национальной безопасности, потому многие из них вкладывают огромные средства для поиска их слабых сторон и нахождения путей их простейшего устранения.
В качестве наглядного примера приведем самую продаваемую в мире программу производства фирмы RSA Data Security, спрос на которую значительно превосходит даже таковой на Windows. Программа реализует алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов — американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана.
Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, Между тем, согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!
Супербезопасность и суперплотность данных
Благодаря квантовой телепортации — одному из квантовых эффектов — исключается возможность перехвата информации. Безопасность коммуникаций поддерживается благодаря суперплотной кодировке. Квантовые биты позволяют передать намного большее количество информации, чем классические.
Квантовая телепортация представляет собой явление передачи на расстояние состояния квантовой системы, или квантового состояния. В отличие от телепортации из научно-фантастической литературы для осуществления квантовой телепортации необходим классический канал связи. В статье 1998 годы был описан опыт по квантовой телепортации между фотонами.
В последние годы физики провели несколько значимых экспериментов в этой области. В августе 2008 года женевские физики телепортировали квантовое состояние в системе из двух фотонов, удаленных на 18 километров. В начале 2009 года коллективу американских исследователей впервые удалось телепортировать квантовое состояние кубита между двумя атомами, находящимися на расстоянии в один метр.
Установка для проведения эксперимента по квантовой телепортации с использованием лазеров:
Улучшенное способность обнаружения и исправление ошибок
Процессы, которые обеспечивают безопасность и высокую плотность передаваемых данных, способствуют высокой устойчивости информационных потоков к ошибкам, что способствует большей их сохранности. Восстановление информации из потоков с помехами, вполне осуществимое при помощи квантовых технологий, также станет весьма полезной практикой.
Возможности моделирования
В 1982 г. Фейнман доказал, что классические компьютеры не могут быть использованы для моделирования квантовых эффектов: их замедление происходит по экспоненте. А квантовый компьютер способен в реальном времени моделировать такие эффекты.
Станут возможными моделирование химических взаимодействий на молекулярном уровне, что позволит химикам и фармацевтам узнать больше о воздействии компонентов реакции друг на друга, в том числе о влиянии лекарственных препаратов на обмен веществ пациента и течение болезни в целом. Фармацевтические компании готовы тратить колоссальные деньги на подобные разработки.
В 2007 году компания D-Wave 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.
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.
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."
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".
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
"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.
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".
В настоящее время в мире насчитывается более двух десятков групп, ведущих исследования в области БОКЛ. Основными применениями цифровой сверхпроводниковой микролектроники считаются АЦП и их близкие родственники, высокоточные квантовые магнитометры (SQUID-ы); ЦАП и их родственники, программируемые генераторы сигналов; телекоммуникационные коммутаторы, и, конечно же, самый главный и самый масштабный по финансированию проект американского суперкомпьютера XXI века с производительностью в 1015 операций с плавающей точкой в секунду.
Сверхпроводниковые микросхемы, помимо HYPRES, который является признанными мировым лидером, изготавливаются в Стони-Бруке, TRW, Conductus, ETL и NEC. Из коммерческих приложений следует отметить сверхпроводниковые БОКЛ-магнитометры производства Conductus, которые с успехом используются в многочисленных американских клиниках для наблюдения за сигналами головного мозга человека, самый быстрый в мире АЦП сделан в HYPRES.
Появление квантовых компьютеров будет означать революцию не только в вычислительной технике, но и в технике передачи информации, в организации принципиально новых систем связи типа квантового Интернета и может быть началом развития новых, пока неизвестных областей Науки и Техники.