Квантовый компьютер вместо мозга?

Мир на пороге очередной квантовой революции. Первый квантовый компьютер будет мгновенно решать задачи, на которые самое мощное современное устройство сейчас тратит годы. Какие это задачи? Кому выгодно, а кому угрожает массовое использование квантовых алгоритмов? Что такое суперпозиция кубитов, как люди научились находить оптимальное решение, не перебирая триллионы вариантов?До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.

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

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

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

Ричард Фейнман

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Квантовые компьютеры нужны не для проверки электронной почты или блужданий по интернет-пространству — сфера их применения лежит в области сложнейших физических и математических экспериментов и вычислений. Даже наука пока не представляет себе всех возможностей этого удивительного творения человеческого разума. Вот несколько интересных фактов о квантовых компьютерах.

1. Квантовое волшебство

В мире микроскопических частиц не действуют правила, привычные для объектов, которые мы можем увидеть невооружённым взглядом.

Квантовые частицы могут проявлять совершенно фантастические свойства, например, существовать в двух местах одновременно, путешествовать во времени и даже совершать пространственные скачки, то есть телепортироваться. Учёные исследуют многие из удивительных явлений микроскопического мира, но пока могут объяснить далеко не всё.

2. Никто не знает, что происходит внутри квантового компьютера

Один из основных принципов квантовой механики и науки в целом гласит, что акт наблюдения влияет на развитие событий. Несовершенство измерительной аппаратуры не позволяет корректно исследовать процессы, в которых участвуют элементарные частицы — наблюдение неизбежно приводит к изменению их свойств и полученные при этом данные теряют свою научную ценность.

3. Единица информации в квантовых компьютерах называется кубит

В обычных персональных компьютерах при вычислениях используются биты, которые могут содержать одно из двух значений — ноль или единицу. В компьютере же, использующем принципы квантовой механики, единицей информации служат так называемые кубиты, которые также могут иметь два положения, но есть у них и третье — одновременно 1 и 0.

Это значит, что один и тот же набор кубитов может иметь несколько различных значений, например, два кубита в суперпозиции представляют собой четыре возможные ситуации: 0–0, 1–0, 0–1, 1–1.

4. Квантовый компьютер гораздо производительнее обычного ПК

С помощью квантовых вычислений можно быстро решать проблемы оптимизации, на которые у простого компьютера ушло бы огромное количество времени.

Классическим примером такой проблемы является так называемая «Задача коммивояжёра»: есть множество городов, каждый из которых необходимо посетить, и при этом требуется выбрать кратчайший путь. На прокладку такого маршрута у квантового компьютера уходят считанные секунды, потому что вычислительные единицы могут принимать сразу несколько значений, что позволяет быстро перебрать все варианты решения.

5. Квантовые вычисления могут открыть параллельные Вселенные

Некоторые исследователи говорят о том, что удивительное свойство кубитов иметь несколько положений может послужить ключом для открытия дверей в другие Вселенные.

В теоретической физике существует несколько гипотез о бесконечном количестве альтернативных реальностей, и кое-кому из учёных пришла в голову мысль, что квантовые вычисления заключаются в распределении компонентов сложных задач между параллельными мирами. Это объясняет, как кубиты могут иметь несколько значений одновременно.

6. У квантового компьютера есть кое-что общее с обычным

В поисках оптимального решения задач квантовый компьютер опирается на те же самые математические инструменты, что и обычный ПК. Это касается базовых арифметических операций — умножения, сложения и т. д.

7. Став доступными, квантовые компьютеры совершат революцию в шифровании данных

Кроме задач по оптимизации, квантовые вычисления могут применяться и во многих других целях. Например, в будущем они наверняка перевернут представление о шифровании данных и компьютерной безопасности: квантовые компьютеры будут использоваться для создания кодов, которые практически невозможно взломать, и сверхзащищённых каналов связи.

8. Для нормального функционирования квантовым компьютерам нужен холод

Абсолютный нуль, или 0 К, — это самая низкая температура, которую может иметь физическое тело. При достижении абсолютного нуля атомы прекращают колебания и перестают выделять тепло — такие условия для квантовых вычислений близки к идеальным. Например, внутри квантового компьютера, разработанного компанией D-Wave Systems, поддерживается температура 0,02 К, или -273,13°С.

9. Квантовые компьютеры быстрее, чем вы можете себе представить

Кэтрин Макгиох, профессор университета Амхерста, сравнила скорость обычного компьютера и квантового.

Решив одну и ту же задачу на каждой из машин, она пришла к выводу, что невозможно точно сказать, насколько квантовый компьютер быстрее — скорость решения задачи на том и на другом отличалась в несколько тысяч раз.