После очередного денежного вливания технологии D-Wave могут получить более широкое применение. Источник: D-Wave

Системы квантовых вычислений, разработанные в канадской компании D-Wave, остаются предметом споров ученых, но продолжают развиваться на деньги инвесторов: в июле компания получила еще 28 млн долл., в результате чего общий объем финансирования достиг уже 150 млн долл.

D-Wave была основана 15 лет тому назад, став с тех пор одним из самых упорных и долгоживущих технологических стартапов в истории. Системы квантовых вычислений, созданные в D-Wave, используются в рамках совместного проекта НАСА и Google, а также в компании Lockheed Martin и в неназываемом разведывательном агентстве.

Продукты D-Wave оценивают неоднозначно, ученые настойчиво их критикуют, публикуются все новые доказательства то в пользу «квантовости» компьютера компании и его преимуществ, то против. В частности, авторы одного из недавно вышедших докладов не заметили ускорения на D-Wave той же тестовой задачи, которую до того проверяли в Google, и отчитались о противоположном. Но это не важно — D-Wave поддерживают инвесторы, благодаря чему компания продолжает двигаться вперед, выпуская все более быстрые чипы, как того требует начинающаяся конкурентная борьба.

Верн Браунелл: «Сейчас только заря эпохи квантовых вычислений. Мы сегодня — что-то вроде Intel образца 1975 года». Источник: D-Wave

Примерно в одно время с новым раундом финансирования D-Wave в корпорации IBM объявили о планах вложить в следующие пять лет три миллиарда долларов в разработку новых процессорных технологий, в том числе квантовых.

После очередного денежного вливания технологии D-Wave могут получить более широкое применение. «Мы уверены, что квантовые вычисления идеально подходят для предоставления в виде облачного сервиса», — заявил Верн Браунелл, генеральный директор D-Wave.

В компании собираются вложить полученные деньги в разработку программного обеспечения, в том числе инструментов, которые позволят расширить предоставляемые D-Wave профессиональные услуги, а также в реализацию API для разработчиков. По словам Браунелла, за несколько лет в компании рассчитывают создать облачную среду, способную обслуживать «сотни» пользователей, а через пять лет — облако, доступное для использования во всем мире.

Как отмечает Браунелл, квантовые вычисления не являются заменой классическим компьютерным технологиям, но позволяют получить значительное ускорение при выполнении задач определенных типов.

«Если бы мы не видели ценности наших разработок для бизнеса, мы бы этим не занимались», — подчеркнул он. Очевидно, видят эту ценность и инвесторы.

«Тот факт, что D-Wave сегодня единственная, кто предлагает коммерческое решение данного типа, весьма привлекает инвесторов, особенно тех, кто готов идти на высокий риск ради потенциально высокой выгоды, — отметил Майкл Фельдман, аналитик Intersect360 Research по системам высокопроизводительных вычислений. — Новый раунд финансирования говорит о том, что технология D-Wave близка к окупаемости».

Теоретически квантовый компьютер способен обеспечить невероятно высокую вычислительную мощность. В обычном случае бит может находиться в одном из двух состояний — хранить либо 1, либо 0. В квантовом компьютере используются субатомные частицы — кубиты, могущие одновременно находиться в двух состояниях. Если в классическом компьютере вычисления выполняются последовательно, то в квантовом — параллельно над множеством данных, в результате быстродействие может быть экспоненциально более высоким. Если два кубита могут хранить четыре состояния, то 10 кубитов — уже 1024. В активе D-Wave на сегодня — чип из 512 кубитов, идет работа над процессором, состоящим из тысячи с лишним кубитов.

В компании заявляют, что ее разработки создадут принципиально новые возможности, позволив решать задачи, требующие огромного объема вычислений, в том числе связанные с оптимизацией, машинным осмыслением и моделированием сложных систем.

По признанию Фельдмана, развитие компании сдерживается, так как ей постоянно приходится доказывать, что ее технология действительно работает, что для нее можно писать программное обеспечение и что ее можно применять на практике.

Браунелл призывает к терпению, предлагая вспомнить, какими были компьютеры 40 лет тому назад: «Сейчас только заря эпохи квантовых вычислений. Мы сегодня — что-то вроде Intel образца 1975 года».

Ученые Калифорнийского университета (Санта-Барбара) вместе с исследовательской группой Quantum Artificial Intelligence из Google начинают разрабатывать процессоры для квантовых компьютеров, основанные на сверхпроводящих электронных компонентах высокой точности. Группа под руководством профессора Калифорнийского университета Джона Мартиниса добилась больших успехов в создании таких компонентов. Ученые присоединятся к специалистам Google и попытаются реализовать новые конструкции квантовых процессоров для решения задач оптимизации и логического вывода. Планируется также сотрудничество с компанией D-Wave Systems, где был создан квантовый компьютер, реализующий метод квантового отжига, и с исследовательским центром NASA им. Эймса, где установлен компьютер с процессором Vesuvius разработки D-Wave Systems емкостью 512 кубитов. Его заменят на процессор Washington емкостью 1000 кубитов.

Кубиты, или квантовые биты представляют собой элементы хранения информации в квантовом компьютере. Законы квантовой механики позволяют им находиться в суперпозиции двух состояний, благодаря чему компьютер может производить параллельные вычисления. Однако кубиты крайне чувствительны к изменениям температуры или магнитного поля. Физики из Калифорнийского университета успешно работают над решением именно этой проблемы.

Корпорация IBM в ближайшие пять лет планирует выделить 3 млрд долл. на поиск новых материалов для изготовления процессоров. В IBM намерены переосмыслить компьютерную архитектуру и оценить перспективы, в которых, возможно, кремниевым чипам места уже не останется.

Новая инициатива должна открыть дорогу квантовым и когнитивным компьютерам, имитирующим функциональность мозга.

Возможности кремниевой архитектуры исчерпали себя, и дальнейшая миниатюризация элементной базы близка к своему пределу

«Базовая архитектура компьютеров остается неизменной с 40-х годов XX века, – отметил руководитель направления физических исследований в IBM Research Супратик Гуха. – Учитывая весь груз проблем, с которыми производителям приходится сталкиваться сегодня, мы чувствуем, что настала пора искать новые формы компьютеризации».

Возможности кремниевой архитектуры исчерпали себя, и дальнейшая миниатюризация элементной базы близка к своему пределу. Сегодня в IBM изучают возможности графена, углеродных нанотрубок и других материалов, способных прийти на смену кремнию, и пытаются создавать микросхемы, размеры которых можно будет уменьшать до атомного уровня.

Анонс IBM прозвучал через месяц после того, как о переосмыслении базовой архитектуры компьютеров объявила компания Hewlett-Packard.

«Цель IBM заключается в том, чтобы подготовить строительные блоки для систем, которые смогут осуществлять интеллектуальную обработку больших объемов данных, потребляя при этом значительно меньше электроэнергии, – пояснил старший вице-президент подразделения систем и технологий IBM Том Розамилиа. – Такие компьютеры могли бы помочь в изучении онкологических заболеваний, моделировании погоды и создании более интеллектуальных облачных сервисов. Разнообразные ускорители, к числу которых относятся, например, графические процессоры, повышают производительность компьютеров в краткосрочной перспективе, однако дальнейшее увеличение плотности размещения элементов в кремниевых процессорах, необходимое для дальнейшего роста производительности и снижения энергопотребления, представляет собой гораздо более сложную задачу. В определенные исторические моменты отрасль должна совершать скачок от одной технологии к другой. И если мы не начнем изобретать новые решения прямо сейчас, никто за нас этого не сделает».

В IBM уже сейчас активно занимаются квантовыми компьютерами и компьютерами, работающими по принципу мозга. Соответствующие теоретические положения разрабатывались на протяжении десятилетий, однако реализовать их на практике оказалось весьма затруднительно. Компьютеры нового типа должны базироваться на совершенно иной архитектуре по сравнению с машинами, используемыми сегодня. Соответственно, возникает вопрос, какой из предлагаемых архитектур следует отдать предпочтение.

IBM сопоставляет и объединяет различные технологии, подготавливая строительные блоки для новых компьютерных систем.

«Некоторые сочетания сумеют доказать свою эффективность и будут использоваться на протяжении многих лет, – указал Розамилиа. – Планировать все нужно на долгие годы вперед. И мы очень серьезно к этому относимся».

Первые результаты исследований, очевидно, можно будет наблюдать в области высокопроизводительных вычислений, но в конечном итоге они найдут отражение и в портативных и настольных компьютерах. Впрочем, какие-то конкретные временные рамки Розамилиа назвать затруднился.

Инвестиции растут по мере того, как действие закона Мура близится к своему завершению. Много лет назад один из основателей Intel Гордон Мур заявил, что число транзисторов в интегрированных схемах будет удваиваться через каждые два года. До сих пор сформулированный им закон не терял своей актуальности, но ожидается, что уже в следующем десятилетии его действие прекратится. Инженеры пересматривают процессорную архитектуру, стремясь добиться дальнейшего увеличения роста производительности. И чем меньше становятся чипы, тем большую важность приобретает эта задача. Intel уже готовится организовать производство с нормой проектирования 14 нм, а в ближайшие годы норма проектирования должна уменьшиться до 10 нм.

Процессорная революция произошла в 1950 году, когда ученые начали использовать очищенный кремний, но расширять функционал при переходе к 7-нанометровому производственному процессу становится все труднее, поскольку отрасль уже приближается к атомному уровню.

«Чем мы будем заменять существующие технологии на этом рубеже, пока неясно», – признался Гуха. – Углеродные нанотрубки, представляющие собой цилиндры из атомов углерода, считаются сегодня наиболее вероятной заменой кремнию. Исследователи из IBM постепенно уменьшают размеры углеродных нанотрубок, но при этом все острее встают вопросы охлаждения. В последнее время участились споры и в сфере безопасности. Тем не менее, все сходятся на том, что решить технические проблемы вполне возможно".

Для разработки квантовых компьютеров и компьютеров, функционирующих по принципу мозга, требуются дальнейшие исследования поведения компьютеров.

IBM проектирует компьютеры, моделирующие функциональность мозга, в рамках программы SyNAPSE. Мозг обрабатывает информацию, которая параллельно поступает в него через триллионы соединений, называемых синапсами. В 2011 году в IBM продемонстрировали нейронный чип с программируемыми и обучаемыми синапсами, которые обеспечивали возможности навигации и распознавания образов. Сегодня цель IBM заключается в построении нейронного чипа, имитирующего работу человеческого мозга. При наличии 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов он будет потреблять всего один киловатт электроэнергии.

Сердцем квантовых компьютеров являются квантовые биты (кубиты), в которых хранятся значения нулей, единиц и их суперпозиции. Этим они отличаются от обычных компьютеров, в ячейках памяти которых в любой конкретный момент времени находится либо 0, либо 1. Благодаря увеличению числа поддерживаемых состояний кубиты позволяют увеличить скорость выполнения вычислений.

Конечно, исследователям предстоит преодолеть еще очень много трудностей, включая квантовый шум, при котором кубиты переходят в нежелательные состояния, что осложняет нормальное выполнение программ. Единственный известный квантовый компьютер продается сегодня компанией D-Wave Systems, однако в начале нынешнего года исследователям IBM удалось перевести компьютерные отношения в плоскость квантовой механики, где поведение и взаимодействие описывается на атомном и субатомном уровне.