Квантовый компьютер – наживка для доверчивых инвесторов

Обещания математиков

Идею вычислительного устройства, построенного на основе закономерностей квантовой механики, выдвинул еще в начале восьмидесятых годов прошлого века Ричард Фейнман, однако длительное время она представляла исключительно теоретический интерес. Когда же в середине 90-х Питер Шор, а затем Лов Гровер показали, что квантовые компьютеры способны решать некоторые сложные задачи несравненно быстрее традиционных машин, исследования вызвали бум не только в научном мире, но и в среде инвесторов. Воспоминания о том, что деньги, вложенные на заре компьютерной эры в IBM, Apple и других гигантов, принесли сотни и даже тысячи процентов прибыли, привели к тому, что на разработку новых квантовых технологий были направлены значительные средства.

Инвестиции в исследование квантовых вычислений являются оправданными и по другой причине. Основным направлением развития современной электроники является увеличение числа транзисторов, размещаемых на кристалле микросхемы. Такой количественный рост возможен, естественно, только при условии уменьшения размеров каждого отдельного элемента. Даже если отвлечься от таких технологических вопросов, как, например, проблемы охлаждения, уменьшение транзисторов не может продолжаться бесконечно.

Современные технологии вплотную подошли к границе объективных ограничений, которые возникают из-за того, что при переходе к нанометровым объектам классические закономерности физики перестают выполняться. Системы таких размеров подчиняются правилам квантовой механики, так что разработка нового типа компьютеров, основанного на подобных принципах, является логичным развитием вычислительной техники.

Практически сразу после начала интенсивной разработки алгоритмов квантовых вычислений было показано, что любая операция, произведенная на классическом компьютере, на квантовом может быть выполнена таким же образом. Из этих предпосылок можно сделать вывод, что по сравнению с традиционными вычислениями квантовые являются по крайней мере не менее эффективными, однако «не менее» еще не значит «более».

Законы квантовой механики и опирающиеся на них компьютерные вычисления настолько нетривиальны, что для решения каждой задачи приходится разрабатывать принципиально новые алгоритмы. В настоящее время подобные алгоритмы, способные дать существенный выигрыш во времени вычислений, найдены всего для нескольких задач, например, для разложения целых чисел на множители и поиска в неупорядоченной базе данных. Вопрос о том, насколько широк тот спектр задач, для которого подобные алгоритмы в принципе существуют, остается открытым.

Математические проблемы, связанные с поиском новых алгоритмов, являются далеко не главными сложностями на пути создания нового поколения вычислительных устройств. Сам факт того, что квантовый компьютер, если его построить, не может быть получиться хуже классического, уже является достаточным основание для того, чтобы вкладывать значительные денежные средства в его разработку. Однако как показало прошедшее десятилетие интенсивных исследований, даже смеси энтузиазма ученых и инвесторов оказалось недостаточно для осуществления быстрого прорыва.

Физическая пропасть

Сложности с воплощением в жизнь красивых математических идей обнаружились сразу, но длительное время инвесторы не обращали на них серьезного внимания, надеясь преодолеть за короткий срок. В результате на сегодняшний день математический аппарат квантовых вычислений значительно развит, в то время как варианты физической реализации заметно отстают. Теоретически разработаны даже методы коррекции ошибок, которые позволяют исправлять дефекты, возникающие в случае неидеальной реализации элементарных вычислительных операций, однако и это не помогло создать реальную вычислительную машину.

За прошедшее десятилетие было предложено множество вариантов реализации квантовых компьютеров, основанные на самых различных физических закономерностях. Большинство из них было отвергнуто сразу, но некоторые легли в основу экспериментальных образцов. Тем не менее, эксперты отмечают, что те варианты архитектуры, которые были реализованы, по сути, не являются квантовыми компьютерами в чистом виде, это всего лишь демонстрация физических закономерностей. Большинство подобных экспериментов сводилось к выполнению логических операций на отдельных кубитах (qubit, quantum bit – квантовый бит). Максимальные успехи, которых удалось достичь, - постоение вычислительных устройств, состоящих из нескольких кубитов.

Так, например, в 1998 году исследователи IBM из Калифорнийского университета сообщили о создании первого в мире квантового «компьютера», который, правда, состоял всего из двух кубитов. В следующем году там же была продемонстрирована «вычислительная машина» из трех квантовых битов, а еще через год – из пяти. В 2001 году IBM объявила о решении на квантовом компьютере задачи о разбиении целого числа на простые множители, правда, этим числом оказалось 15, а множителей, соответственно, было всего два – 3 и 5.

Каждый раз, когда удавался очередной шаг вперед, в прессе звучали самые оптимистичные заявления ученых, которые, в основном, сводились к тому, что прорыв в области создания квантовых компьютеров сделан, и, чтобы получить реальную модель, необходимо лишь доработать уже имеющуюся идею. Каждый раз инвесторы выделяли новую сумму денег, но разработка не уходила дальше экспериментов, демонстрирующих скорее общие закономерности квантовой механики, а не вычислительный потенциал новых технологий.

Независимые эксперты отмечают, что основная проблема всех предложенных вариантов реализации – отсутствие так называемой масштабируемости. Это означает, что хотя квантовый компьютер из 5-10 кубитов уже построен, создать на подобных принципах реальные вычислительные машины, состоящие из миллионов или хотя бы тысяч кубитов, невозможно в силу объективных физических ограничений. Таким образом, все полученные на сегодняшний день наработки не могут быть использованы для построения реальных квантовых компьютеров, которые окупили бы вложенные в исследования средства.

Бум инвестиций в разработку квантовых вычислительных устройств оказался полезен только с научной точки зрения. За десятилетие, прошедшее с начала активных исследований в этой сфере, научная общественность объявила о многочисленных открытиях в смежных областях. Однако шаги, сделанные, казалось бы, напрямик к созданию квантовых компьютеров, фактически не приблизили разработчиков к цели. Между тем, науке известны случаи, когда «мозговой штурм» сложных вопросов не приводил к их решению. Например, построение единой теории поля или поиск материалов, являющихся сверхпроводниками при комнатной температуре, до сих пор не увенчались успехом.

Несмотря на многолетние поиски решения задачи о квантовым компьютере, которые можно назвать неудачными, ученые не теряют оптимизма, и исследования в этой сфере активно продолжаются до сих пор. Однако, та часть научного сообщества, у которой нет прямой заинтересованности в новых инвестиционных вливаниях, считает, что делать сколь бы то ни было достоверные прогнозы относительно успешности таких изысканий невозможно. Вопрос о том, окупятся ли многомиллионные инвестиции в сферу квантовых вычислений, остается открытым.

Евгений Сандаков / CNews