Квантовый компьютер: туманные перспективы или реальность?

Туманные перспективы начинают воплощаться

Не успел еще традиционный персональный компьютер, без которого сегодня уже немыслимо наше существование, занять свое место в повседневной жизни, а уже начались разговоры о квантовом компьютере. Идеи нобелевского лауреата Ричарда П. Фейнмана (Richard P. Feynman) сыграли свою важную роль. Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на самом современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью «компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся квантовомеханическим законам».

Помимо моделирования квантовых систем, традиционный «логический универсальный автомат» плохо справляется с такими задачами, как, например, поиск в неструктурированной базе данных (например, в интернете), факторизация больших чисел. В то же время практически все современные шифры основаны на этой математической процедуре.

Кроме Фейнмана, идеи квантовых вычислений пропагандировали такие физики-теоретики, как Поль Бениофф (Paul Benioff) из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе; Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета в Англии и Чарльз Беннетт (Charles Bennett) из исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Ватсона (T. J. Watson) в Йорктаун Хайтс, штат Нью-Йорк. Не стоит забывать также и про советского математика Ю. И. Манина, первый труд которого по квантовому компьютингу появился еще в 1980 году.

Однако в те годы идея квантового компьютера казалась настолько фантомной, что о реализации ее на практике писали разве что фантасты. Только после 1994 года, когда Питер Шор (Peter Shor) из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных компьютеров, наступил перелом в сознании скептиков. Но больше всех всполошились специалисты по вопросам компьютерной безопасности — взломать защиту большинства криптосистем, имея квантовый компьютер, как оказалось, не составляет особого труда. Таким образом, Питер Шор, а затем и Лов Гровер (Lov Grover) из научного центра Bell Labs со своим алгоритмом быстрого поиска в неупорядоченной базе данных инициировали лавину новых исследований в области квантовых вычислений во всем мире. Многочисленные публикации по данной тематике стали аккумулироваться на сайтах различных исследовательских центров, например, Лос-Аламосской Национальной лаборатории. Из российских источников по квантовым вычислениям доступны международный научный журнал МГУ «Квантовые компьютеры и вычисления», сайт лаборатории Физики квантовых компьютеров, ФТИАН, возглавляемой академиком К. А. Валиевым, и др.

Доктор Чуанг с элементом квантового компьютера — стеклянной трубкой, содержащей специально подготовленные молекулы Источник: Research.ibm.com

Среди ведущих мировых исследователей, активно воплощающих идеи квантового компьютинга в жизнь, следует отметить, прежде всего, доктора Айзека Чуанга (Isaac Chuang) из исследовательского центра IBM Алмейден (Сан-Хосе, Калифорния). Возглавляемые им команды исследователей создали в 1998 году в Калифорнийском университете Беркли первый в мире двухкубитный квантовый компьютер, в следующем году — трехкубитный образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а еще через год был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 5 кубит.

Последняя значимая новость из IBM датирована 19 декабря 2001 года — тогда было объявлено о решении задачи по разбиению на множители с помощью алгоритма Шора — наиболее сложной вычислительной задачи, решенной с помощью квантового компьютера. Однако особенно обольщаться не стоит — компьютеру удалось всего лишь найти множители числа 15 (3 и 5). Тем не менее, исследователи были полны оптимизма:

	Первые квантовые компьютеры выглядят несколько громоздко Источник: Research.ibm.com

«Этот результат позволяет надеяться, что в один прекрасный день квантовые компьютеры будут справляться с задачами такой сложности, на решение которых даже самые мощные суперкомпьютеры потратили бы миллионы лет безо всякой надежды на успех, — предрекал Набил Эймер (Nabil Amer), менеджер по стратегии в области физики подразделения IBM Research. — Хотя этот ответ и может показаться тривиальным, во время вычисления потребовались беспрецедентные усилия по управлению семью спинами, что сделало данную задачу наиболее сложной из когда-либо выполненных с помощью квантового компьютера».

После этого исследователи приступили к решению проблемы «по превращению квантовых компьютеров в техническую реальность». «Если мы сможем выполнять эти вычисления в гораздо большем масштабе — допустим, в тысячах кубитов, которые требуются для разбиения на множители очень больших чисел, — в криптографических вычислениях потребуется проведение фундаментальных изменений», — говорил Айзек Чуанг.

Немного физики

Скажу честно: понять, как работает квантовый компьютер, не имея специального «квантовомеханического» образования, практически невозможно. Упрощенно принцип работы этого устройства описан в несметном количестве популярных статей, например, на сайте IBM. Однако, после прочтения подобных материалов, авторы которых полагаются на «житейский опыт» читателя, о методах квантовых вычислений остается очень и очень смутное представление. А все потому, что в квантовой физике, как известно, этот житейский опыт не работает. Как говорил в свое время Нильс Бор, «всякий, кто не был шокирован квантовой теорией, просто ее не понял». Поэтому лучше обратиться к профессионалам, например, в Вычислительный центр РАН.

Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты (от quantum bit, qubit). Обычный бит — это классическая система, у которой есть только два возможных состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита — это множество из двух элементов, например, из нуля и единицы. Кубит же — это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо -1/2, условно говоря, спин направлен вверх или вниз). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче.

В квантовой механике есть несколько основных положений, среди которых для квантовых вычислений наиболее важен принцип суперпозиции. Применяя этот принцип, например, к электрону, получаем, что, возможно, его смешанное состояние, когда оба состояния со спином, направленным вверх или вниз, присутствует с некоторой вероятностью (как часто пишут в популярной литературе, спин направлен вверх и вниз как бы одновременно, что совсем сбивает бедного читателя с толку). Отсюда, делают вывод многие авторы популярных введений в квантовые вычисления, возникает совершенно чудовищный параллелизм вычислений: к примеру, в случае системы из двух кубитов мы как бы оперируем одновременно со всеми возможными ее состояниями: 00, 01, 11, 10.

Весь этот механизм, к сожалению, нельзя объяснить на уровне понимания обычного человека, далекого от квантовой физики. Однако эксперименты, описанные во всех учебниках, доказывают, что формализм квантовой механики правильно описывает микромир.

«Сердце» квантового компьютера последнего поколения — семикубитовая молекула Источник: Research.ibm.com

Интересно, что квантовый компьютер, как и традиционный, работает с «нулями» и «единицами», однако, в отличие от детерминированного компьютера, в нем присутствует стохастический элемент — кубит. В «памяти», например, из двух кубитов, число 3 (в двоичном виде — 11) эквивалентно тому, что система двух частиц имеет спины, направленные вверх, число 2 записывается состоянием «первый спин вверх, второй вниз», и т.д. Далее остается запустить соответствующий алгоритм и правильно интерпретировать ответ.

Для ввода и чтения данных в реально действующем квантовом компьютере, как правило, используется установка для ядерного магнитного резонанса с огромным магнитом, которую можно обнаружить в медицинских учреждениях (их обычно используют для визуализации мягких тканей человека). Тонкая тестовая трубка, заполненная специально подготовленными молекулами, помещается внутрь установки. В качестве «программного обеспечения» используются радиочастотные импульсы, которые определенным способом воздействуют на атомные спины, что позволяет производить вычисления.

Другой «первый в мире» квантовый компьютер был презентован в августе прошлого года исследователями Висконсинского Университета в Мэдисоне. Они заявили о том, что создали первую в мире симуляцию архитектуры квантового компьютера, в которой была использована кремниевая технология изготовления, использующая горизонтальное и вертикальное тунелирование через двойные верхние и нижние ворота. Исследователи пришли к выводу, что существующее оборудование для кремниевого производства можно использовать для производства квантовых компьютеров, хотя они пока работают с частотой всего 1 МГц из-за больших требований к импульсному генератору.

Проблемы и решения

Для того чтобы моделировать молекулу белка, нужно порядка ста тысяч кубитов, а для того, чтобы вскрывать шифры, использующие простые числа из примерно 120 двоичных разрядов, нужны тысячи кубитов. При этом задача построения и синтеза молекул со значительно большим числом кубитов, чем имеющиеся на сегодня семь, является довольно трудной. По этой причине новые эксперименты исследователей, в частности, из IBM, направлены на разработку новых квантовых компьютерных систем, которые легко «масштабируются» до больших значений кубитов в соответствии с потребностями практических приложений.

«Задача эта слишком недавно возникла, и не исключено, что она потребует каких-то фундаментальных исследований в самой физике. Поэтому в обозримом будущем ожидать появления квантовых компьютеров не приходится», — считает специалист по теории алгоритмов Михаил Вялый из Вычислительного центра РАН.

К физической системе, реализующей квантовый компьютер, предъявляются следующие требования:

• Система должна состоять из точно известного числа частиц;
• Должна быть возможность привести систему в точно известное начальное состояние;
• Степень изоляции от внешней среды должна быть очень высока;
• Надо уметь менять состояние системы согласно заданной последовательности унитарных преобразований ее фазового пространства;
• Необходимо иметь возможность выполнять «сильные измерения» состояния системы (т.е. такие, которые переводят ее в одно из чистых состояний).

Из этих пяти задач наиболее трудными считаются третья и четвертая. От того, насколько точно они решаются, зависит точность выполнения операций. Пятая задача тоже весьма неприятна, так как измерить состояние отдельной частицы весьма нелегко.

Итак, на сегодняшний день квантовые компьютеры — это скромные по возможностям устройства, наивысшим достижением которых является нахождение множителей числа 15. Однако их вычислительная мощность будет расти экспоненциально с увеличением размеров.

Для создания квантового компьютера необходимо решение, прежде всего, двух задач, которыми являются разработка методов хранения информации на квантовом уровне и осуществление сложных вычислений с помощью квантовых устройств. И нельзя сказать, что в этом направлении нет никаких успехов.

Так, группе физиков из мюнхенского института квантовой оптики им. Макса Планка и цюрихского института квантовой электроники удалось поместить охлажденный газ, состоящий из атомов рубидия, в каркас упорядоченной решетки. Каждая ячейка такой решетки может быть заполнена только одним атомом, которым можно индивидуально манипулировать с помощью прецизионных магнитных импульсов.

«Новое состояние материи можно представить себе в виде заполненной картонной упаковки для яиц, — говорит Иммануил Блох (Immanuel Bloch) из института им. Макса Планка. — В нашем случае яйцами являются отдельные атомы, а картонка образуется упорядоченной световой структурой — световым кристаллом».

Взаимопересекающиеся лазерные лучи образуют кристаллоподобную структуру, определяющую границы пространства, в которых могут быть заключены отдельные атомы. Сверхнизкие температуры (менее одной стомиллионной градуса абсолютной температуры) позволяют хранить атомы в пределах ячеек. Г-н Блох с сотрудниками смогли организовать упорядоченную структуру, состоящую примерно из 150 тысяч атомов рубидия, каждый из которых можно рассматривать как кубит. Поскольку каждый атом располагается отдельно и его состояние стабильно во времени, он может представлять собой шаг квантового алгоритма, для выполнения которого не потребуются свободные атомы, электроны либо фотоны, выбивающие атом из его стабильного состояния.

	Это не коробки для яиц, а элементы будущего квантового компьютера!

Помимо спиновых систем наподобие «изолятора Мотта», рассмотренного выше, квантовая информация может также храниться и в виде отдельных фотонов. Филипп Хеммер из компании Texas A&M и его сотрудники развили работу группы исследователей из Гарварда по остановке света в газовой среде — они проделали аналогичный эксперимент в твердом веществе — кристалле силиката иттрия, обогащенном атомами редкоземельного элемента празеодима.

Другим проблемным звеном квантового компьютера считается «виртуальная шина». По словам физика-атомщика из американского Национального Института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology) Карла Уильямса (Carl Williams), несколько авторов описали базовые требования для построения масштабируемых квантовых компьютеров, включая необходимость взаимодействия произвольных пар кубитов. Однако четкий механизм для этого взаимодействия является нерешенной проблемой. Коллеги Уилльямса предлагают делить физические кубиты на статические зоны, сохраняющие квантовую память, и динамическую шину для кубитной связи зон.

Впрочем, эти и другие сложности не мешают развиваться другим «квантовым» приложениям, например, квантовой криптографии и квантовым коммуникациям. «Однако даже здесь пока не ясно, существует ли рынок для систем, использующих квантовые каналы и протоколы, — они очень дороги, — говорит Артур Экерт (Artur Ekert), директор Центра квантовых вычислений (Centre for Quantum Computation) Оксфордского университета. — Промышленность смотрит на нас примерно так: в принципе, все это очень интересно. Через 10–12 лет технология электронных устройств позволит достичь квантового уровня, и надо знать, что можно делать на этом уровне. То есть заказчика не интересует наш продукт, которого, как он знает, сейчас нет. Его интересуют наши знания, его интересуют кадры, которые мы подготовим».

Таким образом, в области квантовых вычислений и криптографии наиболее распространена модель технологического присутствия (technology watch), когда корпорации не хотят открывать настоящий исследовательский центр в этой области по причине высоких коммерческих рисков, а производят лишь локальное финансирование взамен на доступ к экспертизе проектов. Правда, есть и исключения, например, IBM, которая имеет свой собственный исследовательский центр, где, помимо экспериментов с квантовыми компьютерами, активно развиваются такие направления, как квантовая криптография, квантовые коммуникации (включая концепцию квантовой телепортации), методы коррекции ошибок.

Перспективы

В то время как никто не отрицает огромный потенциал квантовых вычислений и достигнутый в последнее время прогресс, пройдет, по-видимому, еще очень много лет, прежде чем появятся коммерческие квантовые компьютеры. Первые образцы на основе ядерного магнитного резонанса являются всего лишь лабораторными экспериментами. Усовершенствованные, они, скорее всего, будут использоваться в качестве сопроцессоров для решения специфических задач, таких, как сложные математические проблемы, моделирование квантовых систем и осуществление неструктурированного поиска. Редактирование текста или решение простых задач гораздо легче выполняются современными компьютерами.

Тем не менее, очевидно и то, что рано или поздно, по мере дальнейшего уменьшения размеров, компьютерам ничего не останется сделать, как взять на вооружение квантовые технологии — либо лишь для дополнения традиционных методов и приемов, либо же для полной замены нынешних вычислительных технологий.

«Квантовая физика открывает двери не просто для более миниатюрных и быстродействующих микропроцессоров. Она ведет к принципиально иным способам вычислений, которые не могут быть реализованы в нынешних компьютерах», — считает Артур Экерт, глава Центра квантовых вычислений Оксфордского университета.

Свое мнение о перспективах массового перехода человечества к принципиально иным технологиям профессор Дэвид Дойч (David Deutsch) из того же центра, один из пионеров теории квантовых вычислений, выразил следующим образом.

Теория классических универсальных вычислений, отмечал он, была заложена Тьюрингом в 1936 году, получила практическое воплощение в течение следующего десятилетия, в 1950-е обрела коммерческую ценность и направленность, а доминирующим фактором мировой экономики стала к концу 1980-х. Квантовая информационная технология является фундаментально новым способом использования возможностей природы. На нынешнем этапе, по мнению Дойча, еще слишком рано говорить, насколько важным этот путь станет в конечном счете, однако уже сейчас можно выстраивать обоснованные предположения относительно важнейших факторов, воздействующих на скорость прогресса в этой области. Развитие сейчас может пойти либо по тому же («быстрому») маршруту, который был характерен для классических вычислений после работ Тьюринга, либо же возобладает иной путь, более похожий на эволюцию классических вычислений после пионерских работ Чарльза Бэббиджа в середине XIX века. То есть, иными словами, квантовым вычислениям теоретически может грозить потеря целого столетия. Как считает Дойч, самым важным фактором здесь станет «мировоззренческо-философский», а именно: смогут или нет те люди, что работают в области квантовой теории, абсолютно всерьез воспринимать ее как подлинное описание окружающей нас реальности…

Виталий Солонин / CNews.ru