Что может квантовый компьютер. Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен

Квантовые компьютеры обещают настоящую революцию, причем не только в вычислениях, но и в реальной жизни. Медиа пестрят заголовками про то, как квантовые компьютеры уничтожат современную криптографию, а мощность искусственного интеллекта, благодаря им возрастет на порядки.

За последние 10 лет квантовые компьютеры прошли путь от чистой теории до первых работающих образцов. Правда, до обещанной революции предстоит пройти еще немалый путь, да и ее влияние в итоге может оказаться не таким всеобъемлющим, как представляется сейчас.

Как работает квантовый компьютер

Квантовый компьютер – устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Основным элементом в таких вычислениях является кубит, или квантовый бит. За всеми этими словам кроется довольно сложная математика и физика, но если их максимально упростить, то получится примерно следующее.

В обычных компьютерах мы имеем дело с битами. Бит - единица измерения информации в двоичной системе. Он может принимать значение 0 и 1, что очень удобно не только для математических операций, но и для логических, так как нулю можно сопоставить значение «ложно», а единице – «истинно».

Современные процессоры построены на базе транзисторов, полупроводниковых элементов, которые могут пропускать, либо не пропускать электрический ток. Иначе говоря, выдавать два значения 0 и 1. Точно также во флеш-памяти транзистор с плавающим затвором может хранить заряд. Если он есть, мы получаем единицу, если его нет – ноль. Аналогичным образом работает и магнитная цифровая запись, только носителем информации там является магнитная частичка, либо имеющая, либо не имеющая заряд.

При вычислениях мы считываем из памяти значение бита (0 или 1) и затем пропускаем ток через транзистор и в зависимости о того, пропускает он его или нет, получаем на выходе новый бит, возможно, имеющий другое значение.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. В отличие от обычного бита он находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть имеет значение и 0, и 1, и любые их сочетания в любой момент времени. Если в системе находится несколько кубитов, то изменение одного также влечет за собой изменение всех остальных кубитов.

Это позволяет одновременно просчитывать все возможные варианты. Обычный процессор с его бинарными вычислениями, фактически просчитывает варианты последовательно. Сначала один сценарий, потом другой, потом третий и т.д. Чтобы ускорить, начали применять многопоточность, запуская вычисления параллельно, предвыборку, чтобы предугадывать возможные варианты ветвления и просчитывать их заранее. В квантовом компьютере это все делается параллельно.

Отличается и принцип вычислений. В каком-то смысле квантовый компьютер уже содержит все возможные варианты решения задачи, нашей задачей только является считать состояние кубитов и... выбрать из них правильный вариант. И вот тут начинаются сложности. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.

Создание квантового компьютера

Какой будет физическая природа квантового компьютера? Добиться квантового состояния можно только у частиц. Кубит не построишь из нескольких атомов, как транзистор. Пока эта проблема до конца не решена. Есть несколько вариантов. Используются зарядовые состояния атомов, например, присутствие или отсутствие электрона в обычной точке, сверхпроводящие элементы, фотоны и т.д.

Столь «тонкие материи» накладывают ограничения и на измерения состояния кубитов. Энергии крайне малые, необходимы усилители, чтобы прочитать данные. Но усилители могут оказывать воздействия на квантовую систему и менять ее состояния, впрочем, не только они, но даже сам факт наблюдения может иметь значение.

Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами. Те в свою очередь ведут за собой изменения всей системы. Задача выбрать из ее состояний правильное, дающее результат вычислений. При этом может быть сколь угодно много состояний, максимальное приближенных к таковому. Соответственно, точность таких вычислений почти всего будет отличаться от единицы.

Таким образом, для полноценного квантового компьютера нужны значительные достижения в физике. Кроме того, программирование для квантового компьютера будет отличаться от существующего сейчас. Наконец, квантовые компьютеры не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но в состоянии ускорить решения тех, с которыми они справляются. Правда, опять же не все.

Счет на кубиты, кубитный квантовый компьютер

Постепенно проблемы на пути к квантовому компьютеру снимаются. Первые кубиты были построены еще в начале века. Процесс ускорился в начале десятилетия. Сегодня разработчики уже в состоянии произвести процессоры с десятками кубитов.

Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone в недрах Google. В марте 2018 года компания заявила, что смогла построить 72-кубитный процессор. На каких физических принципах построен Bristlecone Google не сообщает. Однако считается, что для достижения «квантового превосходства», когда квантовый компьютер начинает превосходить обычный, достаточно 49 кубитов. Google удалось выполнить это условие, но уровень ошибок в 0,6% пока выше требуемого в 0,5%.

Осенью 2017 года IBM объявила о создании прототипа 50-кубитового квантового процессора. Он проходит тестирование. Но в 2017 году IBM открыла свой 20-кубитовый процессор для облачных вычислений. В марте 2018 года была запущена меньшая версия IBM Q. Ставить эксперименты на таком компьютере могут все желающие. По их результатам уже вышло 35 научных работ.

Еще в начале 10-летия на рынке появилась шведская компания D-Wave, которая позиционировала свои компьютеры как квантовые. Она породила множество споров, так как объявляла о создании 1000-кубитных машин, в то время как признанные лидеры «ковырялись» всего лишь с парой кубитов. Компьютеры шведских разработчиков продавались по цене в $10-15 миллионов, так что проверить их было не так просто.

Компьютеры D-Wave не являются квантовыми в прямом смысле этого слова, но используют некоторые квантовые эффекты, которые можно применять для решения некоторых задач оптимизации. Иначе говоря, не все алгоритмы, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере, получают на D-Wave квантовое ускорение. Google приобрела одну из систем шведов. В результате ее исследователи признали компьютеры «ограниченно квантовыми». При этом выяснилось, что кубиты сгруппированы кластерами по восемь, то есть их реальное число заметно меньше, чем декларируемое.

Квантовый компьютер в России

Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.

В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.

Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.

Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.

Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.

В итоге

Итак, квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится раньше следующего десятилетия. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.

Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.

Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в течение следующего десятилетия, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.

Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в «облачной» модели, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.

Последние десятилетия компьютеры развивались очень быстро. Фактически на памяти одного поколения они прошли путь от громоздких ламповых, занимающих огромные помещения до миниатюрных планшетов. Стремительно увеличивалась память и скорость. Но наступил момент, когда появились задачи, неподвластные даже сверхмощным современным компьютерам.

Что такое квантовый компьютер?

Появление новых задач, неподвластных обычным компьютерам, заставило искать новые возможности. И, как альтернатива обычным компьютерам, появился квантовый. Квантовый компьютер - это вычислительная техника, в основу действия, которой положены элементы квантовой механики. Основные положения квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Ее появление позволило решить многие задачи физики, которые не находили решения в классической физике.

Хотя теория квантов уже насчитывает второе столетие, она по-прежнему остается понятной только узкому кругу специалистов. Но есть и реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли – лазерная техника, томография. А в конце прошлого века была разработана теория квантовых вычислений советским физиком Ю. Маниным. Через пять лет Дэвид Дойч обнародовал идею квантовой машины.

Существует ли квантовый компьютер?

Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:

1. D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
2. IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
3. Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
4. В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
5. В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.

Чем отличается квантовый компьютер от обычного?

Принципиальное отличие квантового компьютера в подходе к процессу вычисления.

1. В обычном процессоре все вычисления строятся на основе битов, бывающих в двух состояний 1 либо 0. То есть, вся работа сводится к анализу огромного количества данных на предмет соответствия заданным условиям. В основу квантового компьютера положены кубиты (квантовые биты). Их особенностью является возможность быть в состоянии 1, 0, а также одновременно 1 и 0.
2. Возможности квантового компьютера значительно возрастают, так как нет необходимости искать нужный ответ среди множества. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной долей вероятности соответствия.

Для чего нужен квантовый компьютер?

Принцип квантового компьютера, выстроенный на выборе решения с достаточной долей вероятности и способность находить такое решение в разы быстрее, чем современные компьютеры, определяет и цели его использования. Прежде всего, появление такого вида вычислительной техники беспокоит криптографов. Это связано со способностями квантового компьютера с легкостью вычислять пароли. Так, самый мощный квантовый компьютер, созданный российско-американскими учеными, способен получить ключи к существующим системам шифрования.

Есть и более полезные прикладные задачи для квантовых компьютеров, они связаны с поведением элементарных частиц, генетикой, здравоохранением, финансовыми рынками, защитой сетей от вирусов, искусственным интеллектом и множеством других, решить которые пока не могут обычные компьютеры.

Как устроен квантовый компьютер?

Устройство квантового компьютера базируется на применении кубитов. В качестве физического исполнения кубитов в настоящее время используются:

• кольца из сверхпроводников с перемычками, с разнонаправленным током;
• отдельные атомы, под воздействием лазерных лучей;
• ионы;
• фотоны;
• разрабатываются варианты использования нанокристалов полупроводников.

Квантовый компьютер - принцип работы

Если с классическим компьютером в работе есть определенность, то на вопрос, как работает квантовый компьютер, ответить непросто. Описание работы квантового компьютера основывается на двух малопонятных для большинства словосочетаниях:

• принцип суперпозиции – речь о кубитах, способных находиться одновременно в позиции 1 и 0. Это позволяет вести одновременно несколько вычислений, а не перебирать варианты, что дает большой выигрыш во времени;
• квантовая запутанность – феномен, отмеченный еще А. Эйнштейном, заключающийся во взаимосвязи двух частиц. Говоря простыми словами, если одна из частиц имеет положительную спиральность, то вторая моментально принимает положительную. Такая взаимосвязь происходит вне зависимости от расстояния.

Кто изобрел квантовый компьютер?

Основа квантовой механики была изложена еще в самом начале прошлого века, как гипотеза. Развитие ее связано с такими гениальными физиками, как Макс Планк, А. Эйнштейн, Поль Дирак. В 1980 г. Ю.Антонов предложил идею о возможности квантовых вычислений. А уже через год Ричард Фейнеман в теории смоделировал первый квантовый компьютер.

Сейчас создание квантовых компьютеров в стадии разработок и даже трудно предположить, на что способен квантовый компьютер. Но абсолютно ясно, освоение этого направления принесет людям много новых открытий во всех областях науки, позволит заглянуть в микро и макромир, узнать больше о природе разума, генетики.

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?

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 (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.

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

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

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

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.