Для квантового мира это считается нормальным: надлежащим образом подготовленный квантовый объект, находящийся в изоляции от среды, будет в действительности существовать во всех возможных состояниях (как то: энергия, спин и т.д.) сразу – он существует в наложении состояний. В зависимости от вводных данных в системе самым вероятным станет одно состояние; повторные измерения одной и той же заново подготовленной системы могут выявить это наиболее вероятное состояние. Если рассмотреть этот объект как бит, легко понять, как именно осуществляются вычисления: установите его в основное квантовое состояние, проведите вычисление путем ввода, который повлияет на его состояние, а затем считайте его. Повторите процесс несколько раз и отсортируйте вероятности, и вы получите 1-битное вычисление с квантовым битом.
Излишне упоминать, что подобный компьютер будет функционировать весьма слабо, если станет управлять вашим сотовым телефоном. Но в квантовом мире два объекта можно связать; состояние одного связано с состоянием другого. Благодаря сочетанию наложения и сплетения эта двухчастичное взаимодействие будет существовать одновременно в 22 состояниях, но всего с одним вероятным состоянием, на которое влияют экспериментальные вводные данные. По мере добавления все большего числа связанных частиц система сможет одновременно исследовать 2n возможных ответа, где n означает количество квантовых битов.
Эта способность одновременно изучать большое количество состояний может найти применение для подмножества в классе математических проблем, которые называются NP-полные (класс комбинаторных задач с нелинейной полиномиальной оценкой числа вариантов), а компания D-Wave утверждает, что Orion решает эти проблемы быстрее традиционного компьютера. Если вы хотите больше узнать о NP-полных задачах, обратитесь к источнику Nobel Intent, но самый важный их признак – это отсутствие алгоритмов, последовательно работающих для поиска решений NP-полной задачи. Таким образом, единственным общим способом проверки возможных ответов становится решение «в лоб». Трудность решения NP-полной задачи лежит в основе криптографии, на которую мы полагаемся в обеспечении безопасности наших транзакций в Интернет. Но 128-битный квантовый компьютер мог бы с помощью наложения проверить все ключи сразу и дать быстрый ответ на неразрешимую иным способом проблему.
Соединение теории и реальности
Так почему AMD говорит о том, что собирается сделать одно из своих ядер графическим процессором, а не квантовым сопроцессором? Во-первых, если какой-либо из квантовых объектов вступят во взаимодействие со своей средой, это немедленное уничтожит связь, ликвидируя наложение состояний в системе. Чтобы этого избежать, нужна целая комната оборудования, большая часть которого предназначена для охлаждения квантовых битов до температур, близких к абсолютному нулю. Во-вторых, не всегда ясно, как ввести в систему данные, чтобы вероятным стало единственное совмещенное состояние. Было описано несколько алгоритмов (включая поиск в квантовой базе данных), но в настоящее время с помощью квантового компьютера можно исследовать лишь ограниченное число задач.
Из-за этих ограничений квантовые компьютеры редко покидали пределы академических исследовательских лабораторий. Но D-Wave привлекла ученых, а также финансирование – как частное, так и государственное. Это сочетание интеллекта и денег дало им возможность продемонстрировать 16-битный квантовый компьютер. Это событие состоялось в Музее истории компьютеров.
Сам компьютер не демонстрируют; доступ к нему осуществляется дистанционно. Он работает при температуре 5 милливельвин – лишь немного выше абсолютного нуля, а это требует специального оборудования. Квантовые биты размещаются на сетке размером четыре на четыре, и каждый связан с соседними, количество которых доходит до восьми. Он разработан специально для решения NP-полных задач путем считывания свободного энергетического состояния квантовых битов. Таким образом, данный класс компьютеров называется «адиабатическим». Сообщество квантовых вычислений выражает некоторые сомнения в применимости адиабатических систем в сравнении с некоторыми изученными альтернативами; более подробное рассмотрение данных вопросов см. на Nobel Intent.
Судя по всему, есть еще несколько причин сомневаться, что Orion будет работать, как было обещано. Они выходят далеко за пределы способностей сотрудников Ars проанализировать аргументы за и против; однако стоит заметить, что наш эксперт по физике (Крис Ли - Chris Lee) не смог найти ни единого материала по такой системе, опубликованной кем-либо из D-Wave. Хотя главный ученый D-Wave предоставил ссылки на относящие к данной теме публикации, вышедшие из-под пера академического сообщества, не все они выдержали проверку.
Демонстрация D-Wave нужна исключительно для упрочения позиции на рынке?
Демонстрации D-Wave покажут, как Orion осуществляет поиск в базе данных и обрабатывает план рассадки с большим числом ограничений – например, как на свадебном приеме. Вероятно, можно смело сказать, что несмотря на любые сомнения а компании Orion практически наверняка проявит значительное увеличение скорости в решении этих двух проблем. Но учитывая ограничения и вопросы, а также тот факт, что D-Wave в настоящее время не нуждается в деньгах, зачем ей все это?
Думаю, информацию можно почерпнуть в недавно проведенном Джоном Стоуксом (Jon Stokes) анализе расширения x86 на новые рынки. Даже когда процессор x86 не обязательно является «лучшим» решением (в отношении цены или требований к электроэнергии), большой набор программных инструментов, микропроцессоры поддержки, и человеческий опыт могут компенсировать любые недостатки. Полагаю, объявление D-Wave может оказаться попыткой компании стать x86 квантового мира.
Насколько можно судить (а также исходя из отсутствия пресс-релизов конкурентов), больше никто не приблизился к созданию квантового компьютера, пригодного к применению. Адиабатическая система, использованная в данном случае, в итоге может оказаться не «лучшей» в отношении практичности или способности решать широкий спектр задач (научный мир работает в основном с другими системами), но она явно готова к некоторому употреблению. И возможно, это – все, что нужно D-Wave. Если она сможет убедить других работать со своей системой – закодировать дополнительные алгоритмы, обеспечить интерфейсы высокого уровня для Orion, обойти его ограничения – ее подходу не нужно быть «лучшим» в каком-либо смысле.
Чтобы соблазнить разработчиков начать создание набора инструментов специально для Orion, D-Wave планирует в ближайшие несколько месяцев предоставить бесплатный доступ к Orion любому, кто заинтересован в переносе программного обеспечения в систему. Если эта приманка сработает, она принесет два результата. Во-первых, D-Wave получит клиентов, готовых платить за доступ по мере того, как в сеть войдут более сложные последователи Orion. Во-вторых, ко времени появления другой квантовой системы у нее будет конкурент, обладающий разными преимуществами в сфере инструментов и опыта.
