Настоящее и будущее квантовых компьютеров

«Производительность вычислительных устройств удваивается каждые 18-24 месяца». Это так называемый закон Мура, который соблюдается уже более ста лет. Но, как показывает практика, раз есть правило — значит, должно быть и исключение. Исключение кроется в том, что в ближайшей перспективе будет достигнут предел развития классических компьютеров.

Уже сегодня процессоры создаются по 0,1-микронной технологии. Такими темпами лет через десять размеры компонентов полупроводниковых приборов приблизятся к размерам атомов. Дальнейшее совершенствование компьютеров «вглубь», как это происходит сейчас, станет невозможным, а повышение производительности будет достигаться за счет увеличения размеров вычислительной техники. Таким образом, правило Мура перестанет действовать, так как для его соблюдения пришлось бы каждые два года увеличивать размеры процессоров и модулей памяти вдвое.

«Кто владеет информацией — тот владеет миром»

Фраза эта, приписываемая Уинстону Черчиллю, сегодня обретает особое значение и особый вес. Современное общество построено на информационных технологиях и сопутствующей им вычислительной технике. Компьютер — универсальный инструмент, который нынче используется во всех сферах человеческой жизни. Это основа, без которой уже немыслима наука и банковское дело, обучение и средства коммуникации, исследования космоса и промышленность.

Однако потребности человечества ставят перед вычислительной техникой все более сложные задачи, с которыми классический компьютер (даже самый мощный) зачастую или вовсе не может справиться в силу особенностей «мышления», или должен потратить на поиск решения столько времени, что Солнце успеет превратиться из желтого карлика в белого.

Особенно этим фактом недовольны ученые. Еще бы: для завершения важного исследования нужно запустить вычислительный эксперимент на специальном компьютере, а потом состариться и умереть, при этом зная, что результата дождутся в лучшем случае внуки, а в худшем — эксперимент был вообще поставлен неверно. А ведь полно ситуаций, когда смоделировать процесс нереально в принципе. Так, ученые пришли к неутешительному выводу о невозможности на практике рассчитать состояние эволюционной системы, состоящей из всего нескольких десятков частиц. Казалось бы, все карты на руках: есть уравнение эволюции, известны (с достаточной степенью точности) потенциалы взаимодействия частиц и их начальное состояние. Тем не менее вычислить, что станет с системой в будущем, при помощи современных средств невозможно, даже если имеется суперкомпьютер, число бит в оперативной памяти которого превышает число атомов в обозримой Вселенной. Объясняется это тем, что для полного описания такого процесса необходимо держать в памяти экспоненциально большое (в зависимости от числа взаимодействующих частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Будь каждый атом Вселенной битом, этого объема памяти все равно было бы недостаточно для точного моделирования развития системы.

Всяческие разведки и спецслужбы опечалены иной печалью. Современные алгоритмы криптографии обеспечивают столь высокую степень сохранности информации, что на взлом зашифрованного послания суперкомпьютер потратит много лет. За это время шифровка потеряет всякую актуальность, как говорится, «проиграем мы войну». Да, времена, когда шифровальную машину Enigma мог взломать один человеческий гений, безвозвратно прошли.

Именно на этом принципе основана надежность наиболее популярных алгоритмов шифрования, таких как RSA. Наиболее просто и наглядно его можно представить так: пусть есть два числа А и В — это т.н. «закрытые ключи», которые хранятся в секретном месте (под подушкой на флэшке). Добыть эти ключи сложно или вовсе невозможно. А вот произведение этих двух чисел — C — открытый ключ, который реально перехватить. Получается, что зная закрытый ключ, можно легко получить открытый. Но вот с обратной задачей дела обстоят несколько сложнее. Чтобы из открытого ключа C получить закрытый ключ, требуется факторизация (разложение на простые множители). На классическом компьютере такая задача в принципе решается. Однако при достаточно большом числе С она займет столько времени, что зашифрованная информация десять раз потеряет актуальность. Например, факторизация 155-значного числа на современном компьютере затянется на 35 лет.

Все это — капли в море нерешаемых, но важных задач. На очереди инженеры и технологи с моделированием процессов взаимодействия частиц в грунте, врачи и генетики с исследованиями мозга и ДНК, банкиры и трейдеры с проблемами обеспечения безопасности информации и т.д.

Поэтому, а также по причине собственной неугомонности, ученые по всему миру ищут способы создания принципиально новой вычислительной машины. Наиболее известные разработки в этой области — это биокомпьютер, нанокомпьютер и квантовый компьютер. Первый вариант родился на стыке генетики и молекулярной физики. Идея, безусловно, интересная и заслуживающая внимания, но вот с практической реализацией пока туго. Да и от мысли о том, как будут выглядеть вирусы для такой вычислительной машины, как-то передергивает. Второй вариант — это очередное склонение навязшей в зубах приставки «нано». По сути, те же классические компьютеры, только очень маленькие, так что ничего революционного. А вот о третьем варианте стоит поговорить поподробнее.

Бог из кванта

Сегодня работы над квантовым компьютером ведутся сразу в нескольких крупнейших корпорациях, занимающихся изготовлением «железа» и программного обеспечения. Это IBM, ATT, Microsoft, Intel, а также огромное количество ученых и целых НИИ, как за рубежом, так и на просторах нашей необъятной родины. И если до создания полноценной вычислительной машины еще далеко, то сами принципы квантовой механики уже давно и успешно применяются и работают в современной электронике. По словам сотрудника лаборатории «Физика квантовых компьютеров» ФТИАН Игоря Семенихина, «...нам не известны физические законы, которые запрещали бы создать квантовый компьютер». Одним словом, работы ведутся, регулярно проходят семинары, пачками выпускаются научные публикации, ставятся эксперименты и даже создаются первые образцы вычислительных устройств — прообразы будущего квантового компьютера. Это неудивительно — очень уж заманчивые перспективы открываются перед исследователями.

Главное преимущество квантового компьютера перед классическим — беспрецедентное быстродействие при решении ряда задач. Благодаря своему строению квантовый компьютер обладает рядом практически волшебных свойств, обеспечивающих качественно новый уровень вычислений и хранения информации.

Приведу простой пример. Как известно, классический компьютер оперирует информацией, состоящей из мельчайших частиц — битов, представляющих собой соответственно или 0 (основное базисное состояние), или 1 (не основное базисное состояние). Таким образом, данные — это определенная последовательность нулей и единиц, так называемый классический регистр. Квантовый компьютер оперирует так называемыми кубитами — квантовыми битами (quantum bit, qubit).

Классический бит может принимать только два состояния — 0 или 1. Третьего не дано. А вот кубит может быть наполовину 1 и наполовину 0. Он может быть с вероятностью в 34% — ноль, и 66% — единица. Но самое интересное — это так называемая суперпозиция, когда состояние кубита выражается комбинацией всех возможных значений. То есть 8 классических бит в конкретный момент времени могут находиться только в одном состоянии, например 10010110. А вот для 8 кубит базисным состоянием будут все 256 возможных вариаций, от 00000000 до 11111111. Причем одновременно. Таким образом, одна (!) операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые эта группа может принимать. Если сравнить скорость разложения на простые множители числа, состоящего из 155 знаков, то современный классический компьютер, как уже говорилось выше, справится за 35 лет. Квантовый же компьютер, собранный на основе всего лишь 512 кубит, потратит на это всего несколько секунд.

Такое потрясающее быстродействие достигается за счет так называемого «квантового параллелизма». Суть этого явления в следующем. Предположим, что существует классический регистр, состоящий из N бит. При этом воздействие на регистр (т.е. вычислительная операция) даже в идеале способно изменить его не более чем N переменных. На практике количество одновременно изменяемых бит упирается в возможности процессора. Квантовый же компьютер, состоящий из N кубит, способен выполнять 2N операций, причем одновременно!

Конечно, создание вычислительной машины на основе 512 кубит — это дело будущего, причем неопределенно далекого. Может, это случится через полгода, а может — через 50 лет, пока сказать сложно. Наибольший существующий компьютер насчитывает 7 кубит. Также есть сведения о создании канадской фирмой D-Wave 16-кубитной машины Orion в феврале 2007 года. Однако существование этого компьютера уже не раз подвергалось сомнениям вследствие общей размытости информации, предоставленной научной общественности. Впрочем, это не главное. Основная причина недоверия — фантастичность заявленных компанией результатов. Представители D-Wave утверждают, что в созданную ими вычислительную машину заложена возможность легкого увеличения количества кубит. Таким образом, компания планирует во втором квартале 2008 года «проапгрейдить» Orion до тех самых 512 кубит, а к концу года — и до 1024! Как говорится, слишком хорошо, чтобы быть правдой. Но возможно все.

Теория и практика

Основной частью квантового компьютера является регистр, состоящий из некоторого числа кубит. Процесс вычислений заключается в операциях, производимых над регистром, переводящих его из одной суперпозиции базисных состояний в другую.

Если упрощать, то весь процесс вычисления сводится к трем операциям. Сначала происходит инициализация (подготовка начального состояния), во время которой все кубиты переводятся в основное базисное состояние — 0. Далее осуществляется ввод информации. При этом регистр переходит в суперпозицию базисных состояний, выражающую с разной степенью вероятности любую комбинацию нулей и единиц в пределах имеющегося количества кубит. Следующий этап — обработка информации квантовым процессором. При этом над регистром выполняется ряд логических операций, вследствие чего он принимает новое квантовое состояние (по сути — та же суперпозиция, выражающая любую комбинацию нулей и единиц, но с другими вероятностями), что и является результатом вычислений.

Так выглядит рабочий узел пресловутого квантового компьютера фирмы D-Wave

Квантовый компьютер может быть реализован сразу на нескольких вариантах элементной базы. Если такое положение дел сохранится, то в будущем пользователи будут козырять не фразами «у меня Intel на 0,11-микронной технологии!» или «поставил новый проц от AMD», а «попробовал ионный процессор — отличная штука!» или «а у меня твердотельный ЯМР».

Так выглядит рабочий узел квантового компьютера изнутри. Температура процессорной зоны должна быть близка к абсолютному нулю, для чего ее погружают в жидкий гелий. Разумеется, до бытовых «персоналок» этому монстру еще долго эволюционировать

А это — его сердце, квантовый чип Orion. Создатели уверяют, что сегодняшний Orion — 16-кубитный, и в 2008 году обязуются проапгрейдить его до заветных 512 кубит

Принципиальная разница заключается в физическом воплощении самих ячеек информации — кубит. При этом существенно отличаются и способы представления их базисных состояний. Например, они могут определяться направлением спина атомного ядра (вверх — 0, вниз — 1), направлением течения тока в микроскопическом сверхпроводящем кольце, находящимся в электромагнитном поле (по часовой стрелке — 0, против часовой стрелки — 1), состоянием ядра (основное — 0, возбужденное — 1), а также поляризацией фотона (здесь множество вариантов, поскольку есть три типа поляризации, и в каждом из них возможно зашифровать основное и не основное базисные состояния кубита) и т.д.

Таким образом, квантовая система может быть реализована на основе как вполне «обозримой» элементной базы (например, сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, бозе-газ), так и на микроскопическом уровне. Собственно, выбор технологии на сегодняшний день определяется двумя критериями: научный интерес (принципиальная возможность реализации) и практическая необходимость (принцип максимальной эффективности при минимальных затратах). При этом оптимальный вариант еще не определен.

Реализация каждой схемы в настоящее время связана с серьезными трудностями.

Например, возьмем (условно говоря) квантовый компьютер, построенный на ионах кальция. Эта схема признана эффективной и работоспособной, и уже не раз была реализована. Тем не менее ее практичность оставляет желать лучшего, ведь для работы такой вычислительной машины требуются сверхнизкие температуры. Ионы кальция охлаждают до температуры -273,15 градусов Цельсия и помещают в так называемую магнитную ловушку. Это своеобразная вакуумная камера с системой из нескольких электродов, создающих электромагнитное поле, которое удерживает частицы на своих местах. Ионы располагаются вдоль одной прямой, на расстоянии, допускающем их взаимодействие друг с другом. Таким образом выстраивается квантовый регистр. Операции над ионами-кубитами осуществляются при помощи точечного облучения лазером с определенной длиной волны. Такое воздействие переводит частицу из основного состояния в возбужденное, т.е. неустойчивое, характеризующееся наличием избыточной энергии. Магнитная ловушка находится под углом к излучателю, поэтому лазерный луч, направленный на один ион-кубит, изменяет и соседние, а за счет взаимодействия ионов изменяется вся система в целом. Логические операции осуществляются специально подобранной последовательностью лазерных импульсов определенной длительности.

Для считывания информации ученые придумали весьма остроумную систему. Дело в том, что ион кальция, благодаря удачному расположению энергетических уровней, при воздействии лазера сам излучает свет (явление флуоресценции). Причем только в том случае, если он находится в основном состоянии. При облучении в возбужденном состоянии флуоресценция не наблюдается. Таким образом, состояние каждого иона-кубита может быть определено «визуально» — при помощи специальной цифровой камеры, настроенной на определенную длину волны. Конечно, многие технические решения этой системы заставляют задуматься над выражением «микроскопом гвозди забивать». Однако прогресс тоже не стоит на месте, и уже сегодня создаются коммерческие версии квантовых систем, а общий ажиотаж вокруг этой темы позволяет с уверенностью сказать, что в ближайшее время исследования квантовых вычислительных систем не будут заброшены.

Криптография и квантовая запутанность

«Почему все схватились за квантовые компьютеры? Тот, кто сможет взламывать алгоритм RSA, будет править миром» — эта фраза, сказанная в шутку профессором физики ЯГТУ Леонидом Кокуриным, на самом деле скрывает в себе глубокий смысл.

RSA — это основа основ современной криптографии. Этим алгоритмом пользуются банки, строительные и инвестиционные компании, производители программного обеспечения, простые пользователи, желающие сохранить в тайне переписку, спецслужбы и вообще все кому не лень. На сегодняшний день фирма RSA Data Security Inc. продала уже более 450 миллионов лицензий.

Однако совершенствование вычислительной техники — это прямая угроза сохранности информации. Если пять лет назад надежным считался ключ в 256 бит, то на сегодняшний день 512 бит — это разумный минимум. Отчасти поэтому деловая общественность заинтересована в исследованиях в области квантовых компьютеров (и не стесняется вкладывать в это деньги). Квантовый компьютер может запросто щелкать RSA-шифры, но это дополнительная «конфетка». На самом деле главное его преимущество в этой области заключается в том, что можно создать системы шифрования, которые в принципе невозможно взломать никому и никогда. Звучит захватывающе, правда?

Сегодня реализуются на практике квантово-криптографические системы, обеспечивающие абсолютную защиту информации от прослушивания. Принцип работы основывается не на математических методах защиты, а на самой физике информации. Так, процесс отправки и приема сообщений может осуществляться при помощи электронов в электрическом токе или фотонов в линиях оптоволоконной связи. При этом перехватить сообщение, не изменив его, т.е. не превратив в бессмыслицу, невозможно. На сегодняшний день уже существует несколько сетей, обеспечивающих стопроцентную защиту информации. Естественно, речь идет о защите во время передачи данных, поскольку, разумеется, при помощи нехитрых приспособлений вроде утюга, паяльника и диска группы «Руки вверх» можно получить все необходимые данные «из первых рук».

Так, существует система на основе оптоволоконной сети, посылающая зашифрованные ключи на расстояние до 100 км. Сопутствующие аппаратные средства и программное обеспечение, необходимое для функционирования системы, от производителя MagiQ Technologies (Нью-Йорк) можно приобрести. Подобная сеть развернута в Бостоне — это полнофункциональная 17-километровая сеть из 10 узлов, работающая на благо нескольких коммерческих компаний. Кстати, сама компания MagiQ Technologies была создана на средства крупных финансовых организаций, как вложение в будущую безопасность информации. В Австрии создана квантово-криптографическая система, связывающая венский муниципалитет и штаб-квартиру Австрийского банка (расстояние 1,45 километра). В Японии фирма NEC в 2006 году выпустила на рынок систему, способную по оптоволокну передавать шифрованные сообщения на рекордные 150 км. А вот компания QinetiQ, базирующаяся в Англии, предлагает систему, способную передавать ключи прямо через атмосферу на расстояния до 10 км. Первым пользователем этого новшества стала компания BBN Technologies в США. К сожалению, мало что известно о подобных сетях в России — достоверной информации о том, что квантово-криптографические системы применяются у нас в стране, просто нет. Есть только непроверенные слухи, утверждающие, что подобная сеть действует для обеспечения правительственной связи.

Принцип работы квантово-криптографических систем основан на так называемой «запутанности» или когерентности фотонов или электронов (в зависимости от носителей информации). Это явление, при котором квантовое состояние двух или более объектов описывается во взаимосвязи друг с другом, даже если они разнесены в пространстве. И изменение одного объекта приводит к изменению всей системы в целом, причем мгновенно (именно за это качество Альберт Эйнштейн тихо ненавидел квантовую физику). В квантово-криптографических системах запутанность обеспечивает абсолютную защиту информации от постороннего доступа. При попытке перехвата данных когерентность объектов тут же нарушается.

В квантовых компьютерах «запутанность» также является основным рабочим ресурсом. Именно благодаря этому свойству достигается суперпозиция кубитов и, как следствие, экспоненциально большее число хранимой и обрабатываемой информации, чем в классических битах.

Квантовая информация

Итак, если в классическом компьютере количество хранимой информации растет линейно в зависимости от количества бит, то в квантовом — экспоненциально. Если выразить математически, получится примерно следующее. Пусть I — количество информации, N — количество бит, а Q — количество кубит. Тогда для классического компьютера I = N, а для квантового I = 2Q.

Простой пример: в классическом компьютере два бита — это вдвое больше информации, чем в одном бите. 8 бит — соответственно, в 8 раз больше. В квантовой вычислительной машине 2 кубита — это уже в 4 раза больше информации, чем в одном. А 8 кубит — это в 128 раз больше.

Тут возникает интересный момент. Математически нетрудно написать формулу для сравнения классического компьютера и квантового. Это будет N = 2Q. Из этого следует, что если есть квантовый компьютер, например, с 512 кубитами, то его классический аналог, равный по количеству хранимой информации, должен иметь на борту 2512 = 10355 бит. Ну, или 125х10347 Гбайт. Для сравнения, число атомов в обозримой части Вселенной насчитывает «всего лишь» 1080.

При этом 512 кубит не могут хранить информацию, которую вмещает всего лишь 1024 бит! Дело в том, что благодаря явлению суперпозиции 512 кубит — это одновременно все возможные сочетания 512 нулей и единиц. Не меньше, но и не больше. Таким образом, информация, запросто выражающаяся 1024 битами, уже «не пролезает». Это как если бы у вас был компакт-диск, на котором вместо классических битов — кубиты. 650 «мегакубайт». На этом диске хранятся одновременно все CD, которые были, есть и еще только будут созданы, плюс просто сочетания нулей и единиц, не являющиеся осмысленной информацией. Но несмотря на то, что это — бесконечно огромное количество данных, там не может быть ни одного файла, объем которого превышает 650 мегабайт.

Конечно, существует масса способов разбиения данных на куски. Таким образом, если есть квантовый модуль памяти и классическое запоминающее устройство номинально большего объема, то нетрудно «разархивировать» нужный файл, сохраняя его части на обычный жесткий диск. Примерно так, возможно, и будет выглядеть в будущем вычислительное устройство — гибрид квантового и классического компьютера.

Квантовый Интернет

Сегодня квантовая «запутанность» не используется для передачи информации как таковой. Она только обеспечивает безопасность передаваемых сообщений. Однако в перспективе, возможно, будет создана своеобразная сеть, аналог современного интернета, в которой станет в полную силу использоваться такое явление как квантовая телепортация. Смысл его заключается вот в чем: если есть две «запутанные» частицы, сколь угодно далеко разнесенные в пространстве, то изменение одной из них приведет к мгновенному изменению второй.

Реализуется это примерно так. Есть два «запутанных» кубита, один, скажем, в Москве — А, второй в Нью-Йорке — В. Отправитель, находящийся в столице нашей необъятной родины, «запутывает» кубит А с еще одним кубитом информации. Теперь отправитель совершает измерение (по сути — запись данных) над этой системой. При этом кубит, находящийся Нью-Йорке, переходит в некое новое состояние. Физики это называют «коллапсирует». Слово «коллапс» вообще означает быстрое сжатие. В данном случае имеется в виду, что из потенциального множества состояний кубит В переходит в какое-то одно. В этот момент и осуществляется передача квантовой части информации. При этом объем переданных данных равен объему, записанному в исходной системе, и может быть сколь угодно большим. Однако восстановить переданную информацию пока невозможно, так как для получателя кубит В по-прежнему находится сразу во множестве состояний. Тогда отправитель высылает по классическому каналу результат своих измерений (всего два бита информации!). Из законов квантовой механики следует, что имея результат измерения, проведенного над парой кубитов отправителем, и запутанный с А кубит B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием кубита В и получить свою информацию.

Квантовая телепортация уже неоднократно осуществлялась в лабораториях, и, возможно, в будущем этот способ передачи данных сможет полноценно дополнить существующие. Представьте себе, что, приняв через интернет (или аналогичную классическую сеть) всего два бита информации, вы получаете сразу все собрание сочинений Пушкина, новый фильм или экспериментальные данные с орбитальной станции...

Будущее и настоящее

Современный мир — это бесконечное множество информации, потоки нулей и единиц, несущиеся по радиоканалам, оптоволоконным линиям, телефонным сетям. Сегодня возможно посмотреть снимок любой точки планеты из космоса, пообщаться с человеком, находящимся за тысячи километров, прочитать практически любую из известных книг, за пару секунд произвести сложнейшие вычисления, купить ретроавтомобиль на аукционе в другой части мира. Все это и бесконечное множество других возможностей обеспечивает компьютер и информационные сети. Квантовые компьютеры, по самым скромным прогнозам, позволят заглянуть за грань невозможного. Например, создать искусственный разум, о котором уже столько лет бредят фантасты, или, скажем, смоделировать Вселенную — целиком, до последнего атома.

Но это дела неопределенного будущего. Сегодня скептики наперебой твердят, что квантовый компьютер — просто утопия. За 20 лет придумано всего два рабочих алгоритма для подобной вычислительной машины. Все созданное человечеством на протяжении его истории имеет какой-либо аналог в природе, аналог же квантового компьютера неизвестен. В настоящее время экспериментальные вычислительные машины, даже насчитывающие всего лишь несколько кубит, представляют собой огромные установки, функционирующие при температурах, близких к абсолютному нулю. Домой такую штуку, пожалуй, не притащишь.

Однако первые классические компьютеры тоже были не подарок. При весьма скромной вычислительной мощности они жрали энергию, как средних размеров завод, и требовали огромного штата обслуживающего персонала. А теперь компьютер стоит практически в каждом доме, и по возможностям запросто заткнет за пояс первых ламповых монстров, которые только и умели, что рассчитывать траекторию полета баллистических ракет...

Ежегодно в исследования квантовых компьютеров вкладываются миллиарды, работы ведутся крупнейшими учеными и специалистами, которые свято верят в возможность создания такой вычислительной машины. А ведь по законам квантовой механики сознание определяет бытие! Так что никуда от нас квантовый компьютер не денется.

Автор благодарит за помощь в создании материала доктора физико-математических наук профессора Леонида Викторовича Кокурина.

ОПТИЧЕСКИЙ КУБИТ

Представить, что такое состояние суперпозиции кубита, можно на примере так называемых кубов Неккера — известной оптической иллюзии, впервые замеченной в XIX веке швейцарским кристаллографом Луисом Альбертом Неккером (Necker).

Кубы на этом изображении пребывают сразу в четырех состояниях: оба куба находятся перед воображаемой плоскостью, оба куба находятся за ней, один куб находится ближе к нам, второй — за ним, и наоборот. Но, когда мы смотрим на них, мы можем выделить только одну из позиций, чтобы увидеть кубы в другом состоянии, придется посмотреть на них еще раз, как-то иначе скосив глаза. Получается, что все четыре состояния существуют, однако когда мы осуществляем «визуальное сканирование», реальным становится только одно.

Собственно, это и есть квантовая суперпозиция. Квантовые частицы (кубиты) находятся в конкретном состоянии только тогда, когда мы за ними «подглядываем» (или, выражаясь научным языком, производим постоянное измерение их состояния). Все остальное время они пребывают в состоянии суперпозиции, то есть одновременно находятся сразу в нескольких состояниях (позициях).






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.