Принцип работы квантового компьютера. Квантовые компьютеры Что такое квантовый процессор

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.

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

Чем квантовые вычисления отличаются от традиционных?

Распространенная метафора, которая используется для сравнения двух видов вычислений, — это монетка. В традиционном компьютерном процессоре транзистор либо «орел», либо «решка». Но если спросить, какой стороной смотрит монетка, когда крутится, вы скажете, что ответом может быть и то и другое. Так устроены квантовые вычисления. Вместо обычных битов, которые представляют 0 или 1, у вас квантовый бит, который одновременно представляет и 0, и 1 до тех пор, пока кубит не перестанет вращаться и не войдет в состояние покоя.

Пространство состояний – или способность перебирать огромное число возможных комбинаций – в случае с квантовым компьютером экспоненциально. Представьте, что у меня в руке две монеты и я подбрасываю их в воздух одновременно. Пока они вращаются, они представляют четыре возможных состояния. Если я подброшу три монеты в воздух, они будут представлять восемь возможных состояний. Если я подброшу в воздух пятьдесят монет и спрошу у вас, сколько состояний они представляют, ответом будет число, которое не сможет рассчитать даже самый мощный суперкомпьютер мира. Триста монет – все еще относительно небольшое число – будет представлять больше состояний, чем атомов во Вселенной.

Почему кубиты такие хрупкие?

Реальность такова, что монеты, или кубиты, в конечном итоге прекращают вращаться и коллапсируют в определенное состояние, будь то орел или решка. Цель квантовых вычислений состоит в том, чтобы поддерживать их вращение в суперпозиции в множестве состояний длительное время. Представьте, что у меня на столе крутится монетка и кто-то толкает стол. Монетка может упасть быстрее. Шум, изменение температуры, электрические флуктуации или вибрация – все это может помешать работе кубита и привести к утрате его данных. Один из способов стабилизировать кубиты определенных типов – поддерживать их в холодном состоянии. Наши кубиты работают в холодильнике размером с бочку на 55 галлонов и используют специальный изотоп гелия для охлаждения почти до температуры абсолютного нуля.

Как разные типы кубитов различаются между собой?

Существует не меньше шести или семи различных типов кубитов, и примерно три-четыре из них активно рассматриваются для использования в квантовых компьютерах. Разница в том, как манипулировать кубитами и заставить их общаться между собой. Нужно, чтобы два кубита общались между собой, чтобы проводить большие «запутанные» расчеты, и разные типы кубитов запутываются по-разному. Описанный мной тип, который требует чрезвычайного охлаждения, называется сверхпроводящей системой, которая включает наш процессор Tangle Lake и квантовые компьютеры, построенные Google, IBM и другими. Другие подходы используют осциллирующие заряды пойманных ионов – удерживаемых на месте в вакуумной камере лазерными лучами – которые выступают в роли кубитов. Intel не разрабатывает системы с пойманными ионами, потому что для этого нужно глубокое знание лазеров и оптики, нам это не под силу.

Тем не менее мы изучаем третий тип, который называем кремниевыми спин-кубитами. Они выглядят точно как традиционные кремниевые транзисторы, но оперируют одним электроном. Спин-кубиты используют микроволновые импульсы для контроля спина электрона и высвобождения его квантовой силы. Эта технология сегодня менее зрелая, чем технология сверхпроводящих кубитов, однако, возможно, имеет гораздо больше шансов масштабироваться и стать коммерчески успешной.

Как добраться до этого момента отсюда?

Первый шаг – сделать эти квантовые чипы. В то же время мы провели моделирование на суперкомпьютере. Чтобы запустить квантовый симулятор Intel, нужно порядка пяти триллионов транзисторов для моделирования 42 кубитов. Для достижения коммерческой досягаемости нужно порядка миллиона кубитов или больше, но, начав с симулятора вроде этого, можно построить базовую архитектуру, компиляторы и алгоритмы. Пока у нас не появятся физические системы, которые будут включать от нескольких сотен до тысячи кубитов, непонятно, какого рода программное обеспечение мы сможем на них запускать. Есть два способа нарастить размер такой системы: один – добавить больше кубитов, что потребует больше физического пространства. Проблема в том, что если наша цель – создать компьютеры на миллион кубитов, математика не позволит их хорошо масштабировать. Другой путь – сжать внутренние размерности интегральной схемы, но такой подход потребует сверхпроводящей системой, а она должна быть огромной. Спин-кубиты в миллион раз меньше, поэтому мы ищем другие решения.

Помимо этого, мы хотим улучшить качество кубитов, что поможет нам протестировать алгоритмы и создать нашу систему. Качество относится к точности, с которой информация передается со временем. Хотя многие части такой системы улучшат качество, самые большие успехи будут достигнуты благодаря разработке новых материалов и улучшению точности микроволновых импульсов и другой управляющей электроники.

Недавно Подкомитет по цифровой торговле и защите прав потребителей США провел слушания о квантовых вычислениях. Что законодатели хотят знать об этой технологии?

Есть несколько слушаний, связанных с разными комитетами. Если взять квантовые вычисления, можно сказать, что это технологии вычислений следующих 100 лет. Для США и других правительств вполне естественно интересоваться их возможностью. У Евросоюза есть план на много миллиардов долларов по финансированию квантовых исследований по всей Европе. Китай прошлой осенью анонсировал исследовательскую базу на 10 миллиардов долларов, которая займется квантовой информатикой. Вопрос ведь в чем: что мы можем сделать как страна на национальном уровне? Национальная стратегия квантовых вычислений должна быть в ведении университетов, правительства и промышленности, работающих совместно над разными аспектами технологии. Стандарты определенно необходимы с точки зрения коммуникаций или архитектуры программного обеспечения. Рабочая сила также представляет проблему. Сейчас, если я открываю вакансию эксперта по квантовым вычислениям, две трети заявителей, вероятно, будут не из США.

Какое влияние могут оказать квантовые вычисления на разработку искусственного интеллекта?

Как правило, первые предлагаемые квантовые алгоритмы будут посвящены безопасности (например, криптографической) или химии и моделированию материалов. Это проблемы, которые принципиально неразрешимы для традиционных компьютеров. Тем не менее есть масса стартапов и групп ученых, работающих над машинным обучением и ИИ с внедрением квантовых компьютеров, даже теоретического. Учитывая временные рамки, необходимые для разработки ИИ, я бы ожидал появления традиционных чипов, оптимизированных специально под алгоритмы ИИ, которые, в свою очередь, окажут влияние на разработку квантовых чипов. В любом случае ИИ определенно получит толчок из-за квантовых вычислений.

Когда мы увидим, что рабочие квантовые компьютеры решают реальные проблемы?

Первый транзистор был создан в 1947 году. Первая интегральная схема – в 1958 году. Первый микропроцессор Intel – который вмещал около 2500 транзисторов – вышел на свет только в 1971 году. Каждая из этих вех была разделена более чем десятилетием. Люди думают, что квантовые компьютеры вот уже за углом, но история показывает, что любые достижения требуют времени. Если через 10 лет у нас будет квантовый компьютер на несколько тысяч кубитов, это определенно изменит мир так же, как его изменил первый микропроцессор.

Квантовый компьютер — это не просто компьютер будущего поколения, это нечто гораздо большее. Не только с точки зрения применения новейших технологий, но и с точки зрения его неограниченных, невероятных, фантастических возможностей, способных не только изменить мир людей, но даже … создавать иную реальность.

Как известно, современные компьютеры используют память, представленную в двоичном коде: 0 и 1. Точно так же как в азбуке Морзе — точка и титре. С помощью двух знаков можно зашифровать любую информацию, путем варьирования их сочетаний.

В памяти современного компьютера миллиарды этих битов. Но каждый из них может быть в одном из двух состояний — либо ноль, либо один. Как лампочка: либо включена, либо выключена.

Квантовый бит (кубит) — наименьший элемент хранения информации в компьютере будущего. Единицей информации в квантовом компьютере теперь может быть не только нуль или единица, а то и другое одновременно .

Одна ячейка выполняет два действия, две -четыре, четыре — шестнадцать и т. д. Именно поэтому квантовые системы могут работать в два раза быстрее и с большими объемами информации, чем современные.

Впервые «измерили» кубит (Q-bit) ученые Российского квантового центра (РКЦ) и Лаборатории сверхпроводящих мета материалов.

С технической стороны, кубит, — это диаметром в несколько микрон металлическое кольцо с разрезами, напылённое на полупроводник. Кольцо охлаждается до сверхнизких температур для того, что бы оно стало сверхпроводником. Допускаем, что ток, протекающий по кольцу, идет по часовой стрелке — это 1. Против — 0. То есть два обычных состояния.

Через кольцо пропустили микроволновое излучение. На выходе из кольца этого излучения, измеряли сдвиг тока по фазе. Оказалось, что вся эта система может находиться как в двух основных, так и смешанном состоянии: тем и другим одновременно!!! В науке это называется принципом суперпозиции.

Эксперимент русских ученых (аналогичный провели и ученые других стран), доказал, что кубит имеет право на жизнь. Создание кубита подвело к идее и приблизило ученых к мечте по созданию оптического квантового компьютера. Осталось его только сконструировать и создать. Но не все так просто…

Сложности, проблемы в создании квантового компьютера

Если требуется, к примеру, обсчитать миллиард вариантов в современном компьютере, то ему нужно «прокрутить» миллиард подобных циклов. На квантовом компьютере имеется принципиальное отличие, он может просчитывать все эти варианты одновременно.
Один из главных принципов, на которых будет работать квантовый компьютер, — это принцип суперпозиции и иначе, как магическим, его не назовешь!
Он означает, что один и тот же человек может находится в разных местах в одно и то же время. Физики шутят: » Если вас не шокирует квантовая теория, значит вы ее не поняли».

Внешний вид создаваемых сейчас квантовых компьютеров разительно отличается от классических. Они похожи… на самогонный аппарат:

Такая конструкция, сотоящая из медных и золотых частей, змеевиков-охладителей и пр. характерных деталей, разумеется не устраивает его создателей. Одна из основных задач ученых сделать ее компактной и дешевой. Что бы это произошло, нужно решить несколько проблем.

Проблема первая — неустойчивость суперпозиций

Все эти квантовые суперпозиции очень «нежные». Как только на них начинаешь смотреть, как только они начинают взаимодействовать с другими объектами, так они сразу разрушаются. Становятся, как бы классическими. Это одна из самых важных проблем в создании квантового компьютера.

Проблема вторая — требуется сильное охлаждение

Второе препятствие — для достижения стабильной работы квантового компьютера. в том виде, какой имеем на сегодня, требуется его сильное охлаждение. Сильное, это создание аппаратуры, в которой поддерживается температура близкая к абсолютному нулю — минус 273 градуса по Цельсию! Поэтому сейчас прототипы таких компьютеров, со своими криогенно-вакуумными установками, выглядят очень громоздко:

Однако ученые уверены, что вскоре все технические проблемы будут решены и однажды квантовые компьютеры, обладающие огромной вычислительной мощью, заменят современные.

Некоторые технические решения в решении проблем

К настоящему времени, ученые нашли ряд существенных решений в решении вышеизложенных проблем. Эти технологические находки, результат сложной, а иногда и длительной, напряженной работы ученых, заслуживает всяческого уважения.

Лучший путь к совершенствованию работы кубита… бриллианты

Все очень похоже на известную песню о девушках и бриллиантах. Главное, над чем сейчас работают ученые -поднять время жизни кубита, а так же «заставить» работать квантовый компьютер при обычных температурах . Да, для связи между квантовыми компьютерами нужны бриллианты! Для всего этого пришлось создавать и использовать искусственные алмазы сверх высокой прозрачности. С их помощью смогли продлить жизнь кубита до двух секунд. Эти скромные достижения: две секунды жизни кубита и работа компьютера при комнатной температуре, на самом деле революция в науке.

Суть эксперимента французского ученого Сержа Ароша основана на том, что он сумел показать всему миру, что свет (квантовый поток фотонов), проходящий между двумя специально созданными им зеркалами, не теряет квантового состояния.

Заставив свет пройти 40 000 км между этими зеркалами, он определил, все происходит без потери квантового состояния. Свет состоит из фотонов и до сих пор никто не мог выяснить, теряют ли они свое квантовое состояние при прохождении определенного расстояния. Лауреат Нобелевской премии Серж Арош: «Один фотон находится в нескольких местах одновременно , нам удалось это зафиксировать.» На самом деле это и есть принцип суперпозиции . «В нашем большом мире такое невозможно. А в микро-мире — другие законы.», — говорит Арош.

Внутри резонатора находились классические атомы, которые можно измерить. По поведению атомов физик научился определять и измерять неуловимые квантовые частицы. До экспериментов Ароша считалось, что наблюдение за квантами невозможно. После эксперимента — заговорили о покорении фотонов, то есть о приближении эры квантовых компьютеров.

Почему многие с нетерпением ждут создания полноценного квантового генератора, а другие его боятся

Квантовый компьютер подарит человечеству огромные возможности

Квантовый компьютер откроет перед человечеством необозримые возможности. Например, поможет создать искусственный разум, о котором столько времени бредят фантасты. Или смоделировать вселенную. Целиком. По самым скромным прогнозам он позволит заглянуть за грани возможного. Давайте представим мир, где можно смоделировать абсолютно все, что пожелаешь: спроектировать молекулу, сверхпрочный металл, быстро разлагающийся пластик, придумать лекарства от неизлечимых болезней. Машина смоделирует весь наш мир, целиком, до последнего атома. Можно даже смоделировать другой мир, пусть даже виртуальный.

Квантовый компьютер сможет стать орудием Апокалипсиса

Многие люди, вникнув в суть квантовой технологии, боятся ее по разным причинам. Уже сейчас компьютеризация и все околокомпьютерные технологии, пугают обывателя. Достаточно вспомнить скандалы о том, как специальные службы с помощью встроенных программ в ПК и даже бытовые приборы, организуют слежку и сбор данных об их потребителях. Например во многих странах запретили всем известные очки — ведь они являются идеальным средством для скрытой съемки и слежки. Уже сейчас, наверняка, каждый житель любой страны, а тем более пользователь в Сети, занесен в какую-нибудь базу данных. Более того и вполне реально, определенные службы могут просчитывать каждое его действие в интернете.

Но для квантовых компьютеров не будет тайн! Вообще никаких. Вся компьютерная безопасность держится на очень длинных числах-паролях. Что бы получить подобрать ключ к коду, обычному компьютеру понадобиться миллион лет. Но с помощью квантового это сможет сделать любой и мгновенно. Получается, что в мире станет совершенно небезопасно: ведь в современном мире все контролируется с помощью компьютеров: банковские переводы, полеты самолетов, фондовые биржи, ракетно-ядерное оружие! Вот и получается: кто владеет информацией, тот владеет Миром. Кто первый — тот и бог. Квантовый компьютер станет сильнее любого комплекса вооружений . На Земле может начаться (или уже началась) новая гонка вооружений, только теперь не ядерная, а компьютерная.

Дай нам Бог выйти из нее благополучно…

Кандидат физико-математических наук Л. ФЕДИЧКИН (Физико-технологический институт Российской академии наук.

Используя законы квантовой механики, можно создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые позволят решать некоторые задачи, недоступные даже самым мощным современным суперкомпьютерам. Резко возрастет скорость многих сложных вычислений; сообщения, посланные по линиям квантовой связи, невозможно будет ни перехватить, ни скопировать. Сегодня уже созданы прототипы этих квантовых компьютеров будущего.

Американский математик и физик венгерского происхождения Иоганн фон Нейман (1903- 1957).

Американский физик-теоретик Ричард Филлипс Фейнман (1918-1988).

Американский математик Питер Шор, специалист в области квантовых вычислений. Предложил квантовый алгоритм быстрой факторизации больших чисел.

Квантовый бит, или кубит. Состояниям и отвечают, например, направления спина атомного ядра вверх или вниз.

Квантовый регистр - цепочка квантовых битов. Одно- или двухкубитовые квантовые вентили осуществляют логические операции над кубитами.

ВВЕДЕНИЕ, ИЛИ НЕМНОГО О ЗАЩИТЕ ИНФОРМАЦИИ

Как вы думаете, на какую программу в мире продано наибольшее количество лицензий? Не рискну настаивать, что знаю правильный ответ, но мне точно известен один неверный: это не какая-либо из версий Microsoft Windows. Самую распространенную операционную систему опережает скромный продукт фирмы RSA Data Security, Inc. - программа, реализующая алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов - американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана.

Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах - от смарткарт до сотовых телефонов. В частности, имеется он и в Microsoft Windows, а значит, распространен заведомо шире этой популярной операционной системы. Чтобы обнаружить следы RSA, к примеру, в браузере Internet Explorer (программе для просмотра www-страниц в сети Интернет), достаточно открыть меню "Справка" (Help), войти в подменю "О программе" (About Internet Explorer) и просмотреть список используемых продуктов других фирм. Еще один распространенный браузер Netscape Navigator тоже использует алгоритм RSA. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу. На сегодняшний день фирма RSA Data Security, Inc. продала уже более 450 миллионов(!) лицензий.

Почему же алгоритм RSA оказался так важен?

Представьте, что вам необходимо быстро обменяться сообщением с человеком, находящимся далеко. Благодаря развитию Интернета такой обмен стал доступен сегодня большинству людей - надо только иметь компьютер с модемом или сетевой картой. Естественно, что, обмениваясь информацией по сети, вы бы хотели сохранить свои сообщения в тайне от посторонних. Однако полностью защитить протяженную линию связи от прослушивания невозможно. Значит, при посылке сообщений их необходимо зашифровать, а при получении - расшифровать. Но как вам и вашему собеседнику договориться о том, каким ключом вы будете пользоваться? Если послать ключ к шифру по той же линии, то подслушивающий злоумышленник легко его перехватит. Можно, конечно, передать ключ по какой-нибудь другой линии связи, например отправить его телеграммой. Но такой метод обычно неудобен и к тому же не всегда надежен: другую линию тоже могут прослушивать. Хорошо, если вы и ваш адресат заранее знали, что будете обмениваться шифровками, и потому заблаго-временно передали друг другу ключи. А как быть, например, если вы хотите послать конфиденциальное коммерческое предложение возможному деловому партнеру или купить по кредитной карточке понравившийся товар в новом Интернет-магазине?

В 1970-х годах для решения этой проблемы были предложены системы шифрования, использую щие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый (не требующий хранения в тайне) и закрытый (строго секретный). Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый - для его дешифровки. Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, - это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ (он изначально хранится у вас), легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом (а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе).

Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA - самом распространенном методе шифрования с открытым ключом. Причем для создания пары открытого и закрытого ключей используется следующая важная гипотеза. Если имеется два больших (требующих более сотни десятичных цифр для своей записи) простых числа M и K, то найти их произведение N=MK не составит большого труда (для этого даже не обязательно иметь компьютер: достаточно аккуратный и терпеливый человек сможет перемножить такие числа с помощью ручки и бумаги). А вот решить обратную задачу, то есть, зная большое число N, разложить его на простые множители M и K (так называемая задача факторизации ) - практически невозможно! Именно с этой проблемой столкнется злоумышленник, решивший "взломать" алгоритм RSA и прочитать зашифрованную с его помощью информацию: чтобы узнать закрытый ключ, зная открытый, придется вычислить M или K.

Для проверки справедливости гипотезы о практической сложности разложения на множители больших чисел проводились и до сих пор еще проводятся специальные конкурсы. Рекордом считается разложение всего лишь 155-значного (512-битного) числа. Вычисления велись параллельно на многих компьютерах в течение семи месяцев 1999 года. Если бы эта задача выполнялась на одном современном персональном компьютере, потребовалось бы примерно 35 лет машинного времени! Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное - за 10 25 (!) лет. (Для сравнения возраст Вселенной равен ~10 10 лет.)

Поэтому криптографические алгоритмы, подобные RSA, оперирующие достаточно длинными ключами, считались абсолютно надежными и использовались во многих приложениях. И все было хорошо до тех самых пор ...пока не появились квантовые компьютеры.

Оказывается, используя законы квантовой механики, можно построить такие компьютеры, для которых задача факторизации (и многие другие!) не составит большого труда. Согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ?

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 (СН 4). 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, хорошо знакомый постоянным читателям "Науки и жизни". Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

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. Пути решения этой проблемы наметил в 1995 году П. Шор, разработав схему кодирования квантовых состояний и коррекции в них ошибок. К сожалению, тема коррекции ошибок в квантовых компьютерах так же важна, как и сложна, чтобы изложить ее в данной статье.

УСТРОЙСТВО КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

Прежде чем рассказать, как же устроен квантовый компьютер, вспомним основные особенности квантовых систем (см. также "Наука и жизнь" № 8, 1998 г.; № 12, 2000 г.).

Для понимания законов квантового мира не следует прямо опираться на повседневный опыт. Обычным образом (в житейском понимании) квантовые частицы ведут себя лишь в том случае, если мы постоянно "подглядываем" за ними, или, говоря более строго, постоянно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам "отвернуться" (прекратить наблюдение), как квантовые частицы тут же переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных ипостасей. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей и т. д. Это не означает, что он делится на дольки, как апельсин. Тогда можно было бы надежно изолировать какую-нибудь часть электрона и измерить ее заряд или массу. Но опыт показывает, что после измерения электрон всегда оказывается "целым и невредимым" в одной единственной точке, несмотря на то, что до этого он успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называют суперпозицией квантовых состояний и описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Э. Шредингером. Модуль значения волновой функции в любой точке, возведенный в квадрат, определяет вероятность найти частицу в этой точке в данный момент. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается (коллапсирует) в ту точку, где частица была обнаружена, а затем опять начинает расплываться. Свойство квантовых частиц быть одновременно во многих состояниях, называемое квантовым параллелизмом , успешно используется в квантовых вычислениях.

Квантовый бит

Основная ячейка квантового компьютера - квантовый бит, или, сокращенно, кубит (q-бит). Это квантовая частица, имеющая два базовых состояния, которые обозначаются 0 и 1 или, как принято в квантовой механике, и. Двум значениям кубита могут соответствовать, например, основное и возбужденное состояния атома, направления вверх и вниз спина атомного ядра, направление тока в сверхпроводящем кольце, два возможных положения электрона в полупроводнике и т.п.

Квантовый регистр

Квантовый регистр устроен почти так же, как и классический. Это цепочка квантовых битов, над которыми можно проводить одно- и двухбитовые логические операции (подобно применению операций НЕ, 2И-НЕ и т.п. в классическом регистре).

К базовым состояниям квантового регистра, образованного L кубитами, относятся, так же как и в классическом, все возможные последовательности нулей и единиц длиной L. Всего может быть 2 L различных комбинаций. Их можно считать записью чисел в двоичной форме от 0 до 2 L -1 и обозначать. Однако эти базовые состояния не исчерпывают всех возможных значений квантового регистра (в отличие от классического), поскольку существуют еще и состояния суперпозиции, задаваемые комплексными амплитудами, связанными условием нормировки. Классического аналога у большинства возможных значений квантового регистра (за исключением базовых) просто не существует. Состояния классического регистра - лишь жалкая тень всего богатства состояний квантового компьютера.

Представьте, что на регистр осуществляется внешнее воздействие, например, в часть пространства поданы электрические импульсы или направлены лазерные лучи. Если это классический регистр, импульс, который можно рассматривать как вычислительную операцию, изменит L переменных. Если же это квантовый регистр, то тот же импульс может одновременно преобразовать до переменных. Таким образом, квантовый регистр, в принципе, способен обрабатывать информацию в раз быстрее по сравнению со своим классическим аналогом. Отсюда сразу видно, что маленькие квантовые регистры (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Стоит, однако, отметить, что существует класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения по сравнению с классическими. Одним из первых это показал российский математик Ю. Ожигов, построивший ряд примеров алгоритмов, принципиально не ускоряемых на квантовом компьютере ни на один такт.

И тем не менее нет сомнения, что компьютеры, работающие по законам квантовой механики, - новый и решающий этап в эволюции вычислительных систем. Осталось только их построить.

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ СЕГОДНЯ

Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня. Правда, пока что экспериментально удается собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. Так, недавно группа, возглавляемая американским физиком И. Чангом (IBM), объявила о сборке 5-битового квантового компьютера. Несомненно, это большой успех. К сожалению, существующие квантовые системы еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как они либо недостаточно управляемы, либо очень подвержены влиянию шумов. Однако физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, необходимо лишь преодолеть технологические трудности.

Существует несколько идей и предложений, как сделать надежные и легко управляемые квантовые биты.

И. Чанг развивает идею об использовании в качестве кубитов спинов ядер некоторых органических молекул.

Российский исследователь М. В. Фейгельман, работающий в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, предлагает собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводни ковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце - по часовой стрелке и против нее. Переключать такие кубиты можно магнитным полем.

В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика К. А. Валиева предложила два варианта размещения кубитов в полупроводниковых структурах. В первом случае роль кубита выполняет электрон в системе из двух потенциальных ям, создаваемых напряжением, приложенным к мини-электродам на поверхности полупроводника. Состояния 0 и 1 - положения электрона в одной из этих ям. Переключается кубит изменением напряжения на одном из электродов. В другом варианте кубитом является ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупровод ника. Состояния 0 и 1 - направления спина ядра вдоль либо против внешнего магнитного поля. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения.

Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем - лет через десять - эффективный квантовый компьютер будет создан.

ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ

Таким образом, весьма возможно, что в перспективе квантовые компьютеры будут изготавливаться с использованием традиционных методов микроэлектронной технологии и содержать множество управляющих электродов, напоминая современный микропроцессор. Для того чтобы снизить уровень шумов, критически важный для нормальной работы квантового компьютера, первые модели, по всей видимости, придется охлаждать жидким гелием. Вероятно, первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, не умещающимися на письменном столе и обслуживаемыми большим штатом системных программистов и наладчиков оборудования в белых халатах. Доступ к ним получат сначала лишь государственные структуры, затем богатые коммерческие организации. Но примерно так же начиналась и эра обычных компьютеров.

А что же станет с классическими компью-терами? Отомрут ли они? Вряд ли. И для классических, и для квантовых компьютеров найдутся свои сферы применения. Хотя, по всей видимости, соотношение на рынке будет все же постепенно смещаться в сторону последних.

Внедрение квантовых компьютеров не приведет к решению принципиально нерешаемых классических задач, а лишь ускорит некоторые вычисления. Кроме того, станет возможна квантовая связь - передача кубитов на расстояние, что приведет к возникновению своего рода квантового Интернета. Квантовая связь позволит обеспечить защищенное (законами квантовой механики) от подслушивания соединение всех желающих друг с другом. Ваша информация, хранимая в квантовых базах данных, будет надежнее защищена от копирования, чем сейчас. Фирмы, производящие программы для квантовых компьютеров, смогут уберечь их от любого, в том числе и незаконного, копирования.

Для более глубокого освоения этой темы можно прочитать обзорную статью Э. Риффеля, В. Полака "Основы квантовых вычислений", опубликованную в издаваемом в России журнале "Квантовые компьютеры и квантовые вычисления" (№ 1, 2000 г.). (Кстати, это первый и пока единственный в мире журнал, посвященный квантовым вычислениям. Дополнительную информацию о нем можно узнать в Интернете по адресу http://rcd.ru/qc .). Освоив эту работу, вы сможете читать научные статьи по квантовым вычислениям.

Несколько большая предварительная математическая подготовка потребуется при чтении книги А. Китаева, А. Шеня, М. Вялого "Классические и квантовые вычисления" (М.: МЦНМО-ЧеРо, 1999).

Ряд принципиальных аспектов квантовой механики, существенных для проведения квантовых вычислений, разобран в книге В. В. Белокурова, О. Д. Тимофеевской, О. А. Хрусталева "Квантовая телепортация - обыкновенное чудо" (Ижевск: РХД, 2000).

В издательстве РХД готовится к выходу в виде отдельной книги перевод обзора А. Стина, посвященный квантовым компьютерам.

Следующая литература будет полезна не только в познавательном, но и в историческом плане:

1) Ю. И. Манин. Вычислимое и невычислимое.

М.: Сов. радио, 1980.

2) И. фон Нейман. Математические основы квантовой механики.

М.: Наука, 1964.

3) Р. Фейнман. Моделирование физики на компьютерах // Квантовый компьютер и квантовые вычисления:

Сб. в 2-х т. - Ижевск: РХД, 1999. Т. 2, с. 96-123.

4) Р. Фейнман. Квантово-механические компьютеры

// Там же, с. 123.-156.

См. в номере на ту же тему