Особый путь «Волны D»

(Май 2013)

Все, кто интересуется компьютерными технологиями, наверняка наслышаны и о тех замечательных перспективах, которые сулят в будущем квантовые компьютеры.

Очень большая проблема в том, что компьютер на основе квантовых эффектов хотя и возможен теоретически, однако чрезвычайно сложен в практической реализации.

Таково, по крайней мере, общепринятое мнение. Только вот разделяют его, впрочем, отнюдь не все…

D-Wave-Boxes

Базирующаяся в Канаде компания D-Wave, небольшая по величине, но уже вошедшая в историю как фирма, первой выпустившая на рынок коммерческий квантовый компьютер, объявила в середине мая (2013), что ей удалось продать еще одну – вторую – вычислительную систему D-Wave Two. (Ориентировочная стоимость этого штучного товара, по сведениям из разных источников, составляет от 10 до 15 миллионов долларов за одну машину).

Официальный контракт на поставку необычного вычислителя заключен между компанией D-Wave и организацией USRA, Университетской Ассоциацией космических исследований (Universities Space Research Association). Причем организация эта, что интересно, не имеет ни денег для столь недешевого приобретения, ни собственного места для правильного размещения такого компьютера, работающего при сверхнизких температурах.

D-Wave-Systems-QC

Иначе говоря, другими важнейшими сторонами данного контракта являются корпорация Google, выделившая под все это дело деньги, и американское космическое агентство NASA, предоставившее необходимую научно-техническую базу для разворачивания квантового суперкомпьютера. И конечно же, все упомянутые участники намерены непосредственно использовать новую машину в собственных исследованиях.

Вычислительную систему D-Wave Two устанавливают в новой, специально созданной под проект лаборатории, которая будет находиться в Исследовательском центре НАСА им. Эймса в Калифорнии. Онлайновое подключение полностью работоспособного компьютера к интернету намечено на третий квартал 2013 года.

При этом, помимо собственно продажи своего продукта, D-Wave по условиям контракта будет также обеспечивать и текущие сервисы, такие как техническое обслуживание и общее поддержание работоспособности вычислителя в процессе эксплуатации. Ну а кроме того, в компании вообще предпочитают называть эту коммерческую сделку высоким словом «коллаборация», надеясь на тесное сотрудничество с NASA, Google и USRA ради дальнейшего развития системы.

Президент американского отделения D-Wave Бо Иволд (Bo Ewald), в частности, дал такой комментарий: «Мы ожидаем, что это будет научно-техническая коллаборация. Некоторые из ученых, математиков и компьютерщиков компании будут непосредственно работать в Центре НАСА».

Особо следует подчеркнуть, что перед тем, как заключать контракт с D-Wave, упомянутое трехстороннее партнерство провело для начала целый ряд серьезных тестовых испытаний с новейшим продуктом фирмы, 512-кубитной системой D-Wave Two. В ходе этих тестов было установлено, что характеристики системы реально отражают или даже превосходят параметры, заявленные изготовителем в спецификациях.

d-wave-quantum-processor

Что еще не менее важно, на ближайшее будущее предполагается, что закупленный компьютер впоследствии подвергнется апгрейду до 2048-кубитной системы – как только D-Wave доведет до нужной кондиции соответствующую технологию своего чипа. (За период коммерческой деятельности, начиная с 2011, компании ежегодно удается стабильное удвоение количества рабочих кубитов. Начиналось все со 128, а ныне продана уже 512-кубитная система.)

Для того, чтобы стало понятнее, насколько в действительности необычны все эти события и заявления, необходимо вкратце рассказать про трудный (но интересный) путь квантового компьютинга в целом и компании D-Wave более конкретно.

Квантовый компьютер – как новаторское и самостоятельное направление в развитии вычислительной техники – построен на базе тех необычных эффектов, что характерны для поведения материи при микромасштабах квантовой физики.

Базовым элементом квантового компьютера является кубит (квантовый бит) – как своего рода вычислительный аналог квантовой частицы. Если для частицы состояние квантовой суперпозиции означает одновременное наличие несовместимых квантовых свойств с разными вероятностями, то для кубита это соответствует одновременному пребыванию в состояниях 0 и 1.

Когда множество кубитов собраны в регистр, то это позволяет – в теории для любой длины и на практике для 3-5-7 кубитов – проделывать удивительные вещи. Находясь в состоянии суперпозиции, все кубиты как бы пребывают во всех возможных состояниях системы одновременно. Так что при правильной обработке регистра соответствующим алгоритмом можно обсчитывать все ветви задачи в параллели и выходить на решение почти мгновенно…

Понятно, наверное, что для практической реализации этой идеи очень важны правильные алгоритмы и соответствующая архитектура квантовой логики, позволяющая управлять кубитами регистра. Иначе говоря, очень значительная часть работы при создании квантового компьютера сосредоточена на построении вентилей квантовой логики, аналогичных тем вентильным устройствам, что лежат в основе традиционных вычислительных схем.

Но здесь же, однако, обнаруживается и важнейшее препятствие, фундаментально застопорившее прогресс квантового компьютинга. Главная проблема физиков при подходах на основе вентилей – это удерживать все кубиты регистра в едином состоянии квантовой сцепленности (чтобы коллапс системы в классическое состояние, соответствующее решению задачи, происходил для всех кубитов одновременно).

Грубо говоря, конструкторы все время сталкиваются с «выпадением» битов из квантового регистра, что именуют декогеренцией системы. Иными словами, из-за квантового шума и декогеренции хрупкие кубиты все время норовят стать просто двоичными единицами и нулями, вместо того, чтобы оставаться в сцепленных квантовых состояниях суперпозиции, которые принципиально нужны для работы. С увеличением длины регистра ошибки этого процесса стремительно нарастают и катастрофически тормозят весь прогресс…

Как итог, за два десятилетия напряженных усилий на данном пути, ученым-разработчикам квантовых компьютеров во множестве разных стран так и не удалось создать стабильно работающий прототип с длиной регистра свыше десятка кубитов.

И тут словно ниоткуда на рынке появляется некая фирма D-Wave Systems, в качестве реального коммерческого продукта предлагающая квантовый компьютер собственной конструкции – на основе чипа с рабочим регистром длиной 128 кубитов…

При этом конкретная технология, на основе которой построено это квантовое чудо, фирмой-изготовителем предусмотрительно запатентована и в подробностях не раскрывается – дабы обеспечить, ясное дело, приоритет создателям и прибыль их коммерческому предприятию.

Понятно, наверное, что в подобном контексте этот «революционный прорыв» в квантовом компьютинге, осуществленный практически никому неведомыми прежде персонажами, поначалу вызвал среди специалистов глубочайший скептицизм и шквал весьма жесткой критики.

Более того, вплоть до совсем недавнего времени – фактически, до публикации в апреле 2013 исследовательского отчета (arxiv.org/abs/1304.4595) независимых экспертов – в научном сообществе доминировала точка зрения, согласно которой машины D-Wave Systems вообще не демонстрируют никаких свидетельств тому, что их работа основана на специфических квантовых эффектах.

Однако, большая интернациональная команда ученых из калифорнийского университета USC и цюрихского института ETH, специально приглашенная для экспертизы первого компьютера D-Wave, проданного гиганту военно-промышленного комплекса США, корпорации Lockheed Martin, ответственно подтвердила в общих чертах все, что провозглашает о своем квантовом компьютере фирма-изготовитель.

Дабы стало понятнее, как это вообще оказалось возможным – чтобы одновременно оказались правы и скептики, не верящие в чудесное появление квантовых регистров с сотнями кубитов, и новаторы из канадской компании, реально торгующей именно такими устройствами, пора разъяснить техническую особенность того пути, что избрали в D-Wave Systems.

Вместо общепринятого в мире подхода к квантовому компьютингу на основе вентильной логики (который в D-Wave считают тупиком), здесь сфокусировались на построении существенно иных машин, построенных на базе технологии под названием «квантовый отжиг» (quantum annealing).

Иногда в комментариях поясняют, что это своеобразный способ дистилляции, позволяющий приводить систему к оптимальным математическим решениям задачи, естественным образом как бы «испаряя» или отсеивая все прочие допустимые возможности. Однако правильнее, наверное, говорить о квантовом отжиге в терминах его создателей, именующих свой подход разновидностью адиабатического квантового вычисления.

Если же излагать суть метода более доходчивыми общечеловеческими словами, то вычислительная машина D-Wave решает математические проблемы оптимизации путем их преобразования в физическую задачу о сокращении потребления энергии.

Иначе говоря, алгоритм обработки построен так, что итоговое состояние системы (регистра из множества кубитов) является не только ее наиболее естественным состоянием энергетического минимума, но и соответствует достижению нужного – оптимального – результата на выходе задачи.

Естественный переход системы к минимуму энергии в повседневной жизни обычно называют «остыванием», а более конкретный термин для технологического охлаждения материала с подачи металлургов известен как «отжиг». Особенность квантового отжига в том, что он происходит очень быстро благодаря специфическому физическому эффекту под названием квантовое туннелирование.

Все эти технические нюансы важны по той причине, что сцепленность кубитов (в высшей степени трудно достижимая) для работы адиабатического квантового вычислителя на основе отжига совершенно не требуется. Давно освоенный даже в полупроводниковой электронике, туннельный эффект является куда более стабильным и привлекательным методом для организации квантовых взаимодействий между кубитами…

Для полноты представленной картины сразу же следует отметить, что предложенный компанией D-Wave вариант квантового компьютера, конечно же, отнюдь не лишен и собственных недостатков.

D-Wave-two.cryogenic-cooling-system

Если рассматривать технически-эксплуатационные аспекты машины, то компьютер D-Wave сегодня – это довольно громоздкая и весьма дорогостоящая криогенная аппаратура, обеспечивающая работу кубитов квантового регистра при сверхнизких температурах около абсолютного нуля (0,02 Кельвина или -273,13 градуса по шкале Цельсия).

Причем даже в этих – практически идеальных для квантовых эффектов – условиях собственно кубиты (кольца ниобия) при обработке внешним электромагнитным излучением ведут себя довольно капризно. Так что каждое нужное вычисление проводится с регистром 1000 раз – дабы обеспечить его максимальную точность. И даже в этом случае все равно нет полной гарантии, что итоговое решение будет оптимальным (хотя обычно оказывается именно так).

Что же касается еще более существенной для компьютера стороны – собственно математической – то пора особо подчеркнуть следующий аспект, ранее упоминавшийся лишь вскользь. Машина D-Wave – это не универсальный компьютер, пригодный для решения любых сложных проблем, а специализированный вычислитель для быстрого обсчета вполне определенного типа задач, именуемых «проблемы оптимизации».

При желании, можно даже сказать и более жестко – этот аппарат конструктивно пригоден только для проблем оптимизации и ни для чего более.

Но в такой форме констатации факта, что тоже интересно, в действительности нет ничего негативного. Чтобы это продемонстрировать, полезно пояснить, что понимается под задачами оптимизации.

Классическим примером одной из проблем подобного рода является так называемая задача путешествующего коммивояжера. Этому персонажу требуется посетить несколько городов, причем так, чтобы маршрут был предельно коротким (с минимальным расходом времени и бензина, а также без повторных заездов, если это возможно, в один и тот же город).

При решении именно таких вот задач, как показали недавние тестовые испытания по запросу Google и NASA, чип компьютера D-Wave Two демонстрирует себя просто великолепно. Конструктивные особенности устройства таковы, что в регистре чипа все возможные маршруты подобного рода обсчитываются одним махом – сразу выводя на кратчайший из всех путей.

И если обычная программа оптимизации на мощном компьютере производительностью порядка 500 гигафлопс (миллиардов операций в секунду) обсчитывала задачу около 30 минут, то для системы D-Wave Two на это понадобилось меньше половины секунды.

Более того, если увеличивать число точек обхода, то для классического компьютера сложность задачи будет расти экспоненциально, быстро изменяя масштаб времени работы из часов в годы, века и тысячелетия. А для квантового вычислителя D-Wave здесь достаточно лишь методично, по уже освоенной технологии, наращивать длину регистра – и время обработки по-прежнему останется порядка секунды…

Но самое замечательное даже не это. По состоянию на сегодняшний день у ученых уже имеется достаточное внятное представление, каким образом многие математические задачи компьютинга можно переформулировать в терминах проблем оптимизации.

В эту область, в частности, естественным образом попадают такие важные вещи, как машинное обучение и системы искусственного интеллекта вообще; распознавание речи в частности; поиск неструктурированной информации в Сети, моделирование сворачивания белков и поведения других сложных биомолекул в целом. Ну и так далее, и тому подобное, список тут весьма длинный.

Наконец, здесь же нельзя не отметить и еще один очень важный факт. Весьма масштабный теоретический проект, на протяжении десятилетий совместно развиваемый математиками многих стран под общим названием «программа Ленглендса», хотя и не быстро, но определенно раскрывает перед наукой грандиозную картину.

Постепенно выясняется, что крайне далекие друг от друга области математических исследований, прежде считавшиеся никоим образом друг с другом не связанными, в действительности оказываются разными описаниями одной и той же – единой – математической структуры.

Составляя своего рода «словари» для перевода понятий и формул из одних областей в другие, математики обнаруживают, что через подобные преобразования они теперь могут решать неподъемные прежде задачи не только в математике, но также и в физике (подробнее обо всех этих открытиях см. материал «Недостающая идея» ).

Если же с этих захватывающих дух теоретических высот вновь вернуться к куда более конкретным и практическим делам вокруг квантовых компьютеров D-Wave, то несложно дать такой прогноз. Судя по всему, круг задач, хорошо «укладывающихся» на этот вычислитель, со временем будет только расти. А значит, на будущее у D-Wave Systems просматриваются замечательные перспективы.

Похожим образом ощущают ныне происходящее и в самой фирме. Уже цитировавшийся выше Бо Иволд говорит об этом так:

«Для компании, которая только-только начинает выход на рынок, получить Lockheed Martin в качестве первого клиента, а затем Google и NASA как клиентов номер два? Ну что сказать, это просто грандиозной способ для начала бизнеса»…

DWave.512-bit-proccesor