Квантовое ускорение

Сенсационный квантовый компьютер оказался квантовым, но не совсем компьютером

Устройство D-Wave 2X, претендующее на звание первого в истории квантового компьютера, сумело решить вычислительную задачу в 100 миллионов раз быстрее обычного компьютера. Об этом рассказывает научная работа группы исследователей из Google, которая еще до выхода в рецензируемом журнале успела наделать много шума. Радио Свобода объясняет, почему любая новость из мира квантовых компьютеров представляется сенсацией и произошла ли в самом деле революция.

Золотой телец

Квантовый компьютер – такой же обязательный атрибут прекрасного мира скорого будущего, как термоядерная энергетика, панацея от рака или новая физическая теория за пределами Стандартной модели. И точно так же, квантовые компьютеры манят, но ускользают из рук: скорое (или даже свершившееся) создание эффективно действующего устройства, способного выполнять квантовые вычисления, постоянно анонсируется и постоянно оказывается неправдой, полуправдой, не всей правдой, словом, торговлей ожиданиями.

Однако мало кто сомневается, что “настоящий”, практически полезный квантовый вычислитель все же появится в относительно близкой перспективе. Например, Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра, говорит о перспективе в 10 лет. За это говорит и то, что фундаментальных физических препятствий к созданию квантового компьютера, судя по всему, нет, и то, что работу в этом направлении уже ведут многие научные и инженерные группы с хорошим финансированием. А главное, квантовые компьютеры, которые в теории будут обладать на многие порядки более высокой производительностью, чем классические, действительно очень нужны человечеству. Прогресс стал синонимом роста производительности, а темпы роста мощностей традиционных процессоров замедляются, уже не соответствуют закону Мура. О том, когда именно будет достигнут физический предел эволюции классических вычислительных машин, ведутся споры, но создание квантового компьютера немедленно сделает эти разговоры бессмысленными. На этом фоне любые новости о прогрессе в построении квантового компьютера вызывают много шума в прессе, а чемпион по созданию громких информационных поводов такого рода – канадская компания D-Wave, производящая одноименные устройства.

Навязчивый маркетинг

Стартап D-Wave был основан в 1999 году инженером-физиком и чемпионом мира по бразильскому джиу-джитсу Джорди Роузом. Компания изначально была в большей степени маркетинговой, чем технологической: во времена, когда квантовые вычисления были не более чем смелой идеей на бумаге, Роуз умудрился привлечь на создание прототипа квантового вычислителя внушительные инвестиции, которые пошли на финансирование профильных академических и научных лабораторий. На сегодняшний день под маркой D-Wave вышло три поколения вычислительных устройств, последнее, D-Wave 2X, было представлено в августе 2015 года.

Компьютер D-Wave Two приобрела коллаборация NASA, Google и Ассоциация университетских исследований космического пространства (USRA). Известно, что предыдущая версия машины, D-Wave One, досталась американской военно-промышленной компании Lockheed Martin за примерно 10 миллионов долларов, так что легко предположить, что и здесь стоимость сделки вряд ли составила меньшую сумму. Перед тем как продать устройство Google, D-Wave заказало независимое исследование, которое должно было подтвердить заявления компании, что их черный ящик – действительно квантовый компьютер, другими словами – устройство, в работе которого используются эффекты квантовой механики и которое обладает более высокой производительностью, чем обычные компьютеры. В опубликованной по итогам исследований работе утверждалось, что D-Wave Two действительно справляется с некоторым типом оптимизационных задач всего за полсекунды, тогда как самым мощным процессорам IBM для поиска верного решения требуется более получаса. Сделка состоялась, но, как ни странно, вопрос о настоящей сущности машины окончательно не закрыт до сих пор. Для этого есть две основные причины: во-первых, D-Wave успела заслужить репутацию компании, склонной пускать пыль глаза, и каждое ее заявление встречается с известным скепсисом. Во-вторых, и в главных, однозначно доказать, что данное устройство является квантовым компьютером, не так-то легко хотя бы потому, что называть этим термином можно разные вещи.

Квантовая магия или скорость?

По самому общему определению, квантовые компьютеры – вычислительные устройства, использующие в своей работе квантовые эффекты, то есть явления квантовой запутанности и квантовой суперпозиции. Однако убедиться воочию в том, что эта данная машина действительно не обходится в своих вычислениях без этих эффектов, практически невозможно. Поэтому претендентов на звание квантового компьютера оценивают не по содержанию, а по способностям: от них ожидают, что они способны решать алгоритмические задачи намного быстрее классических компьютеров, то есть продемонстрировать так называемое “квантовое ускорение”, или quantum speedup. Но и здесь есть явная неопределенность: на каких именно задачах нужно проводить сравнение? С какими именно традиционными компьютерами сравнивать? И с какими классическими алгоритмами – они ведь тоже очень сильно отличаются по быстродействию?

С практической точки зрения “правильный” квантовый компьютер должен решать широкий спектр вычислительных задач заметно быстрее, чем любой классический компьютер, использующий любой классический алгоритм. Из этого, кстати, неизбежно будет следовать, что работа устройства действительно не обходится без квантовой магии. Но проверить такой универсальный quantum speedup технически почти невозможно. А в случае D-Wave невозможно даже в принципе: эта машина умеет решать только одну и весьма специфическую вычислительную задачу – нахождение минимума функции среди набора решений-кандидатов, причем только одним методом – с помощью так называемого квантового отжига или, иначе выражаясь, квантовой нормализации.

Черный ящик

Вообще говоря, про устройство D-Wave очень важно понимать, что его нельзя в полном смысле назвать компьютером – во всяком случае, в привычном понимании этого слова. “Компьютерами обычно называют универсальные вычислительные устройства, способные решать любые математические задачи, – говорит Юнусов. – В этом смысле D-Wave – не компьютер, это квантовое устройство, которое может решать определенный класс задач, а именно искать минимумы функции затрат”. Более того, решает эту задачу D-Wave не как обычный компьютер, которому потребовалась бы программа, алгоритм. Здесь же решение достигается в ходе естественной физической эволюции системы, когда она постепенно достигает состояния энергетического минимума. Для сравнения представьте, что вы хотите выяснить, в какую лунку колеса рулетки попадет шарик, запущенный с определенной скоростью. Если достаточно точно учитывать все параметры, решить такую задачу не так-то просто. Зато можно просто запустить шарик в реальной рулетке и посмотреть, где он окажется. Примерно это и делает D-Wave.

Скотт Ааронсон, профессор computer science Массачусетского технологического института, специалист, не первый год последовательно критикующий технологию компании D-Wave, говорит об этом так: единственная задача, которую умеет решать устройство D-Wave, – симулировать себя. Так с чем же сравнили авторы статьи такую автосимуляцию? Естественную эволюцию квантовой системы, которая является физической основой машины, можно алгоритмически симулировать с помощью так называемой имитации квантового отжига. Реальный квантовый отжиг по определению работает быстрее любой классической симуляции за счет квантового туннельного эффекта: в некоторых случаях частица, которая должна занять свое место в кристаллической решетке, может перепрыгнуть через потенциальный барьер, даже не обладая для этого достаточной энергией. Очень маленький шарик, которому не хватает энергии, чтобы перекатиться через горку, может по законам квантовой механики пройти “сквозь” нее.

Сравнение настоящего квантового отжига, который физически происходит внутри D-Wave с его алгоритмической имитацией, проделанное исследователями из Google, показало, что первый работает в 100 миллионов раз быстрее. “И это доказывает, что внутри устройства D-Wave действительно происходит туннельный эффект”, – соглашается Скотт Ааронсон. Действительно, имитирующий эволюцию системы алгоритм не поспевает за квантовым перепрыгиванием частиц через энергетические пики, за счет явлений квантовой механики у D-Wave есть существенная фора перед ее классической симуляцией, и если бы внутри устройства ничего квантового не происходило бы, не было бы и такой разницы.

Да, теперь доказано, что в работе D-Wave используются квантовые эффекты. Но можно ли сказать, что она демонстрирует “квантовое ускорение” – умеет решать, пусть даже и только одну задачу, но быстрее любого классического компьютера? К сожалению, нет. “Даже самый обычный компьютер может справиться с единственной задачей, которую умеет решать D-Wave, намного быстрее его, – говорит Ааронсон. – Нужно только использовать правильный алгоритм”. И такой алгоритм есть – это алгоритм Селби, который решает ту же задачу – поиска минимума функции среди наборов решений кандидатов – быстрее, чем квантовый отжиг D-Wave. Кстати, о превосходстве классического алгоритма Selby над этим устройством прямо говорится в статье команды из Google.

Итак, в некотором довольно узком смысле D-Wave теперь действительно можно называть квантовым компьютером. С двумя большими “но”:

1) Устройство умеет решать только одну оптимизационную задачу. Другие вычислительные задачи теоретически могут быть сведены к ней, но процесс приведения какой-то задачи к этой может оказаться настолько сложным, что нивелирует все преимущество в производительности.

2) Даже при решении этой одной задачи D-Wave обгоняет только один конкретный и изначально неоптимальный классический алгоритм, а более удачному уже уступает в скорости. Тут стоит отметить, что, выбирая для сравнения именно его, авторы статьи не пытались схитрить – превосходство квантового отжига D-Wave над имитацией квантового отжига доказало, что устройство действительно использует в работе квантовые эффекты. До этого такой уверенности не было. “Квантовые эффекты там так или иначе действительно участвуют, весь вопрос в том, есть ли существенная "квантовая прибавка" в производительности, – объясняет Руслан Юсунов.

***

Готовящееся к публикации исследование, к сожалению, не совершит революцию в квантовых компьютерах, хотя и закроет длящуюся уже несколько лет дискуссию о том, не является ли технология D-Wave чистым шарлатанством. Но для того, чтобы можно было смело заявить о том, что квантовый компьютер наконец создан, должно произойти нечто другое. “Если ваша машина с помощью алгоритма Шора (алгоритм, теоретически разработанный для квантовых вычислений. – РС) разложила на множители число, состоящее из 10 000 цифр, – пожалуй, вы можете смело заявлять, что создали именно квантовый компьютер, хотя, конечно, нельзя исключать, что дело не в квантовой механике, а в сидящих внутри устройства гремлинах”, – иронизирует Ааронсон. Но от D-Wave этого ожидать вряд ли приходится: “Чтобы выйти за пределы очень узкого круга задач, необходимо построить другую установку, устроенную иначе, нежели установка D-Wave”, – считает Юнусов.

К счастью, разработкой квантовых компьютеров занимается далеко не только канадская компания, просто остальные менее склонны к громким заявлениям и реже появляются в сообщениях СМИ. “Раньше я не давал оптимистичных прогнозов на ближайшее будущее, – замечает Ааронсон, – но последние результаты, достигнутые Джоном Мартинизом, Крисом Монро и другими исследователями, внушают большой оптимизм, что явное квантовое ускорение при решении КАКИХ-ТО (не обязательно, впрочем, практически интересных) задач будет достигнуто очень скоро”.

Ааронсон отмечает, что создание промышленного образца займет уже больше времени. Главное препятствие – чрезвычайно прихотливые условия, которые требуют в своей работе основные элементы квантового компьютера – кубиты. “Нужно привести их в определенное состояние, сделать так, чтобы они провзаимодействовали друг с другом, а затем нужно измерить полученное состояние. Причем с ростом числа кубитов это сделать все сложнее и сложнее”, – объясняет Юнусов. Любое, даже самое слабое воздействие на кубиты внешней среды приводит к тому, что квантовое волшебство заканчивается. Работу с ними в одной статье сравнили с попыткой поставить на гладкую столешницу множество остро заточенных карандашей кончиками грифелей вниз. “Научились ли мы это делать? Во всяком случае, как пели Битлз в песне Getting better, получается все лучше и лучше”, – смеется Ааронсон.