Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен.
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 Emc2 (Е обозначает энергию, m — массу, а c — скорость света) 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.
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.
Наиболее известным квантовым алгоритмом является алгоритм Шора (придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.), который нацелен на решение задачи разложения чисел на простые множители (задача факторизации, дискретного логарифма). Казалось бы, что в этом сложного и зачем для решения такой задачи нужен квантовый компьютер? Мы все без труда раскладываем на простые множители числа вида 15 3*5, 55 5*11, 91 13*7 и т. д. Но можете ли вы разложить на два простых множителя число 853, или 13297, или 99487? Уже не так просто, правда? Но если написать программу для компьютера, то он довольно быстро найдет исходные множители простым перебором (или другим, более сложным алгоритмом). А если в числе будет не 5 знаков, а, хотя бы, 100? С такой задачей не могут справиться и самые современные компьютеры — на это у них уйдет от нескольких десятков до нескольких миллионов лет в зависимости от длины числа.
А вот квантовые компьютеры, исполняя алгоритм Шора, должны справляться с этой задачей за считанные секунды. По крайней мере, в теории. На практике удастся проверить только тогда, когда будет создан первый полноценный квантовый компьютер, оперирующий парой тысяч кубитов. Кстати, пару лет назад ученые исполнили алгоритм Шора на квантовом процессоре из 3-х кубитов.
Почему же задача факторизации чисел так важна? Дело в том, что многие из современных протоколов, обеспечивающих защищенную передачу данных (например, при совершении банковских операций), используют вычислительную сложность этой задачи для генерации секретного ключа, который применяется для шифрации-дешифрации сообщений. С созданием квантового компьютера эти системы в мгновение ока перестанут быть сколь либо секретными и безопасными.
Существуют и другие квантовые алгоритмы, сулящие немалую выгоду в решении сложных для классических компьютеров задач, например, алгоритм Гровера, который легко осуществляет быстрый поиск информации в неупорядоченных базах данных. Кроме того, с помощью квантового компьютера возможно решение многих трудоемких математических задач (задач оптимизации), например, известную задачу коммивояжера.
Не стоит также забывать и об изначальном видении знаменитого физика Ричарда Фейнмана — использовании квантового компьютера для моделирования физической реальности с учетом ее квантовой природы. Это направление сулит большие перспективы, т.к. станет возможным моделировать новые материалы с заданными свойствами или сложные лекарственные соединения в сотни раз быстрее, точнее и дешевле.
Одним из альтернативных направлений использования сверхпродящих кубитов является создание на их основе квантовых метаматериалов — массивов искусственных «атомов», способных особым образом без потерь энергии преломлять проходящее через них электромагнитное излучение. Сверхпроводящие кубиты также являются прекрасным инструментом для высокоточных квантовых измерений и создания так называемой «квантовой оптики на чипе» (где кубиты используются в качестве источников и детекторов единичных фотонов).
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.