Квантовые процессоры на переходах Джозефсона

Реализация квантовых процессоров

Сейчас оказалось, что в направлении реализации функционально полных квантовых процессоров продвижение идет наиболее быстро именно с применением явления сверхпроводимости и переходов Джозефсона. Еще в 2007 году канадская компания D-Wave сообщила о создании ею квантового компьютера "D-Wave Systems Orion" ( рис. 10.11). Он был представлен журналистам в Музее истории компьютерных технологий в известной Кремниевой долине (США). Квантовый процессор этого компьютера состоит из 16 сверхпроводящих потоковых кубитов с ПД, организованных в матрицу 4 х 4 (микрофотография на рис. 10.11.а). Вместе с периферийными электронными узлами он смонтирован в корпусе микросхемы ( рис. 10.11.б), которая устанавливается на криогенный носитель (справа). Последний опускают в криостат с жидким гелием.

Рис. 10.11. а) Микрофотография активной части 16-кубитного квантового процессора "Орион". б) Сверхпроводящая часть процессора. Справа – процессор, установленный на криогенном носителе

Во время работы квантовый процессор поддерживают при температуре порядка единиц милликельвинов, очень близкой к абсолютному нулю. Работа процессора была продемонстрирована на примере дистанционного решения нескольких специфических задач. Подпрограммы выявления и исправления ошибок из-за небольшого количества кубитов задействованы не были.

В процессе исследовательской эксплуатации "D-Wave Systems Orion" успешно решил японскую головоломку "Судоку", отыскивал молекулы с заданными свойствами в химической базе данных, быстро находил нужное изображение в архиве из тысяч фотографий.

Одной из первых квантовым процессором "Орион" заинтересовалась компания Google с целью применения его в своей известной на весь мир мощной системе поиска информации в Интернете. Несколько лет специалисты компании разрабатывали и отрабатывали квантовый алгоритм поиска заданных объектов в грандиозной неструктурированной базе фото- и видеоизображений. И уже в 2009 г. компания сообщила об успешном испытании такого алгоритма, в ходе которого квантовый процессор "Орион" выполнял сортировку 20 тысяч фотографий автомобилей. Задача решалась на порядок быстрее, чем с помощью наилучших классических алгоритмов на суперкомпьютере, имеющемся в центре обработки данных компании Google. И не исключено, что пользователи Интернета, отыскивая нужную им видеоинформацию через поисковую систему Google, уже сейчас пользуются сверхбыстрым поисковым механизмом, который реализуется на квантовом процессоре.

В июне 2011 г. компания D-Wave Systems заключила первый официальный контракт с компанией Lockheed Martin на продажу, продолжительное обслуживание и поддержку новой вычислительной системы "D-Wave One" с теперь уже 128-кубитным квантовым процессором "Rainier" ( рис. 10.12).

Рис. 10.12. Вверху – две системы D-Wave One на этапе тестирования в лаборатории D-Wave Systems. Внизу – работы по отладке системы внутри "черного ящика"

Как следствие этого, в ноябре 2011 г. в Южно-Калифорнийском университете (США) заработал первый в мире "квантовый" вычислительный центр – "USC-Lockheed Martin Quantum Computing Center" – общее детище университета и компании Lockheed Martin.

Квантовый процессор "Rainier" на кубитах с переходами Джозефсона типа функционирует при температуре 20 микрокельвинов (0,00002 К) в тщательно экранированном от внешних магнитных полей помещении. Инфраструктура этого вычислительного центра рассчитана на перспективное использование еще не одного поколения квантовых процессоров.

Уже в середине 2012 г. появилось сообщение о том, что на квантовом процессоре "Rainier" решена трудная вычислительная задача построения двухцветного графа т.н. чисел Рамсея. Ее решение является весьма обременительным для обычных компьютеров и нуждается в очень больших вычислительных ресурсах. На современном мощном компьютере она может быть решена приблизительно за 250 лет. А квантовому компьютеру на это понадобилось только 270 миллисекунд! В решении задачи были задействованы 84 кубита, из них 28 кубитов – непосредственно для квантовых вычислений и 56 кубитов – для обеспечения избыточного кодирования, поиска и квантовой коррекции ошибок.

Квантовый процессор "Rainier" особенно эффективен для решения многофакторных задач дискретной оптимизации, так как способен довольно быстро находить т.н. "глобальный" минимум целевой функции. Было, например, продемонстрировано, как эффективно он решает задачу нахождения наиболее энергетически выгодной объемной структуры молекулы белка, состоящего из заданной последовательности многих десятков аминокислот.

Во втором полугодии 2012 г. компания D-Wave сообщила о создании и успешных испытаниях следующей версии сверхпроводящего квантового процессора "Vesuvius", состоящего уже из 512 кубитов. Микрофотография основного участка микросхемы этого процессора показана на рис. 10.13. Его основной квантовый регистр (ОКР) состоит из 64 (8х8) 16-кубитных секций, подобных изображенной на рис. 10.11.а.

В 2013 г. квантовый процессор "Vesuvius" приобрели у компании D-Wave упомянутая уже выше компания Google и космическое агентство NASA.

Таким образом, компания D-Wave уже вплотную приблизилась к созданию полномасштабного квантового процессора, требуемого для того, чтобы окончательно убедиться в прогнозируемых преимуществах квантовых компьютеров и оправдать все затраты на их создание.

Интересно отметить, что еще в 2008 г. в мировом научном сообществе преобладали прогнозы специалистов, которые ожидали создания полномасштабных квантовых компьютеров лишь в середине ХХІ в. А скептики говорили, что такие процессоры не будут реализованы никогда.

Рис. 10.13. Микрофотография основной части квантового процессора "Vesuvius" (ОКР – основной квантовый регистр на 512 кубитов)

Тем не менее, теперь есть все основания считать, что мы УЖЕ вступили в эру квантовых компьютеров, хотя и находимся лишь в самом ее начале.