Физики Орхусского университета разработали серию онлайн-игр, позволяющих в игровой форме решать задачи квантовой механики, связанные с разработкой квантового компьютера. Например, в одной из игр, Quantum Moves, нужно управлять лазерным лучом, перемещающим атомы по оптической решетке, причем это надо делать так, чтобы не нарушить зыбкое состояние квантовой суперпозиции кубитов системы.

Ученые сперва попытались решить эту задачу с помощью алгоритмов, но оказалось, что люди, играющие в игру, интуитивно находят гораздо более удачные решения. Как пишут исследователи в журнале Nature, в Quantum Moves сыграли уже больше 10 тыс. человек. Пользуясь найденными ими решениями, авторы разработали «человеко-машинные» гибридные методы, гораздо более действенные, чем чисто математические.

По словам авторов, у компьютера были все шансы найти более оптимальное решение задачи, лежащей в основе Quantum Moves, но люди неизменно справляются лучше — если алгоритм просто перебирает все возможные варианты, то люди выбирают нужную стратегию «по наитию».

Исследователи выражают надежду, что их игровая платформа позволит ускорить работу над квантовыми компьютерами при помощи человеческой интуиции.

В основе квантовых вычислений — способность кубитов, строительных блоков квантового компьютера, одновременно находиться более чем в одном физическом состоянии. Это явление называется суперпозицией, и именно от него зависит грандиозный потенциал квантовых компьютеров.

Поддерживать суперпозицию невероятно сложно, но недавно ученые Массачусетского технологического института объявили о разработке нового способа, основанного на применении искусственных алмазов. Со временем благодаря ему появление надежно работающих квантовых компьютеров может стать ближе.

Одна из главных трудностей, связанных с квантовыми вычислениями, состоит в поддержании стабильности. Во многих других областях эта задача решается при помощи управления с обратной связью: зная требуемое состояние системы, исследователи измеряют текущее и вносят коррективы, необходимые для выравнивания согласно нужным показателям.

Проблема в том, что в квантовом мире измерение, необходимая часть процесса управления с обратной связью, разрушает суперпозицию. Поэтому в данной области исследователи традиционно вынуждены были обходиться без обратной связи.

В докладе, опубликованном учеными МТИ, описывается система управления с обратной связью для поддержания состояния квантовой суперпозиции, не требующая измерений. Взамен в ней используется азото-замещенная вакансия в атомной решетке алмаза.

«Вместо классического контроллера, реализующего обратную связь, мы пользуемся квантовым, — поясняет Паола Капелларо, профессор ядерной физики и инженерии МТИ. — Поскольку контроллер квантовый, для оценки состояния системы измерения уже не требуются».

Чистый алмаз состоит из атомов углерода, выстроенных в регулярную решетчатую структуру. Если ядро атома углерода на своем месте в решетке отсутствует, это называется вакансией. А азото-замещенной вакансией называют структуру, в которой соседнюю с вакансией позицию вместо углерода занимает атом азота.

Под влиянием сильного магнитного поля, в случае данного исследования — постоянного магнита, размещенного над алмазом, вектор спина азото-замещенной вакансии может быть направлен вверх, вниз или находиться в состоянии квантовой суперпозиции двух направлений. Это как раз и можно использовать для квантовых вычислений.

Вначале порция микроволн переводит электронный спин азото-замещенной вакансии в состояние суперпозиции. Затем импульс радиочастотного излучения помещает ядро атома азота в заданное спиновое состояние. Вторая, менее мощная порция микроволн «запутывает» спины ядра атома азота и азотозамещенной вакансии, делая их взаимозависимыми.

На этом этапе кубит на основе азото-замещенной вакансии уже можно заставить совместно с другими кубитами выполнять вычисления, но исследователи провели дополнительные облучения микроволнами, чтобы удостовериться полной стабильности.

Результат — в такой системе квантовый бит на основе азото-замещенной вакансии оставался в состоянии суперпозиции примерно в тысячу раз дольше, чем в других экспериментах с кубитами. А это значит, что до появления работоспособных квантовых компьютеров, скорее всего, пройдет меньше времени, чем считалось.

Доклад с описанием работы исследователей МТИ опубликован в недавнем выпуске журнала Nature.

Вентиль Фредкина является универсальным — любую логическую или арифметическую операцию можно выполнить, пользуясь системой, которая состоит только из таких вентилей. Ввиду высокого уровня сложности реализации сконструировать квантовый вариант до сих пор не удавалось.

Обычный вентиль Фредкина представляет собой схему, выполняющую последовательность из пяти логических операций, а австралийские исследователи, воспользовавшись эффектом квантовой запутанности, реализовали управляемый обмен напрямую. Таким образом, ученые приблизили возможность создания полноценного квантового компьютера, в разы уменьшив количество логических элементов, которые бы для этого понадобились.

Воспользовавшись белками и химическими соединениями, питающими энергией клетки растений и животных, ученые построили биологический суперкомпьютер.

По размерам он с книгу. По словам ученых Университета Макгилла, биокомпьютеру нужно гораздо меньше энергии, чем обычному, поэтому он выделяет меньше тепла и работает более эффективно.

«Нам удалось создать очень сложную сеть очень малых размеров», — заявил Дэн Николау, заведующий кафедрой биоинженерии.

Николау работает над этой проблемой уже больше десяти лет, а со временем к нему присоединились ученые из Германии, Швеции и Голландии. Их совместное исследование стало продолжением работ других ученых в области биологических компьютеров, которые идут уже много лет.

В мае прошлого года ученые Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сообщили, что работают над электронной схемой, имитирующей участок человеческого мозга, который содержит около ста синапсов. Однако биологические компоненты в ней не использовались.

Почти десять лет тому назад ученые сделали прогноз о том, что в течение 15 лет появятся гибридные компьютеры, состоящие из электроники и живого органического материала. За прошедшее с тех пор время были исследовательские проекты, в которых мозг мотылька и обезьяны заставляли управлять роботами.

Теперь же ученые делают следующий шаг.

«Это потрясающе, учитывая, что сам замысел кажется неосуществимым, почти научной фантастикой, — признается Патрик Мурхед, главный аналитик Moor Insights & Strategy. — Если создадут, к примеру, полноценный квантовый компьютер, то биологический, возможно, и не понадобится, но расширять число возможных вариантов важно. Если их будет много, то какой-нибудь в итоге добьется успеха».

Биологический компьютер обрабатывает данные в параллельном режиме, как и традиционные суперкомпьютеры. Процессор биокомпьютера имеет площадь всего 1,5 см² . В нем вытравлены каналы, переносящие вместо электронов короткие белковые нити. Двигаться их заставляет аденозинтрифосфат (АТФ), химическое соединение, обеспечивающее перенос энергии между живыми клетками.

Ученые Университета Макгилла называют АТФ «источником жизненной силы».

Проект доказал, что биосуперкомпьютер способен решать сложные математические задачи путем параллельных вычислений, но, по словам исследователей, чтобы превратить его в полноценный компьютер, понадобится еще много работы.

«Теперь, когда существует данная модель, способная успешно решать определенный класс задач, нужно будет создать многие другие, чтобы далее развивать возможности системы, — отметил Николау. — Одна из возможностей — использовать разные варианты биоагентов. Сейчас трудно сказать, сколько времени пройдет, прежде чем появится полномасштабный биосуперкомпьютер».

Он добавил, что для того, чтобы заставить биокомпьютер решать более сложные задачи, можно будет, например, скомбинировать биомашину с традиционным компьютером, создав гибридное устройство.

«Сейчас мы готовим несколько вариантов дальнейших исследований», — сообщил он.

Зевс Керравала, главный аналитик ZK Research, назвал работу ученых большим шагом вперед на пути создания полезных биосуперкомпьютеров. «Поскольку биологический суперкомпьютер выполняет вычисления нетрадиционным образом, есть вероятность, что с его помощью можно будет находить альтернативные способы решения некоторых важных задач», — добавил он.

Мурхед считает работу прорывом: «Сам факт того, что биокомпьютер в состоянии выполнять расчеты, это грандиозный шаг вперед».

Большинство современных алгоритмов шифрования полагается на вычислительную сложность разложения на множители больших чисел, но недавно ученые объявили о создании квантового компьютера, последующие поколения которого способны отправить подобные схемы шифрования на свалку истории.

В традиционных компьютерах значение бита может быть либо 0, либо 1, а квантовые компьютеры основаны на элементах атомных размеров, называемых «кубитами», которые способны за счет пребывания в состоянии квантовой суперпозиции одновременно хранить оба значения. Для разложения на множители числа 15 обычно требуется порядка 12 кубитов, но исследователи из Массачусетского технологического института и Инсбрукского университета нашли способ сократить количество требуемых кубитов всего до пяти, каждый из которых представлен одиночным атомом.

Стабильность системы обеспечивается за счет лазерных импульсов, удерживающих атомы в ионной ловушке. Как утверждается, систему можно масштабировать просто путем добавления атомов и лазеров — таким образом можно построить более крупный и быстрый квантовый компьютер, способный разлагать на множители гораздо большие числа. А это, в свою очередь, ставит под угрозу алгоритмы вроде RSA, которые основаны на разложении больших чисел на множители, и которые сегодня используются для защиты банковских карт, государственных тайн и не только.

Создание квантового компьютера стало ответом на задачу, поставленную еще в 1994 году, когда профессор МТИ Питер Шор разработал квантовый алгоритм, вычисляющий простые множители большого числа гораздо эффективнее, чем это возможно на классическом компьютере.

Самое маленькое число, на котором возможна проверка действенности алгоритма Шора, — 15. Не зная заранее ответа, система из МТИ выдала результат — тройка и пятерка — со степенью уверенности в результате 99%.

«Мы показали, что существует возможность построить квантовый компьютер для выполнения алгоритма Шора таким образом, что для создания более крупной системы будет достаточно просто добавить конструктивных элементов, — подчеркивает Айзек Чуанг, профессор МТИ. — Вероятно, на это понадобится огромная сумма денег, так что вряд ли в скором времени можно будет построить квантовый компьютер, чтобы поставить себе на стол. Однако сегодня это уже в гораздо большей степени инженерная задача, чем проблема теоретической физики».

Отчет о работе ученых опубликован в недавнем выпуске журнала Science.

«Мы уверены, что последующие поколения системы станут легко масштабируемыми, когда наш аппарат сможет захватывать в ловушки больше атомов и получит больше лазерных излучателей для управления импульсами, — продолжил Чуанг. — С точки зрения физики мы не видим препятствий к тому, чтобы это стало возможным».

Работоспособный квантовый компьютер, достаточно большой, чтобы взломать алгоритм RSA, появится, возможно, еще не скоро, но в американском Агентстве национальной безопасности США эту вероятность воспринимают всерьез: в январе на сайте ведомства появился список вопросов и ответов о потенциале квантовой технологии.

«Правительствам, пожалуй, не стоит в доступном месте хранить свои секреты под защитой систем шифрования, надежность которых зависит от сложности разложения чисел на множители, — добавляет Чуанг. — Иначе когда появятся квантовые компьютеры, все государственные тайны быстро станут известны противнику».

«Черный ящик» в недрах Центра перспективных суперкомпьютерных технологий НАСА в Кремниевой долине внешне не примечателен. По размерам он с садовый сарай — меньше, чем обычный суперкомпьютер. Но главное не внешность, а начинка.

Этот «ящик» — D-Wave 2X, компьютер нового типа, основанный на законах квантовой механики. Теоретически он может за считанные секунды решать задачи, на которые у обычных систем ушли бы годы.

Квантовые компьютеры полагаются не на традиционные принципы, в которых каждый бит — это либо ноль, либо единица на, а на совершенно иные. В квантовой системе каждый бит может быть одновременно и нулем, и единицей. Так что если с помощью трех обычных бит можно закодировать до восьми значений (23), то три квантовых бита, или кубита, могут хранить все восемь одновременно. Это значит, что теоретически вычисления на квантовой системе можно выполнять гораздо быстрее.

Исследования в области квантовых вычислений пока на ранней стадии, и до их коммерческого применения могут пройти десятилетия. Но инженеры НАСА и Google недавно объявили, что компьютер D-Wave при решении задачи оптимизации выдал ответ в 100 млн раз быстрее, чем обычный компьютер с одноядерным процессором.

«То, что машина D-Wave делает за секунду, у обычного компьютера с одноядерным чипом отняло бы десять тысяч лет», — заявил на пресс-конференции Хартмут Нивен, директор по проектированию в Google.

Устроители испытаний уверены, что добились многообещающих результатов, однако есть определенные оговорки, и главная в том, что компьютер специально был спроектирован с расчетом на задачу оптимизации, которая решалась в процессе тестирования.

Задачи оптимизации характеризуются большим количеством исследуемых вариантов. Классический пример — выбор оптимального маршрута для коммивояжера, которому надо посетить несколько городов. С увеличением их количества число возможных маршрутов растет так быстро, что обычный компьютер перестает справляться с решением за разумное время.

Похожие задачи существуют для космических миссий и управления воздушным движением — этим областям в НАСА выделяют значительный объем вычислительных ресурсов. В задаче, которая решалась при испытаниях D-Wave, переменных было около тысячи.

«У нас есть целый ряд задач, которые нельзя оптимально решить на традиционных суперкомпьютерах за разумный период времени ввиду экспоненциальной сложности, а системы на квантовой основе дают такую возможность», — подчеркнул Рупак Бисвас, директор по исследовательским технологиям центра НАСА имени Эймса.

В Google опубликовали научный доклад, подробно описывающий проведенные испытания.

Результаты испытаний имеют большое значение для D-Wave Systems, канадской компании, в которой построили компьютер. Машина, установленная в НАСА, — одна из трех, созданных в D-Wave. Еще одна работает в Лос-Аламосской национальной лаборатории, а третья находится в собственности компании Lockeed Martin и действует в университете Южной Калифорнии.

Когда в НАСА опубликовали результаты самых первых испытаний компьютера D-Wave, разгорелись нешуточные споры относительно того, можно ли считать, что машина опережает по быстродействию обычные компьютеры. Но система первого поколения имела 512 кубитов, а нынешняя — 1097.

Доклад Google пока не прошел экспертную оценку — научному сообществу еще предстоит высказать свое мнение о результатах очередных испытаний.

Пока квантовые компьютеры кажутся чем-то из области научной фантастики. Но пройдет еще пять-десять лет, и они вполне могут превратиться в реальность.

«Сейчас эти с истемы находятся в зачаточном состояни, – отметил аналитик компании Pund-IT Чарльз Кинг. –. Несмотря на то что определенные виды вычислений они выполняют быстрее традиционных компьютеров, им присущи и свои ограничения. И если настоящие, полностью работоспособные квантовые системы наконец появятся, ИТ-отрасли, госструктурам, коммерческим компаниям, а также рядовым пользователям придется переосмысливать определенные задачи и уходить от привычных решений».

Время это еще не настало, но аналитики полагают, что мы приближаемся к нему.

А пока в компьютерной отрасли и в мире физики ведутся дебаты о том, действительно ли канадская компания D-Wave Systems сумела построить квантовый компьютер, мы видим все новые свидетельства того, что квантовая система показывает результаты.

НАСА и Google, тестировавшие квантовую систему D-Wave больше года, сообщили, что компьютер D-Wave 2X решил одну из задач в 100 млн раз быстрее обычного компьютера, оснащенного одноядерным процессором.

Директор Google по проектированию Хартмут Невен заявил, что квантовый компьютер D-Wave способен за секунду решать задачи, на выполнение которых у классического компьютера с одноядерным процессором ушло бы 10 тыс. лет.

Машина D-Wave ориентирована на решение вполне конкретных задач, для которых она и создавалась. В первую очередь речь идет о задачах оптимизации, требующих масштабных вычислений и поиска ответов на очень сложные вопросы.

Ученые надеются, что когда-нибудь квантовые компьютеры будут использоваться для поиска путей лечения онкологических заболеваний и болезни Альцгеймера. Они могли бы найти применение и в деле создания безопасных компьютерных сетей, а также при поиске далеких и, возможно, обитаемых планет.

Успехи, о которых сообщают НАСА и Google, помогают отрасли еще на один шаг приблизиться к созданию настоящего квантового компьютера. В сентябре НАСА и Google подписали с компанией D-Wave Systems соглашение, предусматривающее тестирование ее новых систем в том случае, если они будут разработаны в ближайшие семь лет.

Google и НАСА используют эти машины для перспективных исследований в области искусственного интеллекта и машинного обучения.

D-Wave Systems – не единственная компания, работающая над созданием квантовых компьютеров. В апреле в корпорации IBM заявили, что достижения их исследователей позволили на несколько лет приблизиться к созданию реально работающей квантовой системы.

И вот теперь в IBM приступают к реализации программы исследовательского агентства IARPA (Intelligence Advanced Research Projects Activity), подчиняющегося Управлению директора национальной разведки США. Компания получила многолетний грант на проведение исследовательских работ, которые позволят ей продолжить создание квантовой системы.

Сообщения, поступающие от D-Wave Systems и IBM, свидетельствуют о достижении определенного прогресса в этой очень сложной области.

Сложности возникают не только с непосредственным построением квантовых систем, но и с разъяснением принципов их работы. Даже некоторые ведущие физики мира признают, что не понимают этого. Классический компьютер использует для выполнения команд нули и единицы, а вычисления выполняются линейным способом. В квантовом компьютере вместо битов оперируют кубитами. Квантовая машина функционирует не так, как традиционные компьютеры, и может одновременно рассчитать все возможные варианты.

«Квантовые компьютеры находятся пока на начальном этапе своего развития, – отметил аналитик IDC Стивен Конвей. – А вокруг них сформировалось любящее подискутировать и временами весьма язвительное сообщество. Первый вопрос всегда звучит так: а настоящий ли это квантовый компьютер? Во главе процесса стоит компания D-Wave, у которой имеются реально работающие прототипы. Некоторые утверждают, что настоящими квантовыми компьютерами их назвать нельзя, но в Google и НАСА эти системы считают вполне заслуживающими тестирования. В IBM заявили, что новый грант поможет им продолжить ранее начатое дело. Отрадно, что такая мощная компания, как IBM, приложит еще больше усилий к раскрытию потенциала квантового компьютера. Пока лишь очень небольшому числу организаций удалось глубоко погрузиться в эту область. Пройдут годы, прежде чем квантовые компьютеры сформируют серьезный рынок, а предприятия начнут рассматривать квантовые машины в качестве жизнеспособной части своего вычислительного арсенала. Ситуации, при которой квантовые компьютеры в одночасье вытеснят традиционные, мы не увидим. Это будет очень долгий процесс исследований и экспериментов».

А вот Кинг полагает, что возможности квантовых компьютеров можно будет ощутить значительно раньше, возможно, уже через пять-десять лет. Работы IBM заложили основы, которые позволят исследователям продвигаться вперед быстрее, чем ожидалось.

«Компания уже продемонстрировала некоторые возможности квантовых компьютеров, включая реализацию концепции обнаружения и коррекции ошибок, – напомнил он. – А предоставление гранта со стороны IARPA свидетельствует о высокой степени уверенности в успешном завершении проекта. Отличные новости для IBM».

Пожалуй, это прекрасные новости и для всей индустрии в целом.

«Мне кажется, что с активизацией и увеличением финансирования квантовых проектов у нас появляется реальная возможность создать вполне жизнеспособную технологию, – добавил Кинг. – И если это произойдет уже через несколько лет, мы сможем говорить о том, что компьютеры, являвшиеся ранее прерогативой научной фантастики, становятся полноправной частью нашей жизни».