Если эксперимент проводился, чтобы заставить критиков замолчать, то это не сработало. Четыре года назад развивающаяся техническая компания вызвала переполох, заявив о создании квантового компьютера, прибора, который в принципе может решать проблемы, недоступные для обычных компьютеров. Физики из D-Wave Systems даже провели демонстрацию.
Но остальные исследователи засомневались в том, происходит ли внутри компьютера что-нибудь, связанное с квантовой механикой. Теперь D-Wave опубликовали данные, которые, как они говорят, подтверждает работу квантовой механики внутри чипа.
«Я думаю они преувеличивают, » полагает Джон Мартинис, физик из Университета Калифорнии. «Использование квантового алгоритма в чипе неочевидно».
Физики пытались развивать квантовые компьютеры на протяжении более десяти лет. Обычный компьютер имеет дело с битами, которые могут содержать 1 или 0. Квантовый компьютер же использовал бы субатомные частицы или другие квантовые объекты как «кубиты», которые могли бы содержать 0, 1 или, благодаря странным правилам квантовой механики, 0 и 1 одновременно. Более того, строка кубитов в таком состоянии могла бы содержать все возможные комбинации значений 1 и 0 в одно и то же время. В результате квантовый компьютер мог бы обрабатывать милионы операций сразу и решать проблемы, которые ошеломили бы обычный компьютер. Однако такой подход содержит множество нерешенных практических проблем, так как ученые должны поддерживать нестабильное состояние кубитов и управлять ими.
Исследователи из D-Wave пошли по другому пути, называемому «адиабатным квантовым вычислением». Они начинают с набора невзаимодействующих кубитов,в их случае маленьких колец сверхпроводника, которые могут проводить ток в одну или другую сторону или в обе сразу и переводят кольца в «основное состояние» с наименьшей энергией. Если они все сделают правильно, то основное состояние не взаимодействующих кубитов перейдет в основное состояние взаимодействующей системы, и предоставит ответ на задачу, закодированную в взаимодействиях.
В феврале 2007 D-Wave представила 16-кубитный чип, способный решать некоторые задачи, с которыми обычный компьютер не мог справиться, например, как рассадить гостей вокруг стола так, чтобы люди, которые друг-другу не нравятся, не сидели рядом. Однако, «У людей были серьезные сомнения в том, что это действительно квантовый компьютер,» говорит Вим ван Дам, кибернетик из UCSB.
И вот почему: работу компьютера можно представить как определение траектории шарика, катящегося через ланшафт изменяющейся энергии с холмами и впадинами, пока он не найдет дорогу к самой низкой точке – решению проблемы. Процесс, называемый квантовым туннелированием, позволяет шарику делать туннели из одной впадины в другую. В то же время давно известные «температурные флуктуации» подкидывают воображаемый шарик, позволяя ему преодолевать возвышенности. Этот процесс не связан с квантовой механикой, говорит ван Дам, поэтому если компьютер D-Wave работает так, то он не может быть более эффективным, чем обычный компьютер.
Однако исследователи из D-Wave сообщили, что новые данные подтверждают то, что кубиты в чипе могут находить состояние наименьшего количества энергии, используя квантовую механику. Физик Марк Джонсон и его коллеги проводили эксперименты с одним кубитом из нового 128-кубитового чипа. Ток в кольце может течь по или против часовой стрелки, и эти два состояния представляют собой двe впадины в простейшем энергетическом ланшафте. Настраивая кубит и используя магнитное поле, исследователи могут увеличивать высоту холма между этими двумя состояниями и изменять весь ланшафт чтобы сделать одну впадину глубже другой. Они также способны изменять температуру – источник термальных флуктуаций.
Ученые обнаружили, что способность кубита переходить из более высокого энергетического состояния в более низкое падает с понижением температуры. Но при температуре, более низкой чем 45 тысячных градуса выше абсолютного нуля (45 милликельвинов), скорость, с которой кубит делает переход, выравнивается. Это показывает, что даже когда термальные флуктуации становятся слишком слабыми чтобы перекинуть систему через энергетический барьер, квантовое туннелирование позволяет кубиту это сделать. Исследователи наблюдали похожий феномен на цепочке из восьми кубитов с очень простыми взаимодействиями, находившей путь к предсказанному основному состоянию. Джонсон говорит, что эволюция такой системы согласуется с квантовой механикой, а не с классической.
«Похоже они все-таки используют тунеллирование. Я не уверен в этом на 100%, но на 90% точно» – говорит Мартинис.
Однако, результаты не положат конец дискуссиям о технологии D-Wave. Ван Дам утверждает, что только квантового туннелирования недостаточно, чтобы сделать прибор быстрее, чем классический компьютер. Чтобы справиться с действительно большими вычислениями, которые на обычном компьютере потребовали бы бесконечного времени, чип D-Wave должен сохранять синхронизацию между отдельными кубитами, называющуюся когеренцией. Но возможно, что кубиты быстро потеряют когеренцию и начнут действовать более или менее независимо, все равно приходя к общему основному состоянию. И в таком случае, говорит ван Дам, компьютер не будет более эффективным, чем обычный.
Джонсон и команда D-Wave не убеждены, что когеренция необходима в адиабатном квантовом вычислении. «Я думаю, что роль когеренции в квантовом отжиге еще не полностью понята», говорит Джонсон.
В будущем D-Wave собирается сделать еще несколько публикаций подтверждающих то, что они действительно имеют квантовый компьютер, и описывающих его работу.
Если эксперимент проводился, чтобы заставить критиков замолчать, то это не сработало. Четыре года назад развивающаяся техническая компания вызвала переполох, заявив о создании квантового компьютера, прибора, который в принципе может решать проблемы, недоступные для обычных компьютеров. Физики из D-Wave Systems даже провели демонстрацию.
