В настоящее время, каждая уважающая себя фирма пытается создать квантовый компьютер. Такие как Microsoft, Google, NASA, Российский квантовый центр и другие. Некоторые, пока никто не прозрел, на этих квантовых компьютерах уже зарабатывают деньги. Например, D-Wave Systems умудрились продать свой первый 2000-кубитный квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. В это же время Googol пытается построить 50-кубитный компьютер, но пока это не удается. Да и у других дела не лучше. Руководителем данной программы в Google является Джон Мартинис. Он прочел у нас лекцию о достижениях в данной области. Она записана в ролике "ICQT 2017. джон Мартинис, Google: Квантовый компьютер: жизнь после закона Мура".
Я попытался понять, что же рассказывает Джон и изложить его мысли в своей вольной трактовке. Я осознаю, что многие поймут его глубже и более правильно и, возможно, тоже расскажут об этом.
Начал Джон с рассказа о том, как он объясняет основы квантовой механики своим детям. Сначала он им объяснил, ”что электрон имеет такую неопределенную структуру, то есть он как бы расплывчатый, размытый”. По английски такая структура обозначается словом фази. Это значит, что "у электрона есть такая природа, что он может случайным образом быть распределенным вокруг ядра. И что очень интересно эта случайность квантовой физики, это картинка, которую трудно описать. Однако то каким образом электрон распределяется по орбите вокруг ядра водорода – это очень точная наука. Можно очень точно описать, что именно происходит с этим электроном со временем. Благодаря этому мы можем построить компьютеры. Без этого мы не могли построить компьютеры. Это очень точная наука".
Естественно, что вести дискуссию с общепризнанным ученым смысла нет, хотя и забавно. Сложно понять, как электрон, распределенный случайным образом вокруг ядра, можно описать очень точно. Что мы можем точно описать в его поведении во времени? Мы что? сможем точно определять координаты его движения? Не можем. Это запретили нам делать Гейзенберг, Шредингер и тепловое движение. Правда последнее поправимо. Шредингер же превратил корпускулу в волну и размыл ее или, как говорит, уважаемый Джон, придал ей статус фази. Какую точку волны и как измерять пространственное положение этой точки, никто не знает. Да собственно и о волне ничего не знают. У нее нет ни амплитуды, ни общей длины, ни толщины, ни массы, вообще ничего физического. Это просто абстрактный символ.
Что еще можно описывать в поведении электрона во времени? Изменение его размеров, массы или заряда тоже невозможно, ибо это волна, которая просто указывает на вероятность нахождения частицы, как волны в каком-то месте. И частица – волна, и ее местоположение – волна. При этом как-то автоматически предполагается, что распределение электрона точно или очень точно описывается относительно ядра и так же забывается, что само ядро тоже описывается волновой функцией Шредингера и его местоположение так же вероятностно. Я уж не говорю о протонах, кварках, атомах.
Ясно, что Джон может признать все эти рассуждения классикой, которая не работает в квантовом мире. И будет уверен в своей правоте. А почему так? А как будут отвечать на такие рассуждения его дети? Ровно также, как и он. Таких сейчас плеяда. Вы видите в сети, как много молодых талантов смело рассуждают о кварках, опыте Юнга, теории относительности и всем остальном. Этого они нахватались у старшего поколения, а старшее поколение, с подачи Шредингера и некоторых других “теоретиков”, уверовало в царицу наук математику и бросило поиск сил в явлениях через философию и опыт, и взялось за перо. Но царица оказалась медузой Горгоной, и наука уже на сто лет превратилась в камень.
Что осталось? Осталось одно – спин, то есть магнитная составляющая электрона. Вот с ним то и пытаются работать, но и его пытаются размыть.
Дальше Джон утверждает, что "электрон, находящийся рядом с ядром испускает волны. И это что-то вроде таких стационарных волн... и в квантовой механике возможны различные состояния электрона… здесь вы видите орбиту электрона, это состояние покоя электрона. То состояние, в котором электрон естественно находится. Однако, у электрона может быть еще возбужденное состояние. И мы можем использовать эти два состояния, состояние покоя, возбужденное состояние, для расчетов. И мы можем разработать систему, которая одновременно вычисляет оба эти случая, то, когда находится электрон в состоянии покоя и в возбужденном состоянии. И вместо классических компьютеров, которые считают один пример, затем другой пример, можно разработать компьютер, который учитывает одновременно эти два состояния. Это называется состояние кубита".
Какая-то каша. Может быть это перевод такой или Джон не ведает, что говорит. Как только Резерфорд представил свою планетарную модель атома, все начали доказывать, что излучающий электрон не может удержаться на стационарной орбите. Он должен обязательно упасть на ядро. Причем очень быстро. Но тут появился Бор и сказал, что на стационарной орбите, неважно какой: возбужденной или основной, электрон не излучает и поэтому не падает на ядро. А излучение или поглощение происходит только при переходе с одного состояния в другое. И этих состояний очень много. Посмотрите спектр водорода. И они все хоть чуть-чуть, но отличаются по энергии. Как спутник, который может летать на высоте 100 километров или высоте 100 километров и 3 метра. Но для Джона достаточно всего двух состояний электрона. Он просто эти два состояния вычисляет одновременно. В этом месте своего рассказа Джон открыл глаза российской публике, что не следует придавать особого значения тем идеям, что у кубита может быть множество различных состояний и, что они могут одновременно обрабатываться. Достаточно всего двух состояний. Акцент переносится на количество кубитов с двумя состояния.
Это примерно так. Возьмем какое-нибудь длительное вычисление, например, извлечение какого-нибудь корня из большого числа. Тогда само вычисление будет происходить в самом процессоре, вычислителе. А обслуживающие программы будут занимать мало времени. Пусть конкретное извлечение корня будет 100 секунд, а обслуживание 2 секунды. Возьмем следующую примерно такую же задачу. Тогда обычный компьютер их действительно выполнит примерно за 204 секунды. Если ваш компьютер выполнит эти две задачи за 102 секунды при условии, что и каждую по отдельности эти задачи он выполняет за это же время, тогда флаг вам в руки. Действительно вычисления идут параллельно.
Потом Джон еще более подробней растолковывает нам эффект одновременных вычислений. Ему "очень интересно, что электрон может находится в любой точке орбиты одновременно, даже в разных точках одновременно. И что интересно электрон может находится одновременно и в состоянии покоя и в возбужденном состоянии, что с точки зрения классических законов физики, это просто не имеет смысла, но такова особенность квантовой физики.
Благодаря этому мы можем производить расчеты при помощи такого атома. И вы видите внизу я использовал скобки, чтобы отобразить эти два состояния: 0 – это состояние покоя, и тут написано плюс один – это возбужденное состояние. Это означает, что электрон находится сразу в двух состояниях. И почему это интересно. Это означает, что при одном кубитовом расчете мы можем не рассчитывать отдельно ноль и получать ответы, один – получать ответ. Мы можем одновременно рассчитывать какую-то задачу одновременно и при нуле и единице. Параллельно компьютинг происходит. И это здорово потому, что вот эти квантовые вычисления позволяют вам рассчитывать два случая одновременно. Это в два раза быстрее, чем если бы использовали классический компьютер. Это отлично".
Вот посмотрите: электрон может, выделяю слово может, “"находится в любой точке орбиты одновременно, даже в разных точках одновременно". Так как же в самом деле: может находится, а может и не находится? Это выбор самого электрона? Так может быть, и количество самих точек, и местоположение их, тоже выбирает сам электрон? Ведь надо чем-то руководствоваться, когда вы пытаетесь точно или даже очень точно описать поведение электрона во времени.
Несмотря на особенности квантовой физики, как ее понимает Джон, все-таки хочется спросить, уточнить: это вот один и тот же электрон в трех местах или это три одинаковые электрона? То есть это три массы или одна? Если электрон обладает таким чудным свойством быть одновременно в разных местах, то почему бы ему не приобретать много масс? Бессмыслица с классических позиций, но с квантовых позиций это может быть.
Конечно получить какой-то четкий ответ на эти вопросы невозможно, но позицию о суперпозиции в этом фрагменте выступления Джон придерживается уверенно и дальше ее только развивает. Это то, что от кубита нам требуется всего два состояния. Главное, чтобы они были одновременными, а там мы их обработаем.
Вот что нас сразит наповал. ”Но вы наверно скажете: ну что же, все это очень сложно, и мы всего лишь в два раза улучшаем нашу компьютерную мощность. Но сейчас у нас появляется два кубита. Каждый из них находится в этом двойном состоянии: ноль плюс один. И вдвоем эти кубиты могут иметь 4 состояния, которые происходят одновременно. И теперь вы видите, что существуют параллельные вычисления, которые в 4 раза мощнее. И самое интересное, каждый раз, когда мы добавляем кубит наша вычислительная мощность увеличивается в два раза, то есть мы начинаем с двух, потом переходим к четырем и при трех кубитах у нас вычислительная мощность опять удвоится там будет восемь. А четыре кубита – это параллельный процессинг шестнадцати сценариев. Это все очень интересно. Это все очень ново. Вычислительные мощности квантового компьютера растут как геометрическая прогрессия с ростом количества кубитов. Экспоненциально они продолжают расти. И предположим у вас 50 кубитов. В этом случае мощность компьютера 2 в 50 степени. Это много триллионов. Это примерно та же мощность что и в суперкомпьютера. Вы можете себе представить. А если у вас будет 300 кубитов – это всего лишь в шесть раз больше, чем здесь. Два в трех сотой степени – это больше, чем количество атомов во вселенной. Так что вы можете осуществить такие параллельные расчеты, с таким количеством битов”.
Наконец то вы видите крещендо. Уже 300 разрядный квантовый компьютер может заменить все наши существующие и будущие компьютеры. А что уж говорить о 2000-кубитовом компьютере, созданным фирмой D-Wave Systems. Прогадали они в том, что продали этот компьютер. Надо было сначала выловить все оставшиеся биткоины, а потом просто продавать компьютерное время по очень умеренной цене. Ведь такой компьютер полностью загрузить невозможно. Для каждого потребителя такой компьютер чистый. И ученик сможет решить свою задачку, и коммивояжер может получить свою логистику, и криминалист ввел перехваченную абракадабру и получил вразумительный ответ, и заплутавший в лабиринте, наберет на своем смартфоне данные, отошлет их в этот D-Wave компьютер, и он спасен. Не надо ходить по лабиринту и орать во все горло: выведите меня отсюда. Упустили ребята жар-птицу. Теперь, наверное, криминалисты фирмы Temporal Defense Systems, занимающиеся вопросами кибербезопасности во главе Джеймсом Буррелом (James Burrell), техническим директором TDS, отлавливают биткоины, приобретенным компьютером. Что-то о майнинге стали меньше говорить по радио.
Но все же у Джона Мартиниса кое-какие сомнения в строительстве данного компьютера все-таки есть. ”Мне кажется, что это работа с реально большими данными. Давайте посмотрим сможем ли мы это сделать. Первая часть моей лекции посвящена тому, что мы пытаемся посмотреть можем ли мы построить такой компьютер из 50 кубитов. Можем ли мы при помощи этого квантового компьютера рассчитывать такое количество случаев. И действительно большие инвестиции осуществляются в квантовые компьютеры, квантовые технологии. Миллиарды долларов, так что давайте посмотрим будет ли это действительно работать. Давайте это проверим”.
Да как же вы это проверите? Это можно проверить, только тогда, когда вы построите такой компьютер и то не всегда, о чем говорит афера D-Wave. Чтобы не утомлять читателя только скажу, что все эти переходы электрона с основного состояния в возбужденное Джон осуществляет при помощи микроволновой пушки (лазера), пытаясь попасть фотоном в этот невесть где находящийся электрон в атоме. Причем фотон у него никаким квантовым кунштюкам не подчиняется, он движется по строгой траектории, не то что этот полоумный электрон, прыгающий куда угодно, дублирующийся по каким-то причинам и тому подобное. Чтобы не было промашки этот фотон бьет по площадям. Все это вы можете уточнить или истолковать иначе, прослушав выше указанную лекцию.
