В настоящее время область квантовых вычислений считается будущим отрасли обработки данных. Квантовые вычислительные системы будущего будут обладать вычислительной мощностью в тысячи раз превосходящей мощность современных суперкомпьютеров, потребляя при этом на порядки меньшие количества электрической энергии. В настоящее время уже существуют первые рабочие квантовые компьютеры, развитие которых идет бурным темпом, а первый из них, D-Wave One, с момента его первого появления два года назад уже удвоил свою вычислительную мощность.

Напомним нашим читателям, что квантовые вычисления отличаются от классических вычислений уровнем их фундаментальной реализации. В традиционных компьютерах используются биты, способные оперировать двумя значениями, логической 1 и 0.

Основой квантовых компьютеров являются квантовые биты, кубиты, которые благодаря эффектам квантовой механики могут находиться и в третьем состоянии, в состоянии квантовой суперпозиции, когда их значение равно 1 и 0 одновременно. Кроме того различия между обычными и квантовыми компьютерами касаются и методов организации вычислений. К примеру, традиционный компьютер решает задачи математической оптимизации последовательно, просчитывая один вариант за другим, а квантовый компьютер оценивает сразу весь массив решений, выбирая из него наиболее оптимальные варианты, что позволяет найти не только единственное наилучшее решение, но и десятки тысяч близких альтернативных вариантов решения задачи за короткое время.

Рис. 1.

Когда первый квантовый компьютер D-Wave One (DW1) впервые дебютировал в мае 2011 года, в его составе насчитывалось 128 квантовых бит, окруженных специализированными чипами и электрическими цепями, обеспечивающими функционирование квантового бита. При решении задач определенного рода при помощи технологии адиабатных квантовых вычислений этот компьютер во много раз превосходил самые мощные суперкомпьютеры.

Однако, недавно выпущенный квантовый компьютер D-Wave Two (DW2), обладающий 512 квантовыми битами, заставляет его предшественника «нервно курить в сторонке».

Рис. 2.

Каждый кубит является крошечным микропроцессором, работающим с помощью эффектов сверхпроводимости и квантовой механики. Возможности квантовых вычислительных систем напрямую связаны с количеством связанных друг с другом кубитов. Если связать все 509 кубитов компьютера D-Wave Two, которые принимают непосредственное участие в вычислениях, друг с другом, то его производительность будет выше на 100 порядков, нежели производительность его предшественника. Однако, компоновка кубитов нового компьютера позволяет связать один кубит только с восемью соседними кубитами.

Несмотря на это, компьютер DW2 приблизительно в 300 тысяч раз более мощен, нежели компьютер DW1.

При проведении тестов, в которых были задействованы 439 кубит для решения специализированных оптимизационных алгоритмов CPLEX, компьютер DW2 нашел 100 вариантов решений за половину секунды времени, что 3600 раз быстрее, чем необходимо суперкомпьютеру, который тратит на это приблизительно полчаса времени.

Рис. 3.

Для того, чтобы добиться полного использования квантовых эффектов, кубиты компьютера DW2 находятся в чрезвычайных условиях окружающей среды. Их температура составляет 0.02 градуса по шкале Кельвина, что в 150 раз холоднее, нежели температура в межзвездном космическом пространстве. Глубина вакуума, в котором находятся кубиты компьютера в 100 миллиардов раз ниже, нежели атмосферное давление при стандартных условиях. Благодаря использованию системы защиты, внешнее магнитное и электрическое воздействие на кубиты снижено в 50 тысяч раз. Примечательным является тот факт, что для создания сверхнизкой температуры и глубокого вакуума требуется всего 15.5 киловатт электрической энергии, а сам компьютер занимает только 10 квадратных метров площади, что совершенно несравнимо с тысячами киловатт и огромными пространствами, занимаемыми суперкомпьютерами и сопутствующей инфраструктурой.

Пока что компания Google, НАСА и Университетская Ассоциация космических исследований (Universities Space Research Association), которые «стоят в очереди» на приобретение квантового компьютера DW2, не разглашают суммы, в которую им обойдется его приобретение. Но согласно информации от информационного агентства BBC, ссылающегося на мнение из компетентных источников, эта сумма будет находиться в районе 15 миллионов долларов.