Джорди Роуз, основатель компании D-Wave, претендует на то, что создал первый и единственный в мире квантовый компьютер. Его безусловно выдающиеся маркетинговые способности позволяют привлекать на исследования сотни миллионов долларов. Произведенные D-Wave устройства приобрели Lockheed Martin и Google. Сам Роуз регулярно становится героем публикаций – очередной рассказ о нем вышел в последнем номере журнала Nature. Вот только окончательной уверенности, что компьютеры Роуза действительно являются квантовыми, все еще нет.


1. Квантовые вычисления

Квантовые вычисления, идею которых предложил в начале 80-х советский математик Юрий Манин, основаны на необычных и даже противоестественных свойствах мельчайших объектов, таких как атомные ядра, электроны и фотоны. Согласно квантовой механике, микроскопические системы, в отличие от привычных макроскопических, могут находиться одновременно в нескольких состояниях. Правда, ровно до того момента, пока не произойдет измерение, то есть пока система не вступит во взаимодействие с макрообъектом, прибором. Как только измерение произведено, квантовая система оказывается в одном из возможных для нее состояний с соответствующей ему вероятностью. Очень грубо это можно представить себе как подброшенную в воздух монетку. Когда вы прервете ее полет, поймав на ладонь, она с вероятностью одна вторая будет лежать кверху орлом и с той же вероятностью – решкой. Однако, пока монетка в полете, она находится одновременно в двух состояниях – и орла и решки, или, как говорят, в их суперпозиции.

В обычных компьютерах информация хранится в битах – ячейках памяти, которые могут содержать либо ноль, либо единицу. В квантовых компьютерах информация хранится в квантовых битах (кубитах), которые содержат суперпозицию этих двух состояний. Если операция над обычным битом коснется только одного его состояния (например, 0 заменится на 1 или 1 заменится на 0), то одна операция над кубитом поменяет суперпозицию его двух состояний, то есть коснется сразу обоих. Если взять N кубит и составить из них регистр, аналогичный региcтру из N бит, за один процессорный такт можно изменить сразу же все их 2 в степени N состояний, а не одно единственное, как для обычного регистра. Важно понимать, что, считывая результат операции над регистром из N кубитов, мы можем получить любую комбинацию из N нулей и единиц, каждую – со своей вероятностью. Таким образом квантовые вычисления не могут дать однозначно верного ответа, но можно добиться, чтобы верный ответ получался с очень близкой к единице вероятностью, для многих задач этого вполне достаточно.

Потенциально квантовые процессоры могут дать возможность производить параллельно большое количество вычислений, а значит, обеспечить огромное быстродействие, значительно превышающее верхний предел возможностей процессоров, основанных на классических принципах. Общая схема работы квантового компьютера ясна, но ее практическое воплощение связано с большими техническими проблемами. Главная из них – процессы, ответственные за квантовые вычисления, очень сильно подвержены воздействию внешней среды. Контакт кубита с внешней средой мгновенно приведет к “измерению” и квантовое волшебство закончится. В одной из статей приводится такое сравнение: квантовая система похожа на набор карандашей, стоящих на своих остро заточенных кончиках. Ограничить кубиты от внешних воздействий крайне тяжело. Другая проблема, о которой мы уже писали выше, это низкая точность вычислений. Для ее контроля придется тратить существенную часть мощности квантового процессора.

Некоторые ученые считают, что квантовый компьютер в принципе никогда не будет построен, другие уверены, что мы, как в середине прошлого века, стоим на пороге революции вычислительной техники. А Джорди Роуз, основатель компании D-Wave Systems, в прошлом году представил на рынке уже третье поколение устройств, похожих на квантовые компьютеры.

2. Боец

Джорди Роуз – обладатель степени по теоретической физике Ванкуверского университета, чемпион мира по бразильскому джиу-джитсу, чемпион Канады по рестлингу и стартапер по призванию. В 1999 году, уже получив инженерное образование, но еще не закончив диссертацию по физике, Роуз посещал курсы предпринимательства. Бизнес вдохновил его не меньше науки, а прочитанная книга по квантовым вычислениям навела на идею, как можно объединить и то и другое вместе.

Тогда, в конце 90-х годов, никто не представлял себе, как построить квантовый компьютер, включая, естественно, самого Джорди Роуза. Однако дар убеждения, способности к маркетингу и бойцовские качества позволили вчерашнему студенту-инженеру и мастеру спортивных единоборств привлечь финансирование под проект, даже в гипотетическое воплощение которого верили далеко не все специалисты. Те же самые качества настроили против него существенную часть научного сообщества. Привычка выпускать пресс-релизы об успешных разработках раньше, чем научные публикации, не добавили ему популярности в академической среде.

Впрочем, сам Роуз занимается не совсем наукой, а компания D-Waves Systems не разрабатывает квантовый компьютер. Роуз привлекает финансирование и распределяет его по различным исследовательским группам, а затем создает на основе их достижений продукт и продвигает его на рынке.

Первый прототип компания D-Wave Systems представила в 2007 году. По утверждению создателей, машина использовала в работе 16 кубитов. Устройство умело решать несколько сложных задач (в частности, находить решения для игры в судоку), но принцип его действия так и остался непонятен специалистам. D-Wave предложили для построения квантового компьютера альтернативную архитектуру, основанную на так называемых адиабатических вычислениях, в то время как абсолютное большинство работающих в этой области исследователей пользовались другой вычислительной моделью – шлюзовой. Ориентированность Роуза на маркетинг и необычное решение привели к тому, что мало кто поверил в способность устройства D-Wave производить действительно квантовые вычисления. Зато компания начала сотрудничать с Google.

3. Квантовая или классическая?

С тех пор D-Wave Systems представили еще два адиабатических компьютера – в 2011 году – на 128 кубит и в 2012-м – на 512 кубит. Машина первой из этих моделей была приобретена американским технологическим гигантом Lockheed Martin (за сумму около 10 миллионов долларов), а второй – компанией Google. Последней сделке предшествовало проведенное по заказу D-Wave исследование, которое показало, что наиболее современный вариант компьютера D-Wave Two справляется с некоторым типом оптимизационных задач всего за полсекунды, тогда как самым мощным процессорам IBM для поиска верного решения требуется более получаса.

Результаты теста были представлены в этом мае, но даже они убедили не всех специалистов. Один из главных скептиков деятельности Роуза, Скотт Ааронсон из Массачусетского технологического университета, заявил: “Даже если эта машина действительно нашла решение быстрее, чем обычный компьютер, все еще нужно разобраться, связано это с квантовыми эффектами или с тем, что люди потратили 100 миллионов долларов специально, чтобы построить машину, которая хорошо решает именно эту задачу”. Тем не менее, Google машину приобрел.

Отношение к Джорди Роузу постепенно меняется, но главный вопрос – являются ли его устройства действительно квантовыми компьютерами – по-прежнему остается открытым. В апреле группа ученых из Центра квантовых вычислений Лос-Анджелеса изучила предоставленный им компанией Lockheed Martin компьютер D-Wave One со 128 кубитами и пришла к заключению, что он действительно работает на квантовом уровне. Чуть позже, в конце мая, эти выводы были подвергнуты сомнению другими специалистами.

4. Механический турок

В 1769 году австрийский изобретатель Вольфганг фон Кемпелен сконструировал способный играть в шахматы аппарат, прозванный “механическим турком”. Он представлял собой восковую фигуру, одетую в экзотический наряд и сидящую за ящиком с шахматной доской на крышке. Секрет устройства заключался в том, что за “турка” играл умело спрятанный внутри стола вполне живой шахматист. Компьютер D-Wave Two похож на внушительный металлический ящик. И пока нет единого мнения, что в нем отвечает за решение оптимизационных задач – удивительные, боящиеся чужих глаз и измерений, теряющие от них свою квантовую сущность кубиты или обычные классические биты. Но, в конце концов, изобретение Кемпелена вполне можно считать первым шахматным компьютером.