Современная электроника №9/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2022 Зачем нужны квантовые вычисления? Часть 3. Современные квантовые вычислители Рис. 1. Отладочный комплект «Microsoft quantum development kit» позволяет совместно использовать стандартный и квантовый компьютеры в режиме VQE [1] В третьей части статьи приведён краткий обзор других существующих на сегодняшний день основных типов квантовых компьютеров: ● квантовые адиабатические вычислители (Adiabatic Quantum Processing Unit); ● вычислители с квантовым отжигом (Quantum Annealing Processing Unit – QAPU); ● вариационные квантовые вычислители (Variational Quantum Eigensolvers); ● вычислители собственных значений с квантовым отжигом (Quantum Annealer Eigensolver – QAE). Виктор Алексеев (victor.alexeev@gmail.com ) Адиабатические квантовые вычисления В начале 2000-х годов существен- но замедлился рост исследований в области создания универсально- го квантового цифрового компью- тера (Universal Digital Gate Quantum Computer – UDGQC), способного взла- мывать любые шифры. Стало понятно, что создать такой компьютер на базе существующих технологий просто невозможно. В одной из последних статей, опу- бликованной в августе 2022 года, отме- чается, что пока ещё нельзя говорить о явном преимуществе универсаль- ных цифровых квантовых компьюте- ров с вентильной обработкой UDQGC перед классическими компьютерами с бинарной логикой SDBLC в каких- либо приложениях. На современном этапе развития всё больше экспертов склоняются к направлению совмест- ного использования UDQGC и SDBLC в гибридных схемах VQE [1] (рис. 1). Ещё двадцать лет назад разработчи- ки квантовых компьютеров задумались о том, нельзя ли, не прерывая начатые направления исследований и исполь- зуя существующий на тот момент уро- вень развития науки и техники, сделать ещё что-нибудь полезное из кубитов, кроме UDGQC. Одной из актуальных задач приклад- ной математики является поиск алго- ритмов решений оптимизационных задач с нахождением минимальных значений целевых функций. В каче- стве примера таких задач в первую очередь рассматриваются задачи ком- бинаторной оптимизации типа «Non- deterministic polynomial NP – class» (класс недетерминированных поли- номиальных задач). Задачи NP явля- ются изначально настолько трудными, что для них нет алгоритмов решения с помощью классических стандартных цифровых компьютеров с бинарной логикой (SDBLC) [2]. В качестве примера можно вспом- нить известную задачу, в которой нуж- но определить оптимальный маршрут, по которому коммивояжеру нужно объ- ехать N пунктов за минимальное вре- мя (travelling salesman problem – TSP). Количество всех возможных вариан- тов маршрутов в этой задаче рассчи- тывается по формуле N! = 1*2*3…*N (N-факториал). Для небольшого коли- чества пунктов задача TSP решается с помощью стандартных компьютеров с двоичной логикой. Однако, например, для ста пунктов назначения количе- ство всех возможных вариантов будет представлено уже 158-значным числом, и решение становится непосильным даже для самых мощных современных SDBLC. Решения подобных задач носят не только чисто теоретический харак- тер, но также являются крайне важны- ми для таких приложений, как крупные логистические схемы, моделирование новых фармакологических препаратов, модели атомов и молекул и других ана- логичных приложений. Известные алгоритмы решения задач типа NP натолкнули физиков, знако- мых с классической теорией адиаба- тических процессов [3], на мысль о том, что есть много общего в алгорит- мах, описывающих поведение про- стых квантово-механических систем, и известных алгоритмах решения неко- торых «трудных задач». В общем случае термин «адиабатический» относится к тем процессам с участием квантово- механических систем, в которых сохра- няется полная энергия. В упрощённой формулировке адиа- батический подход к квантовой меха- нике можно сформулировать в следу- ющем виде: «Если интервал времени, в течение которого длится внешнее воздействие, направленное на неко- торую квантово-механическую систе- му, будет настолько большим, что систе- ма не сможет преодолеть ближайший энергетический барьер, то она может оставаться сколь угодно долго в состо- янии с минимальной суммарной энер- гией и с изменёнными координатами