Квантовые процессоры. С чего все началось? См

January 29th, 2017

Для меня словосочетание "квантовый компьютер" сравнимо например с "фотонным двигателем", т.е это что то очень сложное и фантастическое. Однако читаю сейчас в новостях - "квантовый компьютер продается любому желающему". Странно, то ли под этим выражением теперь подразумевают что то другое, то ли это просто фейк?

Давайте разберемся подробнее...

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ?

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (СН4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной(!). И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. И. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.

Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман. Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

Основа алгоритма Шора: способность кубитов хранить несколько значений одновременно)

И все же долгое время оставалось неясным, можно ли использовать гипотетическую вычислительную мощь квантового компьютера для ускорения решения практических задач. Но вот в 1994 году американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies (США) П. Шор ошеломил научный мир, предложив квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию больших чисел (о важности этой задачи уже шла речь во введении). По сравнению с лучшим из известных на сегодня классических методов квантовый алгоритм Шора дает многократное ускорение вычислений, причем, чем длиннее факторизуемое число, тем значительней выигрыш в скорости. Алгоритм быстрой факторизации представляет огромный практический интерес для различных спецслужб, накопивших банки нерасшифрованных сообщений.

В 1996 году коллега Шора по работе в Lucent Technologies Л. Гровер предложил квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных. (Пример такой базы данных - телефонная книга, в которой фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом.) Задача поиска, выбора оптимального элемента среди многочисленных вариантов очень часто встречается в экономических, военных, инженерных задачах, в компьютерных играх. Алгоритм Гровера позволяет не только ускорить процесс поиска, но и увеличить примерно в два раза число параметров, учитываемых при выборе оптимума.

Реальному созданию квантовых компьютеров препятствовала, по существу, единственная серьезная проблема - ошибки, или помехи. Дело в том, что один и тот же уровень помех гораздо интенсивнее портит процесс квантовых вычислений, чем классических.

Если сказать простыми словами, то: "квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Другими словами, если вы посчитаете 2+2, то 4 получится только с некоторой долей точности. Точно 4 вы не получите никогда. Логика его процессора совсем не похожа на привычный нам процессор.

Существуют методы посчитать результат с заранее оговоренной точностью, естественно с увеличением затрат машинного времени.
Этой особенностью и определяется перечень задач. И эта особенность не афишируется, а у публики создается впечатление, что квантовый компьютер, это тоже, что и обычный PC (те же 0 и 1), только быстрый и дорогой. Это принципиально не так.

Да, и еще момент — для квантового компьютера и квантовых вычислений в целом, особенно для того, чтобы использовать "мощь и быстродействие" квантовых вычислений — нужны особые, специально под специфику квантовых вычислений разработанные алгоритмы и модели. Поэтому сложность применения квантового компьютера не только в наличии "железа", но и в составлении новых, до сих пор не применявшихся методик расчета. "

А теперь снова перейдем к практической реализации квантового компьютера: уже ведь некоторое время существует и даже продается коммерческий 512-кубитный процессор D-Wave !!!

Вот, он, казалось бы, настоящий прорыв!!! И группа солидных ученых в не менее солидном журнале Physical Review убедительно свидетельствует, что в D-Wave действительно обнаружены эффекты квантовой сцепленности.

Соответственно, данное устройство с полным основанием имеет право именоваться настоящим квантовым компьютером, архитектурно вполне допускает дальнейшее наращивание числа кубитов, а, значит, имеет замечательные перспективы на будущее… (T. Lanting et al. Entanglement in a Quantum Annealing Processor. PHYSICAL REVIEW X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

Правда, чуть позже, другая группа солидных ученых в не менее солидном журнале Science, изучавшие ту же самую вычислительную систему D-Wave, оценивали ее сугубо практически: насколько хорошо это устройство выполняет свои вычислительные функции. И эта группа ученых столь же обстоятельно и убедительно, как и первая, демонстрирует, что в реальных проверочных тестах, оптимально подходящих для этой конструкции, квантовый компьютер D-Wave не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, Jun 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

По сути дела, для дорогущей, но специализированной "машины будущего" не нашлось задач, где она могла бы продемонстрировать свое квантовое превосходство. Иначе говоря, оказывается под большим сомнением сам смысл весьма недешевых усилий по созданию подобного устройства…
Итоги таковы: сейчас в научном сообществе уже нет никаких сомнений, что в процессоре компьютера D-Wave работа элементов действительно происходит на основе реальных квантовых эффектов между кубитами.

Но (и это чрезвычайно серьезное НО) ключевые особенности в конструкции процессора D-Wave таковы, что при реальной эксплуатации вся его квантовая физика не дает никакого выигрыша в сравнении с обычным мощным компьютером, имеющим специальное программное обеспечение, заточенное под решение задач оптимизации.

Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача…

Все дело в особенностях конструкции 512-кубитного процессора D-Wave, который собирается из групп по 8 кубитов. При этом, внутри этих групп по 8 кубитов они все напрямую сообщаются между собой, а вот между этими группами связи очень слабые (в идеале же ВСЕ кубиты процессора должны напрямую сообщаться между собой). Это, конечно, ОЧЕНЬ существенно снижает сложность построения квантового процессора... НО, отсюда нарастает масса прочих проблем, замыкающихся в финале и на очень недешевую в эксплуатации криогенную аппаратуру, охлаждающую схему до сверхнизких температур.

Так что же нам предлагают сейчас?

Канадская компания D-Wave объявила о начале продаж своего анонсированного в сентябре прошлого года квантового компьютера D-Wave 2000Q. Придерживаясь собственного аналога закона Мура, в соответствии с которым количество транзисторов на интегральной схеме удваивается каждые два года, D-Wave разместила на КПУ (квантовом процессорном устройстве) 2,048 кубитов. Динамика роста числа кубитов на КПУ за последние годы выглядит так:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

Причем в отличие от традиционных процессоров, ЦПУ и ГПУ, удвоение кубитов сопровождается не 2-кратным, а 1000-кратным ростом производительности. По сравнению с компьютером, имеющим традиционную архитектуру и конфигурацию в виде одноядерного ЦПУ и 2500-ядерного ГПУ, разница в быстродействии составляет от 1,000 до 10,000 раз. Все эти цифры безусловно впечатляют, но есть несколько «но».

Во-первых, D-Wave 2000Q стоит чрезвычайно дорого — $15 млн. Это довольно массивное и сложное устройство. Его мозгом является КПУ из цветного металла под названием ниобий, сверхпроводниковые свойства которого (необходимые для квантовых компьютеров) возникают в вакууме при близкой к абсолютному нулю температуре ниже 15 милликельвинов (это в 180 раз ниже температуры в открытом космосе).

Поддержание такой экстремально низкой температуры требует больших затрат энергии, 25 кВт. Но все же, согласно производителю, это в 100 раз меньше, чем у эквивалентных по производительности традиционных суперкомпьютеров. Так что производительность D-Wave 2000Q на один ватт потребляемой энергии в 100 раз выше. Если компании удастся и дальше следовать своему «закону Мура», то в её будущих компьютерах эта разница будет расти в геометрической прогрессии, с сохранением энергопотребления на нынешнем уровне.

Во-первых, у квантовых компьютеров весьма специфическое назначение. В случае D-Wave 2000Q речь идет о т.н. адиабатических компьютерах и решении задач квантовой нормализации. Они, в частности, возникают в следующих областях:

Машинное обучение:

Выявление статистических аномалий
— нахождения сжатых моделей
— распознавание изображений и образов
— тренировка нейросетей
— проверка и утверждение программного обеспечения
— классификация безструктурных данных
— диагностика ошибок в схеме

Безопасность и планирование

Обнаружение вирусов и взлома сети
— распределение ресурсов и нахождение оптимальных путей
— определение принадлежности множеству
— анализ свойств графика
— факторизация целых чисел (применяется в криптографии)

Финансовое моделирование

Выявление рыночной нестабильности
— разработка торговых стратегий
— оптимизация торговых траекторий
— оптимизация ценообразования активов и хеджирования
— оптимизация портфолио

Здравоохранение и медицина

Выявление мошенничества (вероятно речь идет о медицинских страховках)
— генерирование таргетной («молекулярно-прицельной») лекарственной терапии
— оптимизация лечения [рака] методом радиотерапии
— создание моделей протеина.

Первым покупателем D-Wave 2000Q стала компания TDS (Temporal Defense Systems), занятая в области кибер-безопасности. Вообще же продукцией D-Wave пользуются такие компании и учреждения как Lockheed Martin, Google, Исследовательский центр Эймса при НАСА, Университет Южной Калифорнии и Лос-Аламосская национальная лаборатория при Министерстве энергетики США.

Таким образом, речь идет о редкой (D-Wave является единственной в мире компанией, выпускающей коммерческие образцы квантовых компьютеров) и дорогой технологии с довольно узким и специфическим применением. Но темпы роста её производительности потрясают воображение, и если эта динамика сохранится, то благодаря адиабатическим компьютерам D-Wave (к которой со временем возможно присоединятся и другие компании) в ближайшие годы нас могут ожидать настоящие прорывы в науке и технике. Особый интерес вызывает сочетание квантовых компьютеров с такой перспективной и быстро развивающейся технологией как искусственный интеллект — тем более, что в этом видит перспективу такой авторитетный специалист как Энди Рубин.

Да, кстати, вы знали, что Корпорация IBM разрешила пользователям интернета бесплатно подключаться к построенному ей универсальному квантовому компьютеру и экспериментировать с квантовыми алгоритмами. Этому устройству не хватит мощности, чтобы взламывать криптографические системы с открытым ключом, но если планы IBM осуществятся, то появление более сложных квантовых компьютеров не за горами.

Квантовый компьютер, к которому IBM открыла доступ, содержит пять кубитов: четыре служат для работы с данными, а пятый — для коррекции ошибок во время вычислений. Коррекция ошибок — главное нововведение, которым гордятся его разработчики. Она упростит увеличение количества кубитов в будущем.

В IBM подчёркивают, что её квантовый компьютер является универсальным и способен исполнять любые квантовые алгоритмы. Это отличает его от адиабатических квантовых компьютеров, которые разрабатывает компания D-Wave. Адиабатические квантовые компьютеры предназначены для поиска оптимального решения функций и не подходят для других целей.

Считается, что универсальные квантовые компьютеры позволят решать некоторые задачи, которые не под силу обычным компьютерам. Наиболее известный пример такой задачи — разложение чисел на простые множители. Обычному компьютеру, даже очень быстрому, понадобятся сотни лет, чтобы отыскать простые множители большого числа. Квантовый компьютер найдёт их при помощи алгоритма Шора почти так же быстро, как происходит умножение целых чисел.

Невозможность быстрого разложения чисел на простые множители — это основа криптографических систем с открытым ключом. Если эту операцию научатся выполнять с той скоростью, которую обещают квантовые алгоритмы, то о большей части современной криптографии придётся забыть.

На квантовом компьютере IBM можно запустить алгоритм Шора, но пока кубитов не станет больше, пользы от этого мало. В течение следующих десяти лет ситуация изменится. К 2025 году в IBM планируют построить квантовый компьютер, содержащий от пятидесяти до ста кубитов. По мнению специалистов, уже при пятидесяти кубитах квантовые компьютеры смогут решать некоторые практические задачи.

Вот еще немного интересного про компьютерные технологии: почитайте, как , а вот А еще оказывается можно и что это за

Вы все привыкли к нашим компьютерам: утром читаем новости со смартфона, днем работаем с ноутбуком, а вечером смотрим фильмы на планшете. Все эти девайсы объединяет одно - кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост - в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг - если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо - будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много - мы теряем на эти вычисления время.

Принцип работы квантовых компьютеров

Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения:

Квантовый компьютер - вычислительное устройство , которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.

Понятнее явно не стало. Квантовая суперпозиция говорит нам о том, что система с какой-то долей вероятности существует во всех возможных для нее состояниях (при этом сумма всех вероятностей, разумеется, равна 100% или 1). Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах - если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. 9999 в двоичной системе имеет вид 10011100001111, то есть для его записи нам нужно 14 бит. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами - мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу - и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ (искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ.


Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема - как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто - мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет - ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом (говоря научным языком - если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной). Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки (или частицы), квантовая система рушится - неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты.

Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц (где находятся их вторые «половинки» мы знаем). Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» - узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты - просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится - мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке.

Возникает вопрос - раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли - как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным.

Домашний квантовый компьютер

Ну и последний вопрос - раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые - почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна - невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум (отсутствие других частиц), температура, максимально близкая к нулю по Кельвину (для сверхпроводимости), и полное отсутствие электромагнитного излучения (для отсутствия влияния на квантовую систему). Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема - это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом - при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день - это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов.

Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам:


Но все же такие устройства оказываются ощутимо (в тысячи раз) мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро - для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях. Шаги во втором направлении уже были сделаны - в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре. Однако увы - это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита - маловато для вычислений. Так что ждать квантовых ПК еще очень и очень долго.

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, сама возможность построения которого связана с серьёзным развитием квантовой теории в области многих частиц и сложных экспериментов; разработки в данной области связаны с новейшими открытиями и достижениями современной физики. На настоящий момент были практически реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности.

Ученые из Московского физико-технического института, вместе с коллегами из и Швейцарии провели эксперименты, в которых успешно заставили квантовый компьютер вернуться в состояние прошлого. Краткие выводы исследования, в которых описывается возможность проявления этого эффекта, сообщает пресс-релиз, опубликованный на сайте Phys.org. Подробности исследования международной команды физиков в журнале Scientific Reports.

Многие эксперты уверены, что с появлением полноценных квантовых компьютеров эра криптовалют и блокчейна подойдёт к своему логическому концу — системы криптографии, на которых основаны криптовалюты, будут моментально взломаны, а сами криптовалюты обесценятся, ведь первое, что сделает владелец квантового компьютера, — намайнит оставшиеся Биткоины, Эфиры и другие популярные «монеты». Именно так считает Алекс Бит, канадский физик, предсказавший безрадостное криптовалютное будущее в квантовой эре.

Мир на пороге очередной квантовой революции. Первый квантовый компьютер будет мгновенно решать задачи, на которые самое мощное современное устройство сейчас тратит годы. Какие это задачи? Кому выгодно, а кому угрожает массовое использование квантовых алгоритмов? Что такое суперпозиция кубитов, как люди научились находить оптимальное решение, не перебирая триллионы вариантов? Отвечаем на эти вопросы в рамках рубрики «Просто о сложном».

До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями - квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки - квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.

Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.

Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM

Дальше - больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер - тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности - от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников - материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы - они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.

Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин - компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.

Ричард Фейнман

Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо - привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.

Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.

Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты - нули и единички, - то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно - кубиты). Сам кубит - вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.

В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу - уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств - лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.

Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.

Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью - разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.

С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете - пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.

Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело - теоретически придумать кубит, и совсем другое - воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита - нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи - все они отвечали поставленным требованиям.

Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.

Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем

Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».

Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.

Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер - все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера - вопрос стратегической важности.

Не пропустите лекцию:

Передовые суперкомпьютеры уже способны выполнять десятки квадриллионов операций в секунду. Но есть целый ряд задач, которые они решить не могут. Приведем пример.

Нас всюду окружают криптографические технологии: они используются в мессенджерах или операциях с банковскими картами, криптовалютах, при безопасном хранении данных и так далее. Информация постоянно шифруется на этапе ее отправки и дешифруется после получения, чтобы ее могли прочитать только те, для кого она предназначена. Есть различные системы шифрования (AES, RSA), но все они так или иначе строятся на использовании факторизации (разложения на простые множители).

Как вы думаете, какие именно простые числа мы перемножили, чтобы получить число ниже, представляющее собой 2048-битный ключ шифрования (такими ключами, сгенерированными по алгоритму RSA, адресаты обмениваются, чтобы подписывать с их помощью секретные сообщения)?

Не трудитесь: узнать, из каких простых чисел они сделаны - сложнейшая задача. Но трудна она не только для вас, но и для классического компьютера. Если мы используем все вычислительные мощности в мире, то ее решение займет миллиард лет! А вот квантовый компьютер смог бы решить ее за 100 секунд. Сделать это позволит его бешеная скорость.

Столь серьезное увеличение в скорости решения задач, кстати, повлечет за собой перестройку всей мировой финансовой системы, ведь без надежного шифрования она просто не сможет функционировать (шутка ли - каждый, у кого будет квантовый компьютер, сможет подделать информацию о том, что владеет любой суммой денег).

Если изобретение квантового компьютера повлечет за собой такие масштабные изменения, может быть, лучше обойтись вовсе без него? Едва ли, ведь пользы от таких машин несравнимо больше, чем хлопот. Существующие двоичные суперкомпьютеры очень мощны, однако, несмотря на впечатляющие характеристики, они вряд ли будут способны решить все задачи, которые планирует поставить перед ними человек.

Сегодня, к примеру, порядка 35% времени суперкомпьютеров уходит на решение задач в области квантовой химии и материаловедения: чтобы просчитывать поведение отдельных молекул, требуются колоссальные затраты вычислительных ресурсов (и речь только о тех задачах, способ решения которых нам известен уже сейчас).

В дополнение к этому есть целый ряд задач, решение которых займет у классических компьютеров миллионы лет или которые пока невозможно решить совсем, даже теоретически. Так, чтобы точно понять, как, к примеру, пойдет та или иная химическая реакция, нужно учитывать задействованные в ней квантовые процессы, а сделать это можно только при помощи квантового компьютера. В случае успеха это даст людям возможность досконально изучить (а значит, и повторить) такие явление, как, например, фотосинтез.

Почему же квантовые компьютеры такие мощные? Главное, что отличает их от классических двоичных, - использование кубитов, которые, в отличие от битов, способны одновременно принимать два значения: 0 и 1. Такая «двойственность» обеспечивает параллельность квантовых вычислений, ведь больше не нужно перебирать все возможные состояния системы. Набор всего из 30 кубитов может сформировать 2 30 (то есть более миллиарда) двоичных последовательностей - именно такое количество битов потребуется на их одновременную обработку. Просто космическая экономия места, энергии и времени!

На квантовом компьютере мощностью 100-200 кубит мы могли бы строить точные симуляции сложных химических процессов: таких, как, например, азотная фиксация - превращение содержащегося в атмосфере азота в азотосодержащие соединения. Эта реакция широго используется для получения аммиака, необходимого для производства удобрений, критически важных для обеспечения едой постоянно растущего населения планеты. Промышленный процесс получения аммиака практически не изменился за последнее столетие и отличается большой энергоемкостью: на производство его уходит от 1% до 3% мировых запасов природного газа. На достаточно мощном квантовом компьютере путем симуляции ученые могли бы подобрать более эффективные катализаторы, которые помогут сделать реакцию менее энергозатратной.

Благодаря квантовому компьютеру могут быть решены и такие задачи, как поиск разумной жизни во Вселенной, разработка новых способов передачи энергии на основе сверхпроводников, диагностирование рака на более ранних стадиях, моделирование молекул ДНК и создание веществ, которые помогут очистить воздух от вредных загрязнений. Высокая вычислительная мощность квантовых компьютеров может серьезно помочь и в создании новых эффективных лекарств.

Обнадеживает то, что человечество все ближе подбирается к созданию полноценного квантового компьютера - мировые корпорации уже давно инвестируют в эту область. В частности, системы топологических кубитов, созданные в Microsoft, уже показали способность сохранять квантовое состояние в течение длительного времени без дополнительных ухищрений, а также масштабироваться до размеров полноценного компьютера. А в конце прошлого года компания представила язык программирования для квантового компьютера.

Идея, еще 30 лет назад казавшаяся чистой фантастикой, сегодня приобрела реальные очертания. Кто знает, может, уже в следующем десятилетии мы станем свидетелями новой эры цифровых технологий и квантовый компьютер преобразит наш мир до неузнаваемости, предоставив человеку возможности, о которых ранее он мог лишь мечтать.