Квантовые компьютеры и проблема энергопотребления



Деятельность научно-исследовательских работников можно сравнить с лотереей: бывает так, что работаешь, как вол, и топчешься месяцами, а то и годами, на месте, и бывает так, что один-единственный удачный эксперимент или теоретическое предсказание продвигает фронт научного знания на километры вперед за считанные дни.

Квантовые компьютеры — как раз тот случай, когда даже работая максимально интенсивно, нельзя гарантировать успех в короткие сроки. По крайней мере, на нынешнем уровне экспериментальной культуры. И, как часто бывает в научном сообществе, хотя квантовым компьютерам уже пророчили скорое появление, уже звучат предостережения, что их появление может оказаться совсем не таким скорым, как ожидается.

В частности, профессор физики Университета Арканзаса Хулио Джи-Банаклош (Julio Gea-Banacloche), считает, что составители оптимистичных прогнозов не учли выделение дополнительной тепловой энергии в процессе работы механизмов коррекции ошибок, которую квантовые компьютеры будут не в состоянии рассеять. В то же время, не использовать механизмы коррекции нельзя, поскольку разрабатываемые в настоящее время квантовые устройства имеют слишком малое время декорегентизации.

Если не вдаваться в подробности, то время декогерентизации можно описать как промежуток времени, в течение которого волновая функция кубита (квантового бита) сохраняет свою форму, соответствующую логической 1 или 0. При этом, если процитировать Джона Арчибальда Уилера: «квантовый эффект является квантовым эффектом лишь в том случае, если это — измеренный эффект», то есть состояние кубита фиксируется только в момент измерения и все вычисления сводятся к операции измерения состояния кубита и определения его волновой функции. Имея на вооружении большое время декогерентизации и умея приготавливать квантовые состояния квантовой системы, мы можем организовать хранение данных в своеобразной ячейке памяти, которую и назовем кубитом (qubit — квантовый бит). Прелесть квантовых вычислений заключается в том, что при измерении состояний, представимых в виде суперпозиции чистых состояний, квантовые вычисления производятся как бы одновременно над всеми составляющими (это явление носит название квантового параллелизма).

Квантовый параллелизм — главная трудность квантовых вычислений

Помимо чисто практической выгоды — распараллеливания вычислений, квантовый параллелизм является и причиной уязвимости квантовой системы к внешним воздействиям. Так как состояние системы может быть результатом суперпозиции нескольких состояний, важно, чтобы оно было изолировано от паразитного внешнего воздействия, приводящего к изменению результирующего состояния и, соответственно, искажающего результат квантовых измерений или, если будет угодно, вычислений.

Таким образом, очень важно сохранить когерентность состояний кубита. Когерентные состояния очень чувствительны к внешним воздействиям, будь то измерение или случайное воздействие, например, шальной квант электромагнитного поля. От последних, кстати, изолироваться практически невозможно, так как всегда существуют так называемые нулевые флуктуации поля, проявляющиеся, в частности, в эффекте Казимира (эффект возникновения силы притяжения между зеркалами резонатора, вызванный разницей в спектрах нулевых колебаний поля вне и внутри резонатора).

Для решения этой проблемы еще в 1995 году были придуманы способы коррекции ошибок, а в 1998 была осуществлена первая их практическая реализация. Основной идеей предложенного метода коррекции ошибок было разложение смешанного состояния кубита на составляющие (своего рода спектр) для сравнения состояний до вычисления и после. Зная спектр состояний кубита возможно приготовление аналогичного состояния в любой момент, пока, конечно, нам не понадобится что-то с кубитом сделать. Этот процесс — разложение состояния кубита на спектр составляющих и восстановление когерентного состояния, аналогичен процессу обновления содержимого динамической памяти в компьютере. На данный момент время декогерентизации в прототипах кватовых чипов не превышает 1 мкс, следовательно, для поддержания состояния кубита его необходимо обновлять миллион раз в секунду, что требует немалых затрат. По мнению профессора Джи-Банаклоша, для квантовых вычислений требуется время не меньшее 1 мс, то есть на три порядка больше, чем то, что достигнуто сейчас.

На графике приведена зависимость потребляемой энергии от времени декогерентизации для теоретического квантового чипа, используемого для взлома криптографического кода AES с 1024-разрядным ключом. Из расчетов профессора Университета Арканзаса следует, что даже чипы с временем декогерентизации порядка 10 мкс будут рассеивать более 100 МВт. В то же время, по его расчетам, при времени декогерентизации 1 мс такой квантовый чип будет потреблять около 1 Вт.

Профессор Джи-Банаклош утверждает, что проанализировал все схемы, предлагаемые для реализации квантовых компьютеров и выдвинул тезис, который по своей фундаментальности похож на содержание теоремы Карно о коэффициенте полезного действия идеальной тепловой машины. Он утверждает, что количество энергии, затрачиваемой на коррекцию ошибок, обратно пропорционально времени декогерентизации.

Покритиковав существующие подходы, Джи-Банаклош предлагает и возможные выходы из ситуации: в первом предлагается использовать спин электрона, с которым ученые умеют работать достаточно хорошо, но связав его со сверхпроводящим квантово-интерференционным устройством (SQUID, устройство с джозефсоновским контактом), в котором возможно достижение достаточно большого времени декогерентизации. Второй подход, который считается более перспективным, заключается в использовании атомов с хорошо изолированным энергетическими уровнями, характеризующимися большими временами жизни.

Помимо времени декогерентизации, есть еще и сами алгоритмы коррекции ошибок, которые далеки от идеала, а значит, не исключено, что ограничение по затратам энергии можно обойти, используя улучшенные алгоритмы коррекции и, возможно, когда-нибудь можно будет построить квантовый чип, используя время декогерентизации порядка 1 мкс.

По материалам EE Times Online



Дополнительно

iXBT BRAND 2016

«iXBT Brand 2016» — Выбор читателей в номинации «Процессоры (CPU)»:
Подробнее с условиями участия в розыгрыше можно ознакомиться здесь. Текущие результаты опроса доступны тут.

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.