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

25-09-2017, 16:25

В сегодняшней статье мы не станем рассматривать ни хитросплетений событий прошлого, ни паранаучных извращений настоящего. Сегодня мы с вами попробуем заглянуть в будущее.

Флагманской темой разговоров о будущем нередко становится вопрос технологий - и, надо отметить, абсолютно заслужено. Из всех факторов, оказывающих влияние на движение шестеренок исторического процесса, наиболее сильным можно назвать именно динамику изменения технологического уклада. Жертвами постепенного внедрения новых технологий и внезапной утраты смысла в старых на протяжении истории становились как социальные институты, так и целые империи, а в ряде случаев - и вовсе цивилизации. В силу этого желание встретить новую порцию изменений подготовленными выглядит более чем закономерным.

Но при этом нельзя не отметить, что современная технологическая футурология в значительной мере поражена эмоционально обусловленным визионерством достаточно дурного пошиба. Такого, где качество прогнозирования оказывается менее приоритетным, чем желание ошеломить и восхитить аудиторию стильным образом демонстративно-высокотехнологичного будущего. Дело, наверное, в том, что подобного рода футурология носит не столько фундаментальный, сколько прикладной характер, обслуживая скорее задачи маркетинга здесь и сейчас, нежели потребность в понимании образа будущего когда-нибудь потом. Из-за этого бытуют изрядно примитивизированные представления, что будущее - это когда:
1. всё стильное, округлое и преимущественно белого цвета (покойный Стив Джобс и Apple);
2. всё электрическое, повторно используемое и экологичное (Илон Маск и его империя из SpaceX, Tesla и SolarCity);
3. всё кибернетизированное, искусственно-интеллектовое и с заявками на модификацию человеческой природы (Рэй Курцвейл и Google, редкий случай, когда лицо образа будущего не является первым лицом в компании);
4. произвольная комбинация из вышеперечисленных пунктов (среднестатистический подписчик любого паблика на научно-технические темы).

В чем проблема перечисленных вариантов будущего, каким мы его видим из сегодняшнего дня? В том, что собственно вариантов будущего они толком и не содержат. Все перечисленное в лучшем случае пригодно на правах описания эстетики какой-нибудь научно-фантастической франшизы, кусочек которой аудитории и предлагается купить в виде продукции соответствующей компании. Перечисленные варианты достаточно бедны в части описания реальных проблем и решений, а те, что всё-же присутствуют - обтекаемы и, мягко выражаясь, небесспорны.

Здесь, казалось бы, напрашивается фраза "а сейчас я покажу вам настоящую качественную футурологию". Её, однако, не будет. Подобное утверждение было бы слишком смелым и самонадеянным. Вместо этого давайте просто рассмотрим один отдельно взятый технологический вопрос, который будет касаться перспектив развития компьютерной элементной базы. А насколько качественно получится - судить, уважаемые читатели, в первую очередь именно вам.

Относительно недавно главой государства был предложен курс на выстраивание цифровой экономики. Многими это было воспринято, как предложение сделать IT-сектор локомотивом российской экономики, выражаясь образно, "новой нефтью". Что не совсем корректно и, откровенно говоря, сводит предлагаемую концепцию к банальному популизму. Сами по себе информационные технологии никаким локомотивом быть не способны, поскольку не создают ничего материального, а только помогают это материальное обслуживать и эксплуатировать. IT-сектор попросту не может существовать без развития автоматизируемых им иных отраслей. Кое-кто даже покритиковал данную инициативу с этих позиций. Но справедливо ли?

Чтобы не оперировать упрощенными моделями, домыслами и сферическими конями в вакууме, обратимся к первоисточнику. То есть, непосредственно к тексту программы "Цифровая экономика Российской Федерации", утвержденной распоряжением Правительства № 1632-р от 28 июля 2017 г.

"Основными сквозными цифровыми технологиями, которые входят в рамки настоящей Программы, являются:
- большие данные;
- нейротехнологии и искусственный интеллект;
- системы распределенного реестра;
- квантовые технологии;
- новые производственные технологии;
- промышленный интернет;
- компоненты робототехники и сенсорика;
- технологии беспроводной связи;

- технологии виртуальной и дополненной реальностей."

Как видим, речь не только и не столько об IT-секторе. Особенного же внимания в контексте нашего разговора об образе будущего заслуживает такой пункт данного перечня, как "квантовые технологии". Из всех перечисленных, пожалуй, именно он мог бы оказать максимальное влияние на формирование следующего технологического уклада. Но для того, чтобы понять, почему именно, разговор придётся начать издалека.

Есть такая величина - двадцать нанометров. Это ноль целых и двадцать пять статысячных от толщины человеческого волоса и, округленно, ноль целых и три тысячных от диаметра красной кровяной клетки. А еще это - минимальный размер затвора транзистора, используемого в современных серийно производимых процессорах.

За ничтожных несколько десятилетий миниатюризация электроники достигла поистине выдающихся успехов, сделав возможным создание помещающихся в кармане устройств, чья вычислительная мощность с колоссальным запасом превышает суммарные мощности, потребовавшиеся на всю советскую космическую программу. И подобные устройства - не уникальные диковинки, существующие в единственном экземпляре в каких-нибудь сверхсекретных лабораториях, а неотъемлемая часть нашей жизни. С экрана одного из таких устройств вы, вполне возможно, и читатете эту статью.

Удивительно, не правда ли? Но об этом редко кто задумывается, и отнюдь не от отсутствия любознательности. Бурное развитие вычислительной техники уже стало чем-то привычным, пожалуй, даже обыденным. Когда число транзисторов, которые производителям удалось поместить на стандартном кристале процессора, удваивается в среднем каждые два года, сложно ожидать ярко выраженных восторгов на каждой итерации этого действа. Напротив, это начинает казаться нормой. А тренд, за время существования которого успело вырасти целое поколение, начинает казаться вечным. Но это не так. И не в такой уж дальней перспективе этот праздник миниатюризации может если не вовсе закончиться, то существенно увеличить лаг по времени.

Дело в том, что минимальный физически возможный размер затвора работоспособного кремниевого транзистора - пять нанометров. Ниже этого значения происходит явление, называемое "туннельный эффект", сводящееся к тому, что электроны получают возможность прорвать потенциальный барьер p-n перехода (все же помнят из курса физики, что это такое?) и, грубо говоря, начать свободно "гулять" по соседним транзисторам процессора. Какие это повлечет последствия для осуществляемого вычислительного процесса догадаться нетрудно. Достаточно близкой аналогией, полагаю, будет кот, решивший погонять мышей по клавиатуре фортепиано, на котором в этот момент пытаются исполнять Бетховена. Вряд-ли получившиеся звуки будут сильно похожи на ожидавшуюся "Лунную сонату".

Долгое время считалось, что это - крайний предел, после которого наращивание производительности вычислительных машин вновь, как в "тёплые ламповые" времена, станет приводить к росту их размеров. И этот предел, если темпы миниатюризации сохранятся, будет достигнут уже примерно через четыре года.

Однако, не всё так фатально. В 2016-м году группе физиков из Национальной лаборатории имени Лоуренса (Беркли, Калифорния) удалось создать транзистор, размер затвора которого составил всего лишь 1 нанометр. Для этого им пришлось заменить привычный кремний молибденитом (дисульфидом молибдена), а в качестве материала для собственно затвора использовать углеродную нанотрубку.

Разумеется, не всё так просто. До возможности серийного производства подобных транзисторов ещё очень далеко, на настоящий же момент, насколько ваш покорный слуга владеет информацией, ещё даже не тестировалась их конфигурация размещения на кристалле процессора. Кроме того, необходимо понимать ключевую разницу между старым добрым кремнием (содержание в земной коре по массе - более двадцати пяти процентов) и молибденом (содержание в земной коре по массе - три на десять в минус четвертой степени процента). Молибден изрядно дороже, даже если речь о встречающемся в природе в свободном виде молибдените. Да и графеновая нанотрубка вряд ли удешевляет производство. Тем не менее, принципиальную возможность отодвинуть нижний предел миниатюризации транзисторов за счет использования новых материалов можно считать доказанной. Не без труда, и, конечно, не до бесконечности, но это возможно.

Тем не менее, само существование предела миниатюризации, долгие годы считавшегося окончательным и нерушимым, не могло не подстегнуть исследования в части поиска обходных путей, которые могли бы позволить и закрыть потребность в росте вычислительных мощностей, и избежать ограничений, свойственных транзисторной микроэлектронике. Результатом этих исследований и стала концепция квантового компьютера.

Впервые идея о квантовых вычислениях была высказана отечественным математиком Юрием Ивановичем Маниным в книге "Вычислимое и невычислимое" (1980). Вскоре американским физиком Ричардом Фейнманом в его знаменитой лекции "Там внизу достаточно места" (1981) была предложена первая базовая модель квантового компьютера. В то время, впрочем, еще не шло речи о способах обхода пределов миниатюризации - по Манину и Фейнману нишей квантовых вычислительных машин являлось моделирование эволюции квантовой системы, в силу особенностей предметной области не поддающейся приемлемо точному и эффективному моделированию на классических компьютерах.

Сама по себе идея квантовых вычислений, если попытаться выразить её более-менее понятным непосвященному языком, основывается на том, что если увеличение числа транзисторов классического процессора даёт линейный прирост числа описываемых двоичных состояний, то для двухуровневых квантовых элементов, иначе называемых квантовыми битами, или, сокращенно, кубитами, прирост будет экспоненциальным. При том, что одиночный кубит может обработать столько же информации, сколько и одиночный транзистор: ровно один бит. Это становится возможным благодаря сочетанию принципа квантовой суперпозиции (нахождение объекта одновременно в двух взаимоисключающих состояниях) и явления квантовой запутанности (взаимозависимость квантовых состояний двух и более объектов).

При этом, в разговоре о кубитах сам слово "миниатюризация" даже не слишком уместно, поскольку разными вариантами его "рабочего тела" (да простят квантовые физики мне такой сленг) могут являться:
- направление ядерного спина в квантовой точке на полупроводнике;
- куперовская пара (электрон-фонон-электрон) в точке сверхпроводника;

- атомы в оптических ловушках.

Иными словами, речь идёт о масштабах элементарных частиц, состоянием которых управляют, в зависимости от реализации, либо потоком фотонов, либо сверхслабым магнитным полем. Мельче, пожалуй, уже и некуда. Прибавим к этому экспоненциальный рост скорости вычислений по сравнению с классическими ЭВМ - и открывающиеся возможности начинают казаться вовсе едва ли не безграничными.

Но во многом - именно казаться. Поскольку, как и всегда с любой прорывной технологией, есть масса нюансов.

В силу того, что измерение состояния квантовой системы это состояние еще и меняет (согласно принципу неопределенности Гейзенберга), результат квантового вычисления приобретает весьма интересное свойство: он является правильным только с некоторой вероятностью. Эту вероятность можно существенно приблизить к стопроцентной, если многократно повторить вычисление и выявить схождение результатов к некоторому значению. Однако, из-за этого (на самом деле - не только, но это уже окончательно "переполняет чашу") алгоритмы классических компьютеров для квантовых вычислений неприменимы. Квантовая вычислительная машина работает по специальным квантовым же алгоритмам, разработка которых тянет на отдельное перспективное направление.

Также состояние запутанной квантовой системы - вещь крайне чувствительная к абсолютно любому внешнему воздействию. Любой, простите, чих способен внести искажения в вычислительный процесс, если не вовсе разрушить квантовую систему. Таким образом, без дополнительных весьма объемных исследований по части экранирования внешних воздействий массовое применение квантовых компьютеров крайне затруднено.

Одной же из наиболее сложных проблем квантовых вычислений является так называемая проблема масштабирования, связанная с тем же самым принципом неопределенности Гейзенберга. Вопрос заключается в том, из какого максимального числа связанных кубит можно построить квантовый компьютер, прежде чем эффект декогерентности, он же - редукция фон Неймана, он же - коллапс волновой функции, в максимально упрощенном виде - накопление искажений в результате измерений, сделает получение внятного результата вычислений невозможным. Этот вопрос является предметом отдельной бурно развивающейся научной области - многочастичной квантовой механики, и ответ на него, упрощенно, зависит от физической природы декогерентности, которая в настоящий момент науке ещё неизвестна.

Впрочем, связанное с декогерентностью ограничение, если оно будет выявлено, отнюдь не станет однозначным приговором всему направлению квантовых вычислений. В конце концов, совершенно необязательно держать в состоянии квантовой запутанности абсолютно все кубиты компьютера - вполне возможна архитектура с применением независимых кубитных кластеров. Тем не менее, для дальнейшего развития направления внести ясность в этом вопросе необходимо.

Ну и, наконец, еще один нюанс, связанный с квантовыми вычислениями, заключается в том, что квантовому ускорению поддаются далеко не все алгоритмы. Более того, их даже меньшинство. Это, впрочем, перестаёт выглядеть чем-то фатальным, если посмотреть, какие именно алгоритмы всё-таки удаётся ускорить. А это по большей части - алгоритмы решения задач перебора. Звучит достаточно просто, даже можно сказать - простенько, но именно на них базируются задачи:
- моделирования и прогнозирования структурной динамики сложных систем, от собственно квантовых до биологических и, вполне возможно, социальных;
- криптографии, где квантовые алгоритмы теоретически способны как взломать за приемлемое время большинство считающихся надежными современных шифров, так и построить собственные алгоритмы шифрования, по надежности превышающие все существующие;

- искусственного интеллекта, где скорость решения разнообразных задач перебора в принципе является критически важным параметром.

То есть, хоть перечень поддающихся квантовому ускорению задач и ограничен, но представленные в нём задачи являются самым что ни на есть мэйнстримом современного этапа развития вычислительной техники.

Ну, и если переходить к нюансам квантовых вычислений, классифицируемых скорее как приятные, то минимальный квантовый разряд не так сильно привязан к двоичной логике, как классический транзистор, и создание кутрита (ячейка с тремя состояниями) по сложности не сильно превышает создание кубита. А это открывает весьма интересные перспективы. Согласно исследованиям группы ученых из Квинслендского университета (Австралия), опубликованным в 2008-м году, использование многомерных ячеек в принципе способно существенно упростить реализацию квантовых алгоритмов и вычислительных машин.

Кроме того, троичная логика сама по себе, даже без учета особенностей физической реализации, имеет ряд преимуществ по сравнению с двоичной, в общем виде сводящихся к большей надежности вычислений, дополнительному двукратному приросту быстродействия при решении задач сложения и большему удобству при решении задач, подразумевающих троичность по своей природе, таких как обработка RGB-изображений (включая распознавание образов), или задачи моделирования в трёхмерном пространстве. При этом, троичную логику можно воспринимать, как расширение двоичной, включаемой в неё, как подмножество, благодаря чему троичный компьютер может всё то же самое, что и двоичный - и ещё немного сверх этого. Широкого распространения троичные компьютеры не получили из-за стоимости, минимум в полтора раза превышающей стоимость двоичной машины. Однако, в случае с квантовыми компьютерами ожидаемая разница в стоимости будет меньше. Так что - почему нет?

Полноценный универсальный квантовый компьютер на данный момент остаётся устройством сугубо гипотетическим. Однако, к настоящему времени во многих научных лабораториях по всему миру были созданы работоспособные квантовые процессоры, среди которых можно выделить двухкубитное устройство, созданное в лаборатории сверхпроводимости Москвы группой Ю. Пашкина (2005) и совместный российско-американский проект 51-кубитного компьютера, разработанный под руководством М. Лукина и являющийся самой сложной подобной системой из существующих (2017). Эти и прочие подобные машины создаются как правило для решения единственной задачи, преимущественно - для исследований в области квантовой механики, где уже поспособствовали открытию ряда прежде неизвестных эффектов.

Отдельно можно упомянуть и первый имеющийся опыт создания коммерческих квантовых компьютеров канадской компанией D-Wave. Впрочем, пример этот - достаточно спорный. Компьютеры D-Wave работают на несколько отличающихся от прочих квантовых архитектур принципах, и для реализации традиционных квантовых алгоритмов не подходят, решая только одну задачу - дискретную оптимизацию. Кроме того, сведений, подтверждающих, что D-Wave работает быстрее обычного компьютера и что он в принципе является квантовым (использует эффект квантовой запутанности), которые бы не исходили от самой D-Wave или взявшего её в партнеры по разработке искусственного интеллекта Google, не имеется. Не станем, конечно, делать громких заявлений, но это вызывает определенные вопросы, особенно в свете того, что крупнейшим заказчиком D-Wave является Lockheed Martin, а разговоров о колоссальных масштабах распило-откаточных работ в американской оборонке ходит изрядно. Sapienti sat.

Собственно, к чему всё это, в особенности - в свете принятой у нас программы цифровой экономики и сакцентированных в тексте выше российских наработках в области квантовых вычислений. Ну, и непосредственно футурологического прогноза.

О наступлении новой информационной эры слышали, пожалуй, все. Но вместе с тем распространено достаточно некорректное "попсовое" восприятие явления: как этакой IT-утопии, где работают роботы, а люди или пишут к ним программки, или "генерят контент", удаленно подключив свой гаджет к рабочему серверу с какого-нибудь тропического курорта.

Но на практике это не так. В реальности имеет место скорее беспрецедентное ускорение экономических и социальных процессов, вызванное наличием принципиальной возможности получить практически в реальном времени значительные объемы информации с противоположной стороны глобуса. То есть, дело скорее в развитии систем связи и их глобальном распространении. В этих условиях информация действительно приобретает особую ценность, поскольку позволяет реагировать на стремительно развивающиеся события вовремя. Но одного доступа к информации мало, поскольку самой информации временами даже слишком много - при том, что она бывает разрозненной, неполной, некорректной, или вовсе дезинформацией. Это порождает непрерывно возрастающую потребность в наличии мощных и надежных инструментов обработки поступающих сведений и выработки на их основе вариантов решений.

Таким образом, при том, что важность "архаичных" отраслей (которым меньше повезло с пиар-менеджерами) никто не отменял, следует ожидать своего рода "гонки вооружений" в создании подобных систем, что не в такой далекой перспективе может стать (или даже - уже становится) делом не коммерческим, а государственным. Можно, пожалуй, даже предположить картину (несколько по-лубочному гипертрофированную, но всё-таки), при которой бурные дебаты в парламенте станет вызывать не моральная оценка образцов развлекательной индустрии, а сравнение построенных различными системами комплексных графиков развития ситуации. С детальным разбором погрешностей моделирования в этих системах.

При этом, любому понятно, что подобная система, пусть даже самая совершенная, без элементной базы не значит ничего. А в части традиционной микроэлектроники вступать в гонку с Кремниевой долиной, при их уже существующей инфраструктуре и работающих научных направлениях, чисто теоретически можно, но вырваться в ней на первые позиции будет уже... Пожалуй, тоже можно, но очень тяжело и за неприемлемо длительное время.

И вот тут привлекают к себе особое внимание квантовые компьютеры. Во-первых, тем, что с производственной базой по их созданию ситуация во всём мире примерно одинаковая - этой базы попросту нет. Во-вторых, тем, что те задачи, которые квантовые компьютеры решают лучше всего, замечательным образом совпадают с задачами, которые ставит наступление информационной эры. И в-третьих, тем, что российские учёные располагают собственными солидными наработками в части квантовых вычислений, причём, что надо особо отметить, не в рамках общей глобальной "кубитовой гонки", а в собственном направлении - разработке кубитов на сверхпроводниках (чем параллельно развивают обе тематики).

Если обобщить, то получается, что в сфере квантовых вычислений всё в наших руках. И есть вполне реальные шансы сделать эту сферу одним из столпов (наряду с, например, атомной энергетикой, космосом и оборонкой) нашего будущего лидерства. А для этого нужно уже сейчас начинать очень плотно над этим работать - даром что время пока еще есть.

January 29th, 2017

Для меня словосочетание "квантовый компьютер" сравнимо например с "фотонным двигателем", т.е это что то очень сложное и фантастическое. Однако читаю сейчас в новостях - "квантовый компьютер продается любому желающему". Странно, то ли под этим выражением теперь подразумевают что то другое, то ли это просто фейк?

Давайте разберемся подробнее...

КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ?

Только к середине 1990-х годов теория квантовых компьютеров и квантовых вычислений утвердилась в качестве новой области науки. Как это часто бывает с великими идеями, сложно выделить первооткрывателя. По-видимому, первым обратил внимание на возможность разработки квантовой логики венгерский математик И. фон Нейман. Однако в то время еще не были созданы не то что квантовые, но и обычные, классические, компьютеры. А с появлением последних основные усилия ученых оказались направлены в первую очередь на поиск и разработку для них новых элементов (транзисторов, а затем и интегральных схем), а не на создание принципиально других вычислитель ных устройств.

В 1960-е годы американский физик Р. Ландауэр, работавший в корпорации IBM, пытался обратить внимание научного мира на то, что вычисления - это всегда некоторый физический процесс, а значит, невозможно понять пределы наших вычислительных возможностей, не уточнив, какой физической реализации они соответствуют. К сожалению, в то время среди ученых господствовал взгляд на вычисление как на некую абстрактную логическую процедуру, изучать которую следует математикам, а не физикам.

По мере распространения компьютеров ученые, занимавшиеся квантовыми объектами, пришли к выводу о практической невозможности напрямую рассчитать состояние эволюционирующей системы, состоящей всего лишь из нескольких десятков взаимодействующих частиц, например молекулы метана (СН4). Объясняется это тем, что для полного описания сложной системы необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое (по числу частиц) количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Возникла парадоксальная ситуация: зная уравнение эволюции, зная с достаточной точностью все потенциалы взаимодействия частиц друг с другом и начальное состояние системы, практически невозможно вычислить ее будущее, даже если система состоит лишь из 30 электронов в потенциальной яме, а в распоряжении имеется суперкомпьютер с оперативной памятью, число битов которой равно числу атомов в видимой области Вселенной(!). И в то же время для исследования динамики такой системы можно просто поставить эксперимент с 30 электронами, поместив их в заданные потенциал и начальное состояние. На это, в частности, обратил внимание русский математик Ю. И. Манин, указавший в 1980 году на необходимость разработки теории квантовых вычислительных устройств. В 1980-е годы эту же проблему изучали американский физик П. Бенев, явно показавший, что квантовая система может производить вычисления, а также английский ученый Д. Дойч, теоретически разработавший универсальный квантовый компьютер, превосходящий классический аналог.

Большое внимание к проблеме разработки квантовых компьютеров привлек лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейн-ман. Благодаря его авторитетному призыву число специалистов, обративших внимание на квантовые вычисления, увеличилось во много раз.

Основа алгоритма Шора: способность кубитов хранить несколько значений одновременно)

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

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

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.

Если сказать простыми словами, то: "квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Другими словами, если вы посчитаете 2+2, то 4 получится только с некоторой долей точности. Точно 4 вы не получите никогда. Логика его процессора совсем не похожа на привычный нам процессор.

Существуют методы посчитать результат с заранее оговоренной точностью, естественно с увеличением затрат машинного времени.
Этой особенностью и определяется перечень задач. И эта особенность не афишируется, а у публики создается впечатление, что квантовый компьютер, это тоже, что и обычный PC (те же 0 и 1), только быстрый и дорогой. Это принципиально не так.

Да, и еще момент — для квантового компьютера и квантовых вычислений в целом, особенно для того, чтобы использовать "мощь и быстродействие" квантовых вычислений — нужны особые, специально под специфику квантовых вычислений разработанные алгоритмы и модели. Поэтому сложность применения квантового компьютера не только в наличии "железа", но и в составлении новых, до сих пор не применявшихся методик расчета. "

А теперь снова перейдем к практической реализации квантового компьютера: уже ведь некоторое время существует и даже продается коммерческий 512-кубитный процессор D-Wave !!!

Вот, он, казалось бы, настоящий прорыв!!! И группа солидных ученых в не менее солидном журнале Physical Review убедительно свидетельствует, что в D-Wave действительно обнаружены эффекты квантовой сцепленности.

Соответственно, данное устройство с полным основанием имеет право именоваться настоящим квантовым компьютером, архитектурно вполне допускает дальнейшее наращивание числа кубитов, а, значит, имеет замечательные перспективы на будущее… (T. Lanting et al. Entanglement in a Quantum Annealing Processor. PHYSICAL REVIEW X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

Правда, чуть позже, другая группа солидных ученых в не менее солидном журнале Science, изучавшие ту же самую вычислительную систему D-Wave, оценивали ее сугубо практически: насколько хорошо это устройство выполняет свои вычислительные функции. И эта группа ученых столь же обстоятельно и убедительно, как и первая, демонстрирует, что в реальных проверочных тестах, оптимально подходящих для этой конструкции, квантовый компьютер D-Wave не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, Jun 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

По сути дела, для дорогущей, но специализированной "машины будущего" не нашлось задач, где она могла бы продемонстрировать свое квантовое превосходство. Иначе говоря, оказывается под большим сомнением сам смысл весьма недешевых усилий по созданию подобного устройства…
Итоги таковы: сейчас в научном сообществе уже нет никаких сомнений, что в процессоре компьютера D-Wave работа элементов действительно происходит на основе реальных квантовых эффектов между кубитами.

Но (и это чрезвычайно серьезное НО) ключевые особенности в конструкции процессора D-Wave таковы, что при реальной эксплуатации вся его квантовая физика не дает никакого выигрыша в сравнении с обычным мощным компьютером, имеющим специальное программное обеспечение, заточенное под решение задач оптимизации.

Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача…

Все дело в особенностях конструкции 512-кубитного процессора D-Wave, который собирается из групп по 8 кубитов. При этом, внутри этих групп по 8 кубитов они все напрямую сообщаются между собой, а вот между этими группами связи очень слабые (в идеале же ВСЕ кубиты процессора должны напрямую сообщаться между собой). Это, конечно, ОЧЕНЬ существенно снижает сложность построения квантового процессора... НО, отсюда нарастает масса прочих проблем, замыкающихся в финале и на очень недешевую в эксплуатации криогенную аппаратуру, охлаждающую схему до сверхнизких температур.

Так что же нам предлагают сейчас?

Канадская компания D-Wave объявила о начале продаж своего анонсированного в сентябре прошлого года квантового компьютера D-Wave 2000Q. Придерживаясь собственного аналога закона Мура, в соответствии с которым количество транзисторов на интегральной схеме удваивается каждые два года, D-Wave разместила на КПУ (квантовом процессорном устройстве) 2,048 кубитов. Динамика роста числа кубитов на КПУ за последние годы выглядит так:

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

Причем в отличие от традиционных процессоров, ЦПУ и ГПУ, удвоение кубитов сопровождается не 2-кратным, а 1000-кратным ростом производительности. По сравнению с компьютером, имеющим традиционную архитектуру и конфигурацию в виде одноядерного ЦПУ и 2500-ядерного ГПУ, разница в быстродействии составляет от 1,000 до 10,000 раз. Все эти цифры безусловно впечатляют, но есть несколько «но».

Во-первых, D-Wave 2000Q стоит чрезвычайно дорого — $15 млн. Это довольно массивное и сложное устройство. Его мозгом является КПУ из цветного металла под названием ниобий, сверхпроводниковые свойства которого (необходимые для квантовых компьютеров) возникают в вакууме при близкой к абсолютному нулю температуре ниже 15 милликельвинов (это в 180 раз ниже температуры в открытом космосе).

Поддержание такой экстремально низкой температуры требует больших затрат энергии, 25 кВт. Но все же, согласно производителю, это в 100 раз меньше, чем у эквивалентных по производительности традиционных суперкомпьютеров. Так что производительность D-Wave 2000Q на один ватт потребляемой энергии в 100 раз выше. Если компании удастся и дальше следовать своему «закону Мура», то в её будущих компьютерах эта разница будет расти в геометрической прогрессии, с сохранением энергопотребления на нынешнем уровне.

Во-первых, у квантовых компьютеров весьма специфическое назначение. В случае D-Wave 2000Q речь идет о т.н. адиабатических компьютерах и решении задач квантовой нормализации. Они, в частности, возникают в следующих областях:

Машинное обучение:

Выявление статистических аномалий
— нахождения сжатых моделей
— распознавание изображений и образов
— тренировка нейросетей
— проверка и утверждение программного обеспечения
— классификация безструктурных данных
— диагностика ошибок в схеме

Безопасность и планирование

Обнаружение вирусов и взлома сети
— распределение ресурсов и нахождение оптимальных путей
— определение принадлежности множеству
— анализ свойств графика
— факторизация целых чисел (применяется в криптографии)

Финансовое моделирование

Выявление рыночной нестабильности
— разработка торговых стратегий
— оптимизация торговых траекторий
— оптимизация ценообразования активов и хеджирования
— оптимизация портфолио

Здравоохранение и медицина

Выявление мошенничества (вероятно речь идет о медицинских страховках)
— генерирование таргетной («молекулярно-прицельной») лекарственной терапии
— оптимизация лечения [рака] методом радиотерапии
— создание моделей протеина.

Первым покупателем D-Wave 2000Q стала компания TDS (Temporal Defense Systems), занятая в области кибер-безопасности. Вообще же продукцией D-Wave пользуются такие компании и учреждения как Lockheed Martin, Google, Исследовательский центр Эймса при НАСА, Университет Южной Калифорнии и Лос-Аламосская национальная лаборатория при Министерстве энергетики США.

Таким образом, речь идет о редкой (D-Wave является единственной в мире компанией, выпускающей коммерческие образцы квантовых компьютеров) и дорогой технологии с довольно узким и специфическим применением. Но темпы роста её производительности потрясают воображение, и если эта динамика сохранится, то благодаря адиабатическим компьютерам D-Wave (к которой со временем возможно присоединятся и другие компании) в ближайшие годы нас могут ожидать настоящие прорывы в науке и технике. Особый интерес вызывает сочетание квантовых компьютеров с такой перспективной и быстро развивающейся технологией как искусственный интеллект — тем более, что в этом видит перспективу такой авторитетный специалист как Энди Рубин.

Да, кстати, вы знали, что Корпорация IBM разрешила пользователям интернета бесплатно подключаться к построенному ей универсальному квантовому компьютеру и экспериментировать с квантовыми алгоритмами. Этому устройству не хватит мощности, чтобы взламывать криптографические системы с открытым ключом, но если планы IBM осуществятся, то появление более сложных квантовых компьютеров не за горами.

Квантовый компьютер, к которому IBM открыла доступ, содержит пять кубитов: четыре служат для работы с данными, а пятый — для коррекции ошибок во время вычислений. Коррекция ошибок — главное нововведение, которым гордятся его разработчики. Она упростит увеличение количества кубитов в будущем.

В IBM подчёркивают, что её квантовый компьютер является универсальным и способен исполнять любые квантовые алгоритмы. Это отличает его от адиабатических квантовых компьютеров, которые разрабатывает компания D-Wave. Адиабатические квантовые компьютеры предназначены для поиска оптимального решения функций и не подходят для других целей.

Считается, что универсальные квантовые компьютеры позволят решать некоторые задачи, которые не под силу обычным компьютерам. Наиболее известный пример такой задачи — разложение чисел на простые множители. Обычному компьютеру, даже очень быстрому, понадобятся сотни лет, чтобы отыскать простые множители большого числа. Квантовый компьютер найдёт их при помощи алгоритма Шора почти так же быстро, как происходит умножение целых чисел.

Невозможность быстрого разложения чисел на простые множители — это основа криптографических систем с открытым ключом. Если эту операцию научатся выполнять с той скоростью, которую обещают квантовые алгоритмы, то о большей части современной криптографии придётся забыть.

На квантовом компьютере IBM можно запустить алгоритм Шора, но пока кубитов не станет больше, пользы от этого мало. В течение следующих десяти лет ситуация изменится. К 2025 году в IBM планируют построить квантовый компьютер, содержащий от пятидесяти до ста кубитов. По мнению специалистов, уже при пятидесяти кубитах квантовые компьютеры смогут решать некоторые практические задачи.

Вот еще немного интересного про компьютерные технологии: почитайте, как , а вот А еще оказывается можно и что это за

Человечество, как и 60 лет назад, снова стоит на пороге грандиозного прорыва в сфере вычислительных технологий. Уже очень скоро на смену сегодняшним вычислительным машинам придут квантовые компьютеры.

До чего дошёл прогресс

В далёком 1965 году Гордон Мур говорил, что за год количество транзисторов, вмещающихся в кремниевом микрочипе, увеличивается вдвое. Этот темп прогресса последнее время замедлился, и удвоение происходит реже - раз в два года. Даже такой темп в ближайшем будущем позволит достигнуть транзисторам размеров с атом. Дальше - рубеж, который переступить невозможно. С точки зрения физического строения транзистора он никак не может быть меньше атомарных величин. Увеличение размеров чипа проблему не снимает. Работа транзисторов связана с выделением тепловой энергии, и процессоры нуждаются в качественной системе охлаждения. Многоядерная архитектура также не решает вопрос дальнейшего роста. Достижение пика в развитии технологии современных процессоров произойдёт уже скоро.
Разработчики пришли к пониманию этой проблемы в то время, когда у пользователей только начали появляться персональные компьютеры. В 1980 году один из основателей квантовой информатики, советский профессор Юрий Манин, сформулировал идею квантовых вычислений. Уже через год Ричард Фейман предложил первую модель компьютера с квантовым процессором. Теоретические основы того, как должны выглядеть квантовые компьютеры, сформулировал Пол Бениофф.

Принцип работы квантового компьютера

Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:

• Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
• Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
• Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.

С точки зрения здравого смысла - полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.

В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии - иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.

Где будет применяться новая вычислительная машина

Новый подход в процессе вычислений позволяет работать с огромными массивами данных и выполнять моментальные вычислительные операции. С появлением первых ЭВМ некоторые люди, включая государственных деятелей, имели большой скепсис относительно применения их в народном хозяйстве. Есть и сегодня люди, полные сомнений относительно важности компьютеров принципиально нового поколения. Весьма продолжительное время технические журналы отказывались печатать статьи о квантовых вычислениях, считая это направление обычной мошеннической уловкой для одурачивания инвесторов.

Новый способ вычислений создаст предпосылки для научных грандиозных открытий во всех отраслях. Медицина решит многие проблемные вопросы, которых накопилось в последнее время довольно много. Станет возможным диагностика раковых заболеваний на более раннем этапе заболевания, чем сейчас. Химическая промышленность сможет синтезировать продукты с уникальными свойствами.

Прорыв в космонавтике не заставит себя ждать. Полёты к другим планетам станут таким же обыденным действием, как и ежедневные поездки по городу. Потенциал, который заложен в квантовых вычислениях, безусловно, преобразит нашу планету до неузнаваемости.

Другая отличительная особенность, которой обладают квантовые компьютеры, это способность квантового вычисления быстро подобрать нужный код или шифр. Обычный компьютер выполняет решение математической оптимизации последовательно, перебирая один вариант за другим. Квантовый конкурент работает сразу со всем массивом данных, молниеносно выбирая наиболее подходящие варианты за беспрецедентно короткое время. Банковские операции будут расшифрованы в мгновение ока, что современным вычислительным машинам недоступно.

Однако банковский сектор может не переживать - его тайну спасёт метод квантового шифрования с парадоксом измерения. При попытке вскрыть код произойдёт искажение передаваемого сигнала. Полученная информация не будет иметь никакого смысла. Секретные службы, шпионаж для которых - обычное дело, заинтересованы в возможностях квантовых вычислений.

Трудности конструирования

Сложность заключается в создании условий, при которых квантовый бит сможет бесконечно долго находиться в состоянии суперпозиции.

Каждый кубит представляет собой микропроцессор, который работает на принципах сверхпроводимости и законах квантовой механики.

Вокруг микроскопических элементов логической машины создаётся целый ряд уникальных условий окружающей среды:

• температура 0,02 градуса по Кельвину (-269,98 по Цельсию);
• система защиты от магнитного и электрического излучения (снижает воздействие этих факторов в 50 тысяч раз);
• система теплоотвода и гашения вибраций;
• разрежение воздуха ниже атмосферного давления в 100 миллиардов раз.

Небольшое отклонение окружающей среды вызывает мгновенную потерю кубитами состояния суперпозиции, что приводит к сбою в работе.

Впереди планеты всей

Всё вышеописанное можно было бы отнести к творчеству воспалённого разума писателя фантастических рассказов, если бы компания Google совместно с NASA не приобрела в прошлом году у канадской исследовательской корпорации квантовый компьютер D-Wave, процессор которого содержит 512 кубитов.

С его помощью лидер на рынке компьютерных технологий будет решать вопросы машинного обучения в сортировке и анализе больших массивов данных.

Немаловажное разоблачительное заявление сделал и покинувший США Сноуден - АНБ также планирует разработать свой квантовый компьютер.

2014 -начало эры D-Wave systems

Успешный канадский спортсмен Джорди Роуз после сделки с Google и NASA приступил к построению процессора в 1000 кубитов. Будущая модель по скорости и объёмам вычислений превзойдёт первый коммерческий прототип минимум в 300 тысяч раз. Квантовый компьютер, фото которого расположено ниже, является первым в мире коммерческим вариантом принципиально новой технологии вычислений.

Заняться научными разработками его побудило знакомство в университете с трудами Колина Уильямса по квантовым вычислениям. Надо сказать, что Уильямс сегодня работает в корпорации Роуза руководителем бизнес-проектов.

Прорыв или научный обман

Что такое квантовые компьютеры, до конца не знает и сам Роуз. За десять лет его команда прошла путь от создания процессора в 2 кубита до сегодняшнего первого коммерческого детища.

С самого начала исследований Роуз стремился создать процессор с минимальным количеством кубитов в 1 тысячу. И он обязательно должен был иметь коммерческий вариант - чтобы продать и заработать денег.

Многие, зная одержимость и коммерческую хватку Роуза, пытаются обвинить его в подлоге. Якобы за квантовый выдаётся самый обычный процессор. Этому способствует и то, что феноменальное быстродействие новая техника проявляет при выполнении определённых типов вычислений. В остальном же ведёт себя как вполне заурядный компьютер, только очень дорогой.

Когда же они появятся

Ждать осталось недолго. Исследовательская группа, организованная совместными приобретателями прототипа, в скором будущем даст отчёт о результате исследований на D-Wave.
Возможно, скоро грядёт время, в котором квантовые компьютеры перевернут наше представление об окружающем мире. И всё человечество в этот момент выйдет на более высокий уровень своей эволюции.

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? Отвечаем на эти вопросы в рамках рубрики «Просто о сложном».

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.

Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM

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.

Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем

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.

Не пропустите лекцию:

Вы все привыкли к нашим компьютерам: утром читаем новости со смартфона, днем работаем с ноутбуком, а вечером смотрим фильмы на планшете. Все эти девайсы объединяет одно - кремниевый процессор, состоящий из миллиардов транзисторов. Принцип работы таких транзисторов достаточно прост - в зависимости от подведенного напряжения мы получаем на выходе другое напряжение, которое интерпретируется или как логический 0, или как логическая 1. Для того, чтобы проводить операции деления, есть битовый сдвиг - если у нас, к примеру, было число 1101, то после сдвига на 1 бит влево будет 01101, а если теперь сдвинуть его на 1 бит вправо - будет 01110. И основная проблема кроется в том, что для все того же деления может понадобиться несколько десятков таких операций. Да, с учетом того, что транзисторов миллиарды, такая операция занимает наносекунды, но вот если операций много - мы теряем на эти вычисления время.

Принцип работы квантовых компьютеров

Квантовый компьютер же предлагает совершенно другой способ вычислений. Начнем с определения:

Квантовый компьютер - вычислительное устройство , которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных.

Понятнее явно не стало. Квантовая суперпозиция говорит нам о том, что система с какой-то долей вероятности существует во всех возможных для нее состояниях (при этом сумма всех вероятностей, разумеется, равна 100% или 1). Разберем это на примере. Информация в квантовых компьютерах хранится в кубитах - если обычные биты могут иметь состояние 0 или 1, то кубит может иметь состояние 0, 1, и 0 и 1 одновременно. Поэтому если мы имеем 3 кубита, к примеру 110, то это выражение в битах равносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Что это нам дает? Да все! К примеру, у нас есть циферный пароль из 4 символов. Как будет его взламывать обычный процессор? Простым перебором от 0000 до 9999. 9999 в двоичной системе имеет вид 10011100001111, то есть для его записи нам нужно 14 бит. Поэтому если мы имеем квантовый ПК с 14 кубитами - мы уже знаем пароль: ведь одно из возможных состояний такой системы и есть пароль! В результате все задачи, которые сейчас сутками считают даже суперкомпьютеры, на квантовых системах будут решаться моментально: нужно найти вещество с определенными свойствами? Не проблема, сделайте систему с таким же количеством кубитов, сколько у вас требований к веществу - и ответ уже будет у вас в кармане. Нужно создать ИИ (искусственный интеллект? Проще некуда: пока обычный ПК будет перебирать все комбинации, квантовый компьютер сработает молниеносно, выбрав лучший ответ.


Казалось бы, все здорово, но есть одна важная проблема - как нам узнать результат вычислений? С обычным ПК все просто - мы можем взять и считать его, напрямую подключившись к процессору: логические 0 и 1 там совершенно определенно интерпретируются как отсутствие и наличие заряда. Но вот с кубитами такое не пройдет - ведь в каждый момент времени он находится в произвольном состоянии. И тут нам на помощь приходит квантовая запутанность. Ее суть заключается в том, что можно получить пару частиц, которые связаны друг с другом (говоря научным языком - если, к примеру, проекция спина одной запутанной частицы отрицательна, то другой обязательно будет положительной). Как это выглядит на пальцах? Допустим, у нас есть две коробки, в которых лежит по бумажке. Мы разносим коробки на любое расстояние, открываем одну из них и видим, что бумажка в ней в горизонтальную полоску. Это автоматически означает, что другая бумажка будет в вертикальную полоску. Но вот проблема в том, что как только мы узнали состояние одной бумажки (или частицы), квантовая система рушится - неопределенность исчезает, кубиты превращаются в обычный биты.

Поэтому вычисления на квантовых компьютерах по сути одноразовы: мы создаем систему, которая состоит из запутанных частиц (где находятся их вторые «половинки» мы знаем). Мы проводим вычисления, и после этого «открываем коробку с бумажкой» - узнаем состояние запутанных частиц, а значит и состояние частиц в квантовом компьютере, а значит и результат вычислений. Так что для новых вычислений нужно снова создавать кубиты - просто «закрыть коробку с бумажкой» не получится - мы ведь уже знаем, что нарисовано на бумажке.

Возникает вопрос - раз квантовый компьютер может моментально подбирать любые пароли - как защитить информацию? Неужели с приходом таких устройств исчезнет конфиденциальность? Конечно же нет. На помощь приходит так называемое квантовое шифрование: оно основано на том, что при попытке «прочесть» квантовое состояние оно разрушается, что делает любой взлом невозможным.

Домашний квантовый компьютер

Ну и последний вопрос - раз квантовые компьютеры такие классные, мощные и не взламываемые - почему мы ими не пользуемся? Проблема банальна - невозможность реализовать квантовую систему в обычных домашних условиях. Для того, чтобы кубит мог существовать в состоянии суперпозиции бесконечно долго, нужны крайне специфические условия: это полный вакуум (отсутствие других частиц), температура, максимально близкая к нулю по Кельвину (для сверхпроводимости), и полное отсутствие электромагнитного излучения (для отсутствия влияния на квантовую систему). Согласитесь, создать такие условия дома мягко говоря трудновато, а ведь малейшее отклонение приведет к тому, что состояние суперпозиции исчезнет, и результаты вычислений будут неверными. Вторая проблема - это заставить кубиты взаимодействовать друг с другом - при взаимодействии их время жизни катастрофически уменьшается. В итоге самый максимум на данный день - это квантовые компьютеры с парой десятков кубитов.

Однако, есть квантовые компьютеры от D-Wave, которые имеют 1000 кубитов, но, вообще говоря, настоящими квантовыми компьютерами они не являются, ибо не используют принципы квантовой запутанности, поэтому они не могут работать по классическим квантовым алгоритмам:


Но все же такие устройства оказываются ощутимо (в тысячи раз) мощнее обычных ПК, что можно считать прорывом. Однако заменят пользовательские устройства они ох как не скоро - для начала нам нужно или научиться создавать условия для работы таких устройств дома, или же наоборот, «заставить» работать такие устройства в привычных нам условиях. Шаги во втором направлении уже были сделаны - в 2013 году был создан первый двухкубитный квантовый компьютер на алмазе с примесями, работающий при комнатной температуре. Однако увы - это всего лишь опытный образец, да и 2 кубита - маловато для вычислений. Так что ждать квантовых ПК еще очень и очень долго.