Чем квантовый компьютер отличается от обычного. Пример реализации операции CNOT на зарядовых состояниях электрона в квантовых точках

Youtube

Человечество, как и 60 лет назад, снова стоит на пороге грандиозного прорыва в сфере вычислительных технологий. Уже очень скоро на смену сегодняшним вычислительным машинам придут квантовые компьютеры.

До чего дошёл прогресс

В далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся в кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, и удвоение происходит реже - раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. Дальше - рубеж, который переступить невозможно. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. Достижение пика в развитии технологии современных процессоров произойдёт уже скоро.
Разработчики пришли к пониманию этой проблемы в то время, когда у пользователей только начали появляться персональные компьютеры. В 1980 году один из основателей квантовой информатики, советский профессор Юрий Манин, сформулировал идею квантовых вычислений. Уже через год Ричард Фейман предложил первую модель компьютера с квантовым процессором. Теоретические основы того, как должны выглядеть квантовые компьютеры, сформулировал Пол Бениофф.

Принцип работы квантового компьютера

Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:

Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.

С точки зрения здравого смысла - полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.

В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии - иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.

Где будет применяться новая вычислительная машина

Новый подход в процессе вычислений позволяет работать с огромными массивами данных и выполнять моментальные вычислительные операции. С появлением первых ЭВМ некоторые люди, включая государственных деятелей, имели большой скепсис относительно применения их в народном хозяйстве. Есть и сегодня люди, полные сомнений относительно важности компьютеров принципиально нового поколения. Весьма продолжительное время технические журналы отказывались печатать статьи о квантовых вычислениях, считая это направление обычной мошеннической уловкой для одурачивания инвесторов.

Новый способ вычислений создаст предпосылки для научных грандиозных открытий во всех отраслях. Медицина решит многие проблемные вопросы, которых накопилось в последнее время довольно много. Станет возможным диагностика раковых заболеваний на более раннем этапе заболевания, чем сейчас. Химическая промышленность сможет синтезировать продукты с уникальными свойствами.

Прорыв в космонавтике не заставит себя ждать. Полёты к другим планетам станут таким же обыденным действием, как и ежедневные поездки по городу. Потенциал, который заложен в квантовых вычислениях, безусловно, преобразит нашу планету до неузнаваемости.

Другая отличительная особенность, которой обладают квантовые компьютеры, это способность квантового вычисления быстро подобрать нужный код или шифр. Обычный компьютер выполняет решение математической оптимизации последовательно, перебирая один вариант за другим. Квантовый конкурент работает сразу со всем массивом данных, молниеносно выбирая наиболее подходящие варианты за беспрецедентно короткое время. Банковские операции будут расшифрованы в мгновение ока, что современным вычислительным машинам недоступно.

Однако банковский сектор может не переживать - его тайну спасёт метод квантового шифрования с парадоксом измерения. При попытке вскрыть код произойдёт искажение передаваемого сигнала. Полученная информация не будет иметь никакого смысла. Секретные службы, шпионаж для которых - обычное дело, заинтересованы в возможностях квантовых вычислений.

Трудности конструирования

Сложность заключается в создании условий, при которых квантовый бит сможет бесконечно долго находиться в состоянии суперпозиции.

Каждый кубит представляет собой микропроцессор, который работает на принципах сверхпроводимости и законах квантовой механики.

Вокруг микроскопических элементов логической машины создаётся целый ряд уникальных условий окружающей среды:

температура 0,02 градуса по Кельвину (-269,98 по Цельсию);
система защиты от магнитного и электрического излучения (снижает воздействие этих факторов в 50 тысяч раз);
система теплоотвода и гашения вибраций;
разрежение воздуха ниже атмосферного давления в 100 миллиардов раз.

Небольшое отклонение окружающей среды вызывает мгновенную потерю кубитами состояния суперпозиции, что приводит к сбою в работе.

Впереди планеты всей

Всё вышеописанное можно было бы отнести к творчеству воспалённого разума писателя фантастических рассказов, если бы компания Google совместно с NASA не приобрела в прошлом году у канадской исследовательской корпорации квантовый компьютер D-Wave, процессор которого содержит 512 кубитов.

С его помощью лидер на рынке компьютерных технологий будет решать вопросы машинного обучения в сортировке и анализе больших массивов данных.

Немаловажное разоблачительное заявление сделал и покинувший США Сноуден - АНБ также планирует разработать свой квантовый компьютер.

2014 -начало эры D-Wave systems

Успешный канадский спортсмен Джорди Роуз после сделки с Google и NASA приступил к построению процессора в 1000 кубитов. Будущая модель по скорости и объёмам вычислений превзойдёт первый коммерческий прототип минимум в 300 тысяч раз. Квантовый компьютер, фото которого расположено ниже, является первым в мире коммерческим вариантом принципиально новой технологии вычислений.

Заняться научными разработками его побудило знакомство в университете с трудами Колина Уильямса по квантовым вычислениям. Надо сказать, что Уильямс сегодня работает в корпорации Роуза руководителем бизнес-проектов.

Прорыв или научный обман

Что такое квантовые компьютеры, до конца не знает и сам Роуз. За десять лет его команда прошла путь от создания процессора в 2 кубита до сегодняшнего первого коммерческого детища.

С самого начала исследований Роуз стремился создать процессор с минимальным количеством кубитов в 1 тысячу. И он обязательно должен был иметь коммерческий вариант - чтобы продать и заработать денег.

Многие, зная одержимость и коммерческую хватку Роуза, пытаются обвинить его в подлоге. Якобы за квантовый выдаётся самый обычный процессор. Этому способствует и то, что феноменальное быстродействие новая техника проявляет при выполнении определённых типов вычислений. В остальном же ведёт себя как вполне заурядный компьютер, только очень дорогой.

Когда же они появятся

Ждать осталось недолго. Исследовательская группа, организованная совместными приобретателями прототипа, в скором будущем даст отчёт о результате исследований на D-Wave.
Возможно, скоро грядёт время, в котором квантовые компьютеры перевернут наше представление об окружающем мире. И всё человечество в этот момент выйдет на более высокий уровень своей эволюции.

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.

О квантовых вычислениях, по крайней мере в теории, говорят уже несколько десятилетий. Современные типы машин, использующие неклассическую механику для обработки потенциально немыслимых объемов данных, стали большим прорывом. По мнению разработчиков, их реализация оказалась, пожалуй, самой сложной технологией из когда-либо созданных. Квантовые процессоры работают на уровнях материи, о которых человечество узнало всего 100 лет назад. Потенциал таких вычислений огромен. Использование причудливых свойств квантов позволит ускорить расчеты, поэтому многие задачи, которые в настоящее время классическим компьютерам не по силам, будут решены. И не только в области химии и материаловедения. Уолл-стрит также проявляет заинтересованность.

Инвестиции в будущее

CME Group проинвестировала ванкуверскую компанию 1QB Information Technologies Inc., разрабатывающую программное обеспечение для процессоров квантового типа. По мнению инвесторов, такие вычисления, вероятно, окажут наибольшее влияние на отрасли, которые работают с большими объемами чувствительных ко времени данных. Примером таких потребителей являются финансовые учреждения. Goldman Sachs инвестировал в D-Wave Systems, а компания In-Q-Tel финансируется ЦРУ. Первая производит машины, которые делают то, что называется «квантовым отжигом», т. е. решает низкоуровневые задачи оптимизации с помощью квантового процессора. Intel тоже занимается инвестированием в данную технологию, хотя считает ее реализацию делом будущего.

Зачем это нужно?

Причина, по которой квантовые вычисления являются столь захватывающими, кроется в их идеальном сочетании с машинным обучением. В настоящее время это основное приложение для подобных расчетов. Отчасти самой идеи квантового компьютера - использование физического устройства для поиска решений. Иногда данную концепцию объясняют на примере игры Angry Birds. Для имитации гравитации и взаимодействия сталкивающихся объектов ЦПУ планшета использует математические уравнения. Квантовые процессоры ставят такой подход с ног на голову. Они «бросают» несколько птиц и смотрят, что происходит. В микрочип записывается птицы, их бросают, какова оптимальная траектория? Затем проверяются все возможные решения или, по крайней мере, очень большое их сочетание, и выдается ответ. В квантовом компьютере не математик, вместо него работают законы физики.

Как это функционирует?

Основные строительные блоки нашего мира - квантово-механические. Если посмотреть на молекулы, то причина, по которой они образуются и остаются стабильными - взаимодействие их электронных орбиталей. Все квантово-механические расчеты содержатся в каждой из них. Их количество растет экспоненциально росту числа моделируемых электронов. Например, для 50 электронов существует 2 в 50-й степени возможных вариантов. Это феноменально поэтому рассчитать его сегодня нельзя. Подключение теории информации к физике может указать путь к решению таких задач. 50-кубитовному компьютеру это по силам.

Заря новой эры

Согласно Лэндону Даунсу, президенту и соучредителю компании 1QBit, квантовый процессор - это возможность использовать вычислительные мощности субатомного мира, что имеет огромное значение для получения новых материалов или создания новых лекарств. Происходит переход от парадигмы открытий к новой эре дизайна. Например, квантовые вычисления можно использовать для моделирования катализаторов, которые позволяют извлекать углерод и азот из атмосферы, и тем самым помочь остановить глобальное потепление.

На передовой прогресса

Сообщество разработчиков данной технологии чрезвычайно взволновано и занято активной деятельностью. Команды по всему миру в стартапах, корпорациях, университетах и правительственных лабораториях наперегонки строят машины, в которых используются различные подходы к обработке квантовой информации. Созданы сверхпроводящие кубитовые чипы и кубиты на захваченных ионах, которыми занимаются исследователи из Университета штата Мэриленд и Национального института стандартов и технологий США. Microsoft разрабатывает топологический подход под названием Station Q, целью которого является применение неабелева аниона, существование которого еще окончательно не доказано.

Год вероятного прорыва

И это только начало. По состоянию на конец мая 2017 г. количество процессоров квантового типа, которые однозначно делают что-то быстрее или лучше, чем классический компьютер, равно нулю. Такое событие установит «квантовое превосходство», но пока оно не произошло. Хотя вероятно, что это может свершиться еще в этом году. Большинство инсайдеров говорит, что явным фаворитом является группа Google во главе с профессором физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джоном Мартини. Ее цель - достижение вычислительного превосходства с помощью 49-кубитного процессора. К концу мая 2017 г. команда успешно тестировала 22-кубитный чип в качестве промежуточного шага к разборке классического суперкомпьютера.

С чего все началось?

Идее использования квантовой механики для обработки информации уже десятки лет. Одно из ключевых событий произошло в 1981 году, когда IBM и MIT совместно организовали конференцию по физике вычислений. Знаменитый физик предложил построить квантовый компьютер. По его словам, для моделирования следует воспользоваться средствами квантовой механики. И это прекрасная задача, поскольку не выглядит такой простой. У квантового процессора принцип действия основан на нескольких странных свойствах атомов - суперпозиции и запутанности. Частица может находиться в двух состояниях одновременно. Однако при измерении она окажется только в одном их них. И невозможно предугадать, в каком, кроме как с позиции теории вероятности. Этот эффект лежит в основе мысленного эксперимента с котом Шредингера, который находится в коробке одновременно живым и мертвым до тех пор, пока наблюдатель украдкой туда не заглянет. Ничто в повседневной жизни не работает подобным образом. Тем не менее, около 1 млн экспериментов, проведенных с начала ХХ века, показывают, что суперпозиция действительно существует. И следующим шагом будет выяснение того, как использовать эту концепцию.

Квантовый процессор: описание работы

Классические биты могут принимать значение 0 или 1. Если пропустить их строку через «логические вентили» (И, ИЛИ, НЕ и т. д.), то можно умножать числа, рисовать изображения и т. п. Кубит же может принимать значения 0, 1 или оба одновременно. Если, скажем, 2 кубита запутаны, то это делает их совершенно коррелированными. Процессор квантового типа может использовать логические вентили. Т. н. вентиль Адамара, например, помещает кубит в состояние совершенной суперпозиции. Если суперпозицию и запутанность совместить с умно расположенными квантовыми вентилями, то начинает раскрываться потенциал субатомных вычислений. 2 кубита позволяют исследовать 4 состояния: 00, 01, 10 и 11. Принцип работы квантового процессора таков, что выполнение логической операции дает возможность работать со всеми положениями сразу. И число доступных состояний равно 2 в степени количества кубитов. Так что, если сделать 50-кубитный универсальный квантовый компьютер, то теоретически можно исследовать все 1,125 квадриллиона комбинаций одновременно.

Кудиты

Квантовый процессор в России видят несколько иначе. Ученые из МФТИ и Российского квантового центра создали «кудиты», представляющие собой несколько «виртуальных» кубитов с различными «энергетическими» уровнями.

Амплитуды

Процессор квантового типа обладает тем преимуществом, что квантовая механика базируется на амплитудах. Амплитуды подобны вероятности, но они также могут быть отрицательными и комплексными числами. Так что, если необходимо рассчитать вероятность события, можно сложить амплитуды всевозможных вариантов их развития. Идея квантовых вычислений заключается в попытке настройки таким образом, чтобы некоторые пути к неправильным ответам имели положительную амплитуду, а некоторые - отрицательную, и поэтому они бы компенсировали друг друга. А пути, ведущие к правильному ответу, имели бы амплитуды, которые находятся в фазе друг с другом. Хитрость в том, что необходимо все организовать, не зная заранее, какой ответ правильный. Так что экспоненциальность квантовых состояний в сочетании с потенциалом интерференции между положительными и отрицательными амплитудами является преимуществом вычислений данного типа.

Алгоритм Шора

Есть много задач, которые компьютер не в состоянии решить. Например, шифрование. Проблема заключается в том, что не так легко найти простые множители 200-значного числа. Даже если ноутбук работает с отличным ПО, то, возможно, придется ждать годы, чтобы найти ответ. Поэтому еще одной вехой в квантовых вычислениях стал алгоритм, опубликованный в 1994 г. Питером Шором, теперь профессором математики в MIT. Его метод заключается в поиске множителей большого числа с помощью квантового компьютера, которого тогда еще не существовало. По сути, алгоритм выполняет операции, которые указывают на области с правильным ответом. В следующем году Шор открыл способ квантовой коррекции ошибок. Тогда многие поняли, что это - альтернативный способ вычислений, который в некоторых случаях может быть более мощным. Тогда последовал всплеск интереса со стороны физиков к созданию кубитов и логических вентилей между ними. И вот, два десятилетия спустя, человечество стоит на пороге создания полноценного квантового компьютера.

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:

Количество информации в мире возрастает ежегодно на 30%. Только за последние пять лет человечеством было произведено больше данных, чем за всю предшествующую историю. Появляются системы Интернета вещей, в которых каждый датчик отправляет и получает огромное количество данных ежесекундно, и, по прогнозам аналитиков, количество подключенных к Интернету вещей скоро превысит количество пользователей-людей. Эти колоссальные объемы информации необходимо где-то хранить и как-то обрабатывать.

Сейчас уже существуют суперкомпьютеры мощностью более 50 петафлопс (1 петафлопс =1 тыс. трлн операций в секунду). Однако рано или поздно мы упремся в физический предел возможной мощности процессоров. Конечно, суперкомпьютеры все еще смогут расти в размерах, но это не решение проблемы, поскольку и размеры когда-нибудь достигнут своих пределов. По мнению ученых, скоро закон Мура перестанет исполняться и человечеству понадобятся новые, значительно более мощные устройства и технологии обработки данных. Поэтому уже сейчас крупные ИТ-компании работают над созданием совершенно нового революционного типа компьютеров, мощности которых будут в сотни раз превосходить те, что мы имеем на сегодняшний день. Это - квантовый компьютер. Эксперты обещают, что благодаря ему, возможно, удастся найти лекарство от рака, моментально находить преступников, анализируя записи с камер, моделировать молекулы ДНК. Сейчас даже представить сложно, какие еще задачи он сможет решать.

Microsoft старается быть на передовой развития этой области, изучая ее уже на протяжении двадцати лет, ведь тот, кто первым создаст квантовый компьютер, получит неоспоримое конкурентное преимущество. Причем компания работает не только над созданием «железа», но также недавно представила язык программирования, который смогут использовать разработчики. На самом деле очень немногие люди могут похвастаться тем, что понимают принципы работы этого революционного устройства, для большинства из нас это нечто из разряда фантастики. Так что же он собой представляет?

Одной из важнейших частей компьютера, от которой напрямую зависит его мощность, является процессор, который, в свою очередь, состоит из огромного числа транзисторов. Транзисторы - это простейшие части системы, они чем-то похожи на переключатели и могут находиться только в двух положениях: либо «включен», либо «выключен». Именно из комбинаций этих положений складывается двоичный код, состоящий из нулей и единиц, на котором базируются все языки программирования.

Соответственно, чем мощнее компьютер, тем больше транзисторов необходимо для его работы. Производители постоянно уменьшают их размеры, стараясь уместить как можно большее число в процессоры. Например, в новом Xbox One X их миллиарды.

Сейчас размер одного транзистора составляет 10 миллимикрон, то есть одну стотысячную миллиметра. Но однажды будет достигнут физический предел, меньше которого транзистор просто невозможно сделать. Для того чтобы избежать кризиса в развитии ИТ, ученые работают над созданием компьютера, который будет работать по совершенно другому принципу, - квантового. Транзисторы, из которых будет состоять квантовый компьютер, могут находиться одновременно в двух положениях: «включен» и «выключен» и, соответственно, сразу быть и единицей, и нулем, это называется «суперпозиция».

Если мы возьмем 4 стандартных транзистора (бита), то они, работая вместе, могут создать 16 различных комбинаций единиц и нулей. По одной за раз.

Если же мы рассматриваем 4 квантовых транзистора (кубита), то они могут быть всеми 16 комбинациями одновременно. Это огромная экономия места и времени!

Но, конечно же, создать кубиты очень и очень сложно. Ученым приходится иметь дело с субатомными частицами, которые подчиняются законам квантовой механики, разрабатывать совершенно новый подход к программированию и языку.

Существуют различные типы кубитов. Эксперты Microsoft, например, работают над созданием топологических кубитов. Они невероятно хрупки и легко разрушаются от малейших звуковых волн или теплового излучения. Для стабильной работы им необходимо постоянно находиться при температуре –273°C. Однако у них есть и ряд преимуществ перед другими типами: информация, хранящаяся в них, практически не подвержена ошибкам, и, соответственно, квантовый компьютер, созданный на основе топологических кубитов, будет являться сверхнадежной системой.

Квантовый компьютер Microsoft состоит из трех основных уровней: первый уровень - собственно, квантовый компьютер, содержащий кубиты и постоянно находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю; следующий уровень - криогенный компьютер - это тоже совершенно новый тип компьютера, который управляет квантовым и работает при температуре –268°C; последний уровень - компьютер, за которым уже может работать человек, и управляющий всей системой. Подобные компьютеры будут в 100–300 раз превосходить по мощности самые продвинутые суперкомпьютеры, существующие сейчас.

Сегодня мир как никогда близко подошел к изобретению настоящего квантового компьютера: есть понимание принципа его работы, прототипы. И в тот момент, когда мощности обычных компьютеров для обработки всей существующей на Земле информации хватать перестанет, появится квантовый компьютер, знаменующий собой совсем новую эру цифровых технологий.