Перспективы развития персональных компьютеров

Основным ограничением ЯМР  квантовых компьютеров является сложность инициализации начального состояния в квантовом регистре. Дело в том, что в большом ансамбле молекул исходное состояние кубитов различно, что осложняет приведение системы к начальному состоянию.

Другое ограничение ЯМР  квантовых компьютеров связано  с тем, что измеряемый на выходе системы  сигнал экспоненциально убывает  с ростом числа кубитов L. Кроме того, число ядерных кубитов в отдельной молекуле с сильно различающимися резонансными частотами ограничено. Это приводит к тому, что ЯМР квантовые компьютеры не могут иметь больше десяти кубитов. Их следует рассматривать лишь как прототипы будущих квантовых компьютеров, полезные для отработки принципов квантовых вычислений и проверки квантовых алгоритмов.

Другой вариант квантового компьютера основан на использовании ионных ловушек, когда в роли кубитов выступает уровень энергии ионов, захваченных ионными ловушками, которые создаются в вакууме определенной конфигурацией электрического поля в условиях лазерного охлаждения их до сверхнизких температур. Первый прототип квантового компьютера, основанного на этом принципе, был предложен в 1995 году. Преимущество такого подхода состоит в сравнительно простом индивидуальном управлении отдельными кубитами. Основными недостатками квантовых компьютеров этого типа являются необходимость создания сверхнизких температур, обеспечение устойчивости состояния ионов в цепочке и ограниченность возможного числа кубитов — не более 40.

Возможны и другие схемы  квантовых компьютеров, разработка которых ведется в настоящее  время. Однако пройдет еще как  минимум десять лет, прежде чем настоящие  квантовые компьютеры, наконец, будут созданы.

И, тем не менее, нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам  квантовой механики, – новый и  решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.

3.4 Физические реализации квантовых компьютеров

На рубеже 21 века во многих научных лабораториях были созданы  однокубитные квантовые процессоры (по существу, управляемые двухуровневые системы, о которых можно было предполагать возможность масштабирования на много кубитов). Очень скоро был реализован жидкостной ЯМР – квантовый компьютер (до 7 кубит, IBM, И. Чанг). В 2005 году группой Ю. Пашкина (NEC, Япония) был построен двухкубитый квантовый процессор на сверхпроводящих элементах. Примерно в это время до десятка кубит было сделано на ионах в ловушках Пауля (Д. Винланд, П. Золлер, Р. Блатт).

В России разработкой вопросов физической реализации квантового компьютера занимается ряд исследовательских  групп, ядро которых составляет школа академика К.А. Валиева: Физико-технологический институт РАН (лаборатория ФКК), МГУ (ф-т ВМК, кафедра КИ, физический ф-т, кафедра КЭ), МФТИ, МИФИ, МИЭТ, КГУ, ЯрГУ, а также ряд сотрудников институтов РАН (ИТФ, ИФТТ и др.) и ВУЗов.

Главные технологии для квантового компьютера:

1. Твердотельные квантовые точки на полупроводниках: в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (нахождение или отсутствие электрона в определенной точке) либо направление электронного и/или ядерного спина в данной квантовой точке. Управление через внешние потенциалы или лазерным импульсом.

2. Сверхпроводящие элементы (джозефсоновские переходы, сквиды и др.). В качестве логическихкубитов используются присутствие/отсутствие куперовской пары в определенной пространственной области. Управление: внешний потенциал/магнитный поток.

3. Ионы в вакуумных ловушках Пауля (или атомы в оптических ловушках). В качестве логических кубитов используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе. Управление: классические лазерные импульсы вдоль оси ловушки или направленные на индивидуальные ионы + колебательные моды ионного ансамбля.

4. Смешанные технологии: использование заранее приготовленных запутанных состояний фотонов для управления атомными ансамблями или как элементы управления классическими вычислительными сетями.

В ноябре 2009 года физикам  из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубит.В феврале 2012 года компания IBM сообщила о достижении значительного прогресса в физической реализации квантовых вычислений с использованием сверхпроводящих кубитовкоторые, по мнению компании, позволят начать работы по созданию квантового компьютера.

В апреле 2012 года группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова, и Калифорнийского университета, Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза с примесями. Компьютер функционирует при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым. В качестве двух логических кубитов использовались направления спина электрона и ядра азота соответственно. Для обеспечения защиты от влияния декогерентности была разработана целая система, которая формировала импульс микроволнового излучения определенной длительности и формы. При помощи этого компьютера реализован алгоритм Гровера для четырёх вариантов перебора, что позволило получить правильный ответ с первой попытки в 95% случаев.

Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках

Один кубит можно представить в виде электрона в двух ямном потенциале, так что означает нахождение его в левой яме, а — в правой. Это называется кубит на зарядовых состояниях. Общий вид квантового состояния такого электрона: . Зависимость его от времени есть зависимость от времени амплитуд ; она задается уравнением Шредингера вида где гамильтониан имеет в силу одинакового вида ям и эрмитовости вид для некоторой константы , так что вектор есть собственный вектор этого гамильтониана с собственным значением 0 (так называемое основное состояние), а – собственный вектор со значением (первое возбужденное состояние). Никаких других собственных состояний (с определенным значением энергии) здесь нет, так как наша задача двумерная. Поскольку каждое состояние переходит за время в состояние , то для реализации операции NOT (перехода и наоборот достаточно просто подождать время . То есть гейт NOT дается просто естественной квантовой эволюцией нашего кубита при условии, что внешний потенциал задает двух ямную структуру; это делается с помощью технологии квантовых точек.

Для реализации CNOT надо расположить  два кубита (то есть две пары ям) перпендикулярно друг другу, и в каждой из них расположить по отдельному электрону. Тогда константа для первой (управляемой) пары ям будет зависеть от того, в каком состоянии находится электрон во второй (управляющей) паре ям: если ближе к первой, будет больше, если дальше — меньше. Поэтому состояние электрона во второй паре определяет время совершения NOT в первой яме, что позволяет снова выбрать нужную длительность времени для производства операции CNOT.

Эта схема очень приблизительная  и идеализирована; реальные схемы  сложнее и их реализация представляет вызов экспериментальной физике.

Канадская компания D-Wave заявила в феврале 2007 года о создании образца квантового компьютера, состоящего из 16 кубит (устройство получило название Orion). Информация об этом устройстве не отвечала требованиям достоверного научного сообщения, поэтому новость не получила научного признания. Более того, дальнейшие планы компании – создать уже в ближайшем будущем 1024-кубитный компьютер – вызвали скепсис у членов экспертного сообщества^[18].

В ноябре 2007 года та же компания D-Wave продемонстрировала работу образца 28-кубитного компьютера (устройство получило название Leda) онлайн на конференции, посвященной суперкомпьютерам. Данная демонстрация также вызвала скепсис. В январе 2008 года компания привлекла 17 млн. долларов США от международных инвесторов на поддержание своей деятельности. В декабре 2008 года компания организовала проект распределенных вычисленийAQUA@home (AdiabaticQUantumAlgorithms), в котором тестируются алгоритмы, оптимизирующие вычисления на адиабатических сверхпроводящих квантовых компьютерах D-Wave.

8 декабря 2009 года на конференции NIPS научный сотрудник GoogleHartmutNeven продемонстрировал на компьютере D-Wave работу программы распознавания образов.

11 мая 2011 года представлен компьютер D-WaveOne, созданный на базе 128-кубитного процессора.

С 20 мая 2011 года D-WaveSystems продает за $ 11 млн. квантовый компьютер D-WaveOne с 128-кубитным чипсетом, который выполняет только одну задачу – дискретную оптимизацию. Компьютер расположен в вычислительном центре Южно-Калифорнийского университета (университетский городок института информатики в Марина-дель-Рэе. Его рабочая температура составляет 20 мкК, компьютер тщательно экранирован от внешних электрических и магнитных полей.

25 мая 2011 года LockheedMartin подписала многолетний контракт с D-WaveSystems, касающийся выполнения сложных вычислительных задач на квантовых процессорах. Контракт также включает в себя техническое обслуживание, сопутствующие услуги и покупку квантового компьютера D-WaveOne.

В то же время, квантовые  компьютеры D-WaveSystems подвергаются критике со стороны некоторых исследователей. Так, профессор Массачусетского Технологического Института Скотт Ааронсон считает, что D-Wave пока не смогла доказать ни того, что ее компьютер решает какие-либо задачи быстрее, чем обычный компьютер, ни того, что используемые 128 кубитов удается ввести в состоянии квантовой запутанности. Если же кубиты не находятся в запутанном состоянии, то это не квантовый компьютер.

23 августа 2012 года было объявлено об успешном решении задачи о нахождении трехмерной формы белка по известной последовательности аминокислот в его составе с использованием 115 кубитов квантового компьютера D-WaveOne из 128 имеющихся методом квантового отжига.

Попробуем представить, как  мог бы выглядеть будущий квантовый  компьютер. Вероятно, большой (масштабируемый) компьютер будет содержать тысячи управляющих элементов, действующих  локально на каждый кубит. Воздействие, скорее всего, с помощью электрических импульсов, подаваемых на микроэлектроды, подведенные к кубитам. Возможно также оптическое управление пучками света, сфокусированными на кубитах. Однако в этом случае трудно избежать паразитного воздействия на соседние кубиты дифракционных краев сфокусированного пучка. Что касается электрических методов, то они уже давно и широко применяются в микроэлектронике для управления классическими логическими элементами. Поэтому их использование представляется наиболее перспективным и для создания масштабируемых квантовых компьютеров. (Возможно, конечно, что в результате какого-нибудь технологического прорыва появится еще и третий вариант. Однако революционные открытия трудно поддаются прогнозу.)

Таким образом, весьма возможно, что в перспективе квантовые  компьютеры будут изготавливаться  с использованием традиционных методов  микроэлектронной технологии и содержать  множество управляющих электродов, напоминая современный микропроцессор. Для того чтобы снизить уровень  шумов, критически важный для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать  жидким гелием. Вероятно, первые квантовые  компьютеры будут громоздкими и  дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но примерно так же начиналась и эра обычных компьютеров.

Внедрение квантовых компьютеров  не приведет к решению принципиально  нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления. Кроме  того, станет возможна квантовая связь  – передача кубитов на расстояние, что приведет к возникновению своего рода квантового Интернета. Квантовая связь позволит обеспечить защищенное (законами квантовой механики) от подслушивания соединение всех желающих друг с другом. Ваша информация, хранимая в квантовых базах данных, будет надежнее защищена от копирования, чем сейчас. Фирмы, производящие программы для квантовых компьютеров, смогут уберечь их от любого, в том числе и незаконного, копирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время на Западе появляется все больше самых различных  оценок перспектив развития рынка персональных компьютеров, порой носящих диаметрально противоположный характер.

Еще в 2001 г. американская исследовательская  компания "PC Data" высказала мнение, согласно которой на рынке персональных компьютеров США складывается беспрецедентная ситуация, грозящая ему в недалеком будущем настоящим обвалом. В подтверждение этого фирма привела статистические данные, свидетельствующие о явном сокращении спроса на ПК в розничной и посылочной торговле: например, в декабре 2000 г. - на 24% по сравнению с темже месяцем 1999 г. Не слишком оптимистично был настроен и один из руководителей мирового лидерасектора - "Compaq", который, констатируя более низкие результаты своей фирмы в этой области по сравнению с намечавшимися ранее (вслед зааналогичными заявлениями представителей "Dell", "Gateway", "Apple", "Hewlett-Packard" и некоторых других компаний), подчеркивал, что сейчас уже очевидно замедление роста потребительского спроса на эти машины на американском рынке, в частности со стороны небольших и средних предприятий и Internet-компаний. На взгляд "PC Data", причин, которые заставили в данный момент американскую клиентуру "отворачиваться" от обычных ПК, сразу несколько: и ажиотажный спрос на ПК в конце 1999 г., и недостаточные темпы инноваций, и слишком высокие цены. Например, за год средняя цена ПК, реализуемых в магазинах розничной торговли, снизилась всего на 10 долл. и составила 906 долл. В таких условиях отгрузки в розничную сеть конторских ПК в декабре 2000 г. не превышали 1 млн. шт., а за год в целом составили не более 10,1 млн. шт., снизившись на 0,8%.

Совсем по иному (по крайней  мере в отношении домашних компьютеров в Европе) были настроены авторы опубликованного в декабре 2000г. исследования "Forrester's Technographics Europe March 2000 Benchmark Study" (составленного на базе проведенного в марте 2000 г. опроса 23,5 тыс. респондентов из 11 западноевропейских стран). Согласно данному источнику, продажи таких ПК неуклонно увеличиваются и эта тенденция сохранится и в дальнейшем, причем далеко не в последнюю очередь за счет семей, приобретающих не первый компьютер. Как считают европейские эксперты, недалеко то время, когда владельцы нескольких ПК станут самой многочисленной потребительской группой. В большей степени домашними компьютерами оснащены страны Центральной и Северной Европы и в несколько меньшей - Италия, Испания и Франция. "Индивидуальные" лидеры - Швеция и Швейцария, на третьем месте - Нидерланды; такая ситуация во многом связана с тем, что в этих странах все большее распространение получает субсидирование многими фирмами покупки их сотрудниками ПК для дома.¹