В конце мая этого года канадская компания D-Wave Systems объявила о создании первого квантового компьютера, покупателем которого стала корпорация Lockheed Martin (США) – крупнейшее в мире предприятие военно-промышленного комплекса, в области авиастроения, авиакосмической техники, судостроения, автоматизации почтовых служб и аэропортовой логистики.

Компьютер продан и с какой целью его будет использовать Lockheed Martin разумеется не сообщается. Но главный вопрос, как работает этот «черный ящик» D-Wave и является ли он квантовым компьютером, все еще остается открытым.

Рис. 1. Сооснователь D-Wave Geordie Rose с черным ящиком (фото Dominic Schaefer).

Ранее эта компания уже представляла 8-ми кубитный квантовый компьютер, однако тогда это вызвало большие сомнения, так как не было представлено никаких доказательств, которые бы говорили о квантовой природе компьютера D-Wave. Работал 8-кубитный компьютер через Интернет, что, как объяснили представители компании, связано с громоздкостью оборудования, необходимого для охлаждения квантового процессора.

Рис. 2. 128-ми-кубитный процессор D-Wave (Фото Nature).

Спустя 4 года в свежем выпуске Nаture опубликована статья, в которой авторы утверждают о создании 128-кубитного компьютера. По заявлениям D-Wave в своем «квантовом компьютере» в качестве кубитов они используют кольца из сверхпроводящего проводника ниобия Nb с джозефсоновким контактом, пересекающиеся в нескольких местах такими же сверхпроводящими кубитами (рис. 2).

Вычислительным базисом в кубите из сверхпроводника выступает направление течения тока в проводнике, и, следовательно, направления векторов магнитного поля. Скажем, движение «по часовой стрелке» соответствует «нулю» и соответственно, «против часовой стрелки» – «единице».

В 128-кубитном процессоре D-Wave 16 блоков по 8 кубитов в каждом. Система охлаждается до температуры в 10 мК для того, чтобы перевести все кубиты в сверхпроводящее состояние.

Интересно знать, насколько правдоподобными являются такого рода заявления компании, ведь по сути, квантовые компьютеры должны работать быстрее классических, ведь в этом случае система из n кубитов находится в состоянии, которое является суперпозицией всех основных 2n cостояний одновременно. Более того, интересно, что в этом «квантовом компьютере» является суперпозицией состояний. Ведь главным отличием квантовых компьютеров от обычных является то, что сохранение, обработка и передача данных происходит не с помощью «битов», а «кубитов» – попросту говоря «квантовых битов». Как и обычный бит, кубит может находиться в привычных нам состояниях «|0>» и «|1>», а кроме этого – в состоянии суперпозиции A·|0> + B·|1>, где A и B – любые комплексные числа, удовлетворяющие условию | A |² + | B |² = 1.

Рис. 3. 8-ми кубитный блок процессора. Кубиты
показаны синим и желтым цветом (Фото Nature).

Задача создания квантового компьютера и вопрос о суперпозиции кубитов напрямую связаны с так называемой «Копенгагенской интерпретацией» и «Шрёдингеровским котом». Копенгагенская интерпретация предполагает, что на волновую функцию влияют два фактора: изменение функции с течением времени (унитарная эволюция согласно уравнению Шрёдингера) и процесс измерения, причем в процессе измерения система случайно «выбирает» одно из состояний суперпозиции, волновая функция мгновенно изменяется и мы регистрируем именно это состояние. Мысленный эксперимент с котом указывает на то, что в такой интерпретации неполно определена природа самого наблюдения – измерения.

Рис. 4. Простейший квантовый кубит (Фото Nature).

В «журнале "Компьютерра» от 1 октября 2001 года«:http://offline.computerra.ru/2001/414/12949/ опубликована занимательная статья с названием "Из чего же сделаны эти кубиты?..». В относительно простой форме автор рассказывает о возможных вариантах построения квантовых битов, и, как справедливо замечает, «хотя эти системы вряд ли пригодны для построения практически интересных квантовых компьютеров, они уже сыграли очень важную роль, показав, что в принципе квантовые вычисления – это не просто фантазия теоретиков».

Результаты исследований изложены в статье:

M. W. Johnson, M. H. S. Amin, S. Gildert, T. Lanting, F. Hamze, N. Dickson, R. Harris, A. J. Berkley, J. Johansson, P. Bunyk, E. M. Chapple, C. Enderud, J. P. Hilton, K. Karimi, E. Ladizinsky, N. Ladizinsky, T. Oh, I. Perminov, C. Rich, M. C. Thom, E. Tolkacheva, C. J. S. Truncik, S. Uchaikin, J. Wang, B. Wilson et al. Quantum annealing with manufactured spins. – Nature. – 12 May 2011. – V.473. – P. 194–198; doi:10.1038/nature10012; Published online 11 May 2011.