Общественно-политический журнал

 

На пороге квантового компьютера

В начале этого года специалисты компании IBM объявили о радикальном шаге вперед в создании вычислительных систем на основе квантовой механики. Использование вычислительных возможностей движения атомов и молекул приведет к огромному увеличению скорости и безопасности компьютеров.

Исследователи IBM представили результаты своей работы на заседании Американского физического общества в Бостоне. По их мнению, уже возможно создание квантовых компьютеров, которые превзойдут любой современный суперкомпьютер.

 Квантовым компьютером ученые называют вычислительное устройство работающее на основе квантовой механики, а не на основе классической. Такие компьютеры должны оперировать не битами, а кубитами (кубит - единица квантовой информации, "квантовый бит"), в которых хранится не дискретное состояние "0" или "1", а их суперпозиция - наложение состояний, которые с классической точки зрения не могут быть реализованы одновременно.

Теоретически, он будет способен в одно мгновение проводить примерно миллион вычислений, в то время как классический - только одно, то есть потенциальная вычислительная мощность квантового компьютера превысит мощность классических компьютеров примерно в 10 в 80-й степени раз. Для лучшего его понимания этого астрономического числа приводят такое сравнение: обычный компьютер, равный по вычислительной мощности квантовому, должен быть размером со Вселенную.

Квантовый компьютер, опять же, в теории, сможет гораздо эффективнее решать задачи в области дискретной оптимизации (в том числе из комбинаторной оптимизации), для которых не приспособлены обычные компьютеры с бинарной логикой. Например, это может быть задача маршрутизации транспорта, анализ финансовых рисков, распознавание образов, классификация изображений и так далее.

До сих пор большинству исследовательских групп удавалось получить лабораторные системы, которые имеют чисто научную ценность, и специалисты до сих пор не уверены, что несколько подобных систем, представленных в последнее время, можно называть настоящим квантовым компьютером, несмотря на демонстрацию когерентных квантовых эффектов. Дело в том, что пока что квантовая когерентность используется как некий вспомогательный фактор наряду с обычными вычислениями. "Настоящий" же квантовый компьютер должен кардинально увеличить скорость вычислений за счет операций непосредственно с кубитами. На создание такого компьютера, говорят скептики, уйдут годы, а то и десятилетия.

 До сих пор главной проблемой для ученых является небольшой срок удержания квантовых состояний кубитов - несколько миллиардных долей секунды. Тем не менее, специалистам IBM удалось создать «трехмерные» сверхпроводящие кубиты, которые сохраняют свои квантовые состояния до 100 микросекунд. Это дает IBM надежду на быстрое создание первого работающего прототипа квантового компьютера, который сможет решать сложнейшие задачи вроде поиска информации в неструктурированной базе данных, оптимизации и решения ранее неразрешимых математических задач.

Одна из первых моделей квантового компьютера была предложена Ричардом Фейнманом в 1981 году.

Кроме Фейнмана, идеи квантовых вычислений пропагандировали такие физики-теоретики, как Поль Бениофф (Paul Benioff) из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе; Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета в Англии и Чарльз Беннетт (Charles Bennett) из исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Ватсона (T. J. Watson) в Йорктаун-Хайтсе (штат Нью-Йорк). Не стоит забывать также и о российском математике Ю. И. Манине, чей первый труд по квантовому компьютингу появился еще в 1980 г. Он высказал предположение, что «квантовый шум», в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превращающийся в препятствие для их нормальной работы, можно попытаться использовать для конструирования компьютеров нового типа, считающих по новым, «квантовым» алгоритмам.

Цитата:

Кажется, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров компьютеров до тех пор, пока они не достигнут размеров атомов, тогда квантовое поведение будет уже оказывать доминирующее влияние.

Ричард Фейнман

Такой вычислитель через считанные годы лишит сна военных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность критически зависят от надежности защиты информации. Самые устойчивые из известных сегодня шифров основываются на разбиении достаточно большого числа на простые множители (один из вариантов – так называемая задача факторизации). К примеру, взлом системы RSA-129 (разложение на множители 129-разрядного числа) потребовал в 1994 г. восьмимесячной работы 1600 мощных компьютеров, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 млрд лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер может справиться с такой задачей за несколько недель.

Огромные вычислительные способности квантовых компьютеров перевернут ситуацию не только в криптографии. По мнению одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джона Прескилла из Калифорнийского технологического института, «то, что задача факторизации считается сегодня особенно важной, – историческая случайность». Поистине уникальные возможности открываются для быстрого поиска в базах данных, моделирования физических процессов на микроуровне, а радикально настроенные технократы, например профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз, всерьез говорят о решающем вкладе квантового компьютера в создание искусственного интеллекта. Есть о чем задуматься и китам «новой экономики», вкладывающим сегодня миллиарды в традиционные ПК в расчете на растущий завтрашний спрос: первый освоивший квантовые информационные технологии поставит конкурентов на колени, а доквантовая компьютерная революция и недавние рекорды NASDAQ будут казаться не более чем забавными историческими деталями.

Однако даже скромный квантовый компьютер позволит уже решить задачи, представляющие большой научный интерес. Например, имея всего несколько кубитов (кубит – квантовый бит – quantum bit – qubit ), он будет крайне полезен при проведении так называемых измерений Белла, которые могут быть использованы при реализации квантовой телепортации. Вполне вероятно, что 10 кубитов хватит, чтобы на квантовом компьютере реализовать квантовое кодирование Шумахера, весьма важное для эффективной квантовой криптографии. И не исключено, что 100 бит хватит для того, чтобы квантовый компьютер смог стать эффективным инструментом шумовой (возможно, частично декогерентной) квантовой криптографической связи. По всей видимости, в качестве приложений можно будет создавать пары Эйнштейна–Подольского–Розена, удаленные на большие расстояния, что позволит осуществить новые строгие эксперименты по проверке справедливости квантовой теории. Сейчас и в физике, и в теории вычислений ведутся активные поиски новых путей использования квантовых компьютеров.