Ученые всего мира старательно приближают эру новых информационных технологий, основанных на принципиально иных принципах и логике

С наступлением эры квантовых компьютеров не придется нести свои «пентиумы» на помойку. Если железный конь пришел на смену крестьянской лошадке, то квантовый компьютер не сменит традиционный — у них разные задачи и возможности. Фото: J Chung, © 2006-2007 D-Wave Systems, Inc.

Квантовые компьютеры сейчас многими воспринимаются как научная фантастика — красивая теоретическая идея, которую никогда не удастся воплотить в техническом устройстве. Собственно, свойства и возможности такой техники, предсказываемые теорией, могут показаться нереальными. Сложно даже подобрать аналогию для пояснения — настолько велика разница между обычной и квантовой вычислительной техникой. Она примерно такая же, как разница между простейшим калькулятором и человеческим мозгом. Профессор кафедры квантовой информатики МГУ Юрий Ожигов в беседе с Леонидом Маслюком-Левковичем сравнил по сложности проблему создания полномасштабного квантового компьютера с проблемой межзвездных перелетов.

Меж тем, в технике квантовые эффекты используются уже давно — более того, именно ими объясняются самые важные свойства полупроводников. Так что даже обычные компьютеры в известном смысле квантовые, хотя и построены на классической двоичной логике. Однако при уменьшении их размеров, при увеличении их быстродействия, квантовые эффекты проявляются себя «квантовым шумом» — сбоями и нестабильностью вычислений.

Существенным шагом к новой эре — квантовых компьютеров — стало появление в 2004 году коммерческих систем защиты данных, основанных на принципах квантовой криптографии, но в полной мере она наступит с появлением коммерческих квантовых компьютеров. Пока что их не было даже в стенах лабораторий. Положение, видимо, начало меняться: 13 февраля этого года канадская компания D-Wave Systems продемонстрировала прототип подобного устройства. Это был первый работающий квантовый компьютер «Orion» (ранее известный как «Trinity»), представленный в Музее компьютерной истории (Computer History Museum) в Кремниевой долине — мировом центре информационных технологий.

Теоретический же задел для создания такого компьютера был создан еще во второй половине ХХ века советскими учеными. В 70-х годах Александр Холево производил работы, легшие в основу квантовой теории информации, а Юрий Манин (Yuri Manin) в 1980 году опубликовал книгу «Вычислимое и невычислимое», в которой есть отрывок с программой будущих исследований в области квантовых вычислений на основе устройств, названных автором «квантовыми автоматами». К сожалению, эта программа не стала мировым катализатором работ по квантовой информатике, но сейчас ее цитируют все, кто пишет об истории квантового компьютинга.

Основоположником теории квантовых вычислений считается нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электродинамики, Ричард Фейнман (Richard Feynman, 1918–1988) из Калифорнийского технологического института. В 1982 году он, опубликовав две статьи, увлек научную общественность идеей моделирования квантовых явлений на компьютере принципиально нового типа — квантовом. Мельчайшей единицей информации в таком компьютере является, по аналогии с обычным компьютером, бит, только квантовый, сокращенно называемый — «кубит». Слово «qubit» впервые употребил Бен Шумахер (Ben Schumacher) из Кеньон-колледжа (Kanyon college) в 1995 году. Это был сокращение от quantum bit. В отечественной литературе иногда можно встретить слово «квантбит». Доктор физико-математических наук Анатолий Константинович Звездин в статье «Магнитные молекулы и квантовая механика» предложил наиболее часто сейчас употребляемый вариант перевода — «q-бит».

Продемонстрированный канадцами «Orion» содержит 16 кубит, объединенных в единую систему, называемую квантовым регистром (цепочка кубитов, над которыми можно производить логические операции). Одновременно производится свыше 65 тысяч операций! Для понимания, каким образом это стало возможным с таким малым числом бит, даже квантовых, попробуем разобраться, что же представляет собой квантовая вычислительная техника и каким образом она работает.

Во-первых, это техника, работа которой основана на совершенно иных физических законах, чем работа обычных компьютеров — вероятностных законах квантовой механики. Именно их вероятностный характер придает новой технике такие революционные свойства. Если, конечно, их можно реализовать и использовать. Но с кубитами, и даже не единичными, ученые уже работают, а презентация D-Wave позволяет надеяться на приближение времени, когда реализация будет в необходимой степени массовой.

Во-вторых, это сами вычислительные процедуры, реализуемые этой техникой, совершенно иную, непривычную логику. Например, у ячейки классического регистра памяти всего два состояния, описываемых обычно как «0» или «1», «да» или «нет», «истина (true)» или «ложь (false)». При этом говорят, что в нем хранится один бит информации. У ячейки квантового регистра памяти тоже два состояния, только он пребывает и в том, и в другом одновременно. «Кусочек» сохраненной в нем «единицы,» или «истины», описывается комплексным числом, квадрат абсолютной величины которого трактуется как вероятность пребывания в соответствующем состоянии. Количество информации здесь составляет 1 кубит. Причем таких состояний у каждого кубита может быть множество, и все они могут быть различными — все в полном согласии с законами квантовой физики.

Важнейшей основой квантовых вычислений и, одновременно, самым загадочным феноменом квантовой физики является так называемое «запутанное» (entangled, то есть взаимосвязанное, взаимозависимое, «переплетенное») состояние нескольких частиц: если несколько частиц составляют единую квантовую систему, то они вполне могут разлететься на (теоретически) произвольное расстояние, не теряя своего квантового единства. А это означает, что любое воздействие на одну из них автоматически меняет состояние другой точно так же, как если бы она была совсем рядом.

Эйнштейн, Подольский и Розен в 1935 году в своей совместной статье рассматривали мысленный эксперимент с такими частицами, как парадокс, дающий основание для серьезной критики основ квантовой механики. В конечном счете, эта критика стимулировала глубокий анализ и дальнейшее развитие квантовой теории. Но для нашей темы важно подчеркнуть: «запутанные» состояния сегодня не только экспериментально подтвержденный, но и промышленно используемый феномен. Хотя пока это «промышленное использование» ограничивается только системами квантовой криптографии.

Сложно? Пожалуй. Но, может быть, скорее непривычно, чем сложно? Пока это еще непривычно, и в новинку как многим ученым (ведь далеко не все из них занимаются квантовой физикой и квантовыми вычислениями), так и разработчикам. О пользователях даже говорить не стоит: до реализаций бытовых моделей квантовых компьютеров пока еще очень далеко даже в теории.

Но такая сложность (лучше сказать, непривычность) дает очень большое преимущество квантовой вычислительной техники перед обычной: уровень сложности некоторых вычислительных задач очень сильно снижается, если их «переложить на плечи» квантового компьютера. Например, разложение числа на множители (задача, сложность решения которой обеспечивает сейчас устойчивость множества шифров к взлому) и нахождение произведения двух сомножителей (обычного умножения) для квантового компьютера являются задачами одного класса сложности. При этом первую практически невозможно реализовать на «классическом» компьютере в приемлемые сроки для достаточно большого числа, а вторую любой калькулятор, даже простейший, «щелкает как орехи».

Подведем некоторый итог: в теории свойства и возможности квантового компьютера выглядят очень заманчиво. А что с практикой? Реализация теории в практике в первую очередь сталкивается с двумя вопросами: «Какие физические объекты взять в качестве кубита?» и «Каким образом управлять кубитами?». Здесь единых решений нет, и экспериментаторы уже придумали и опробовали множество вариантов кубитов: ядра атомов специально созданной молекулы, ионы в ионных ловушках в полупроводнике, электроны, удерживаемые внутри определенным образом объединенных атомов, называемых вместе «квантовой точкой», и некоторое количество других.

Методов управления кубитами тоже придумано и опробовано множество, например, определенным образом меняющимися магнитными полями (как в случае с «Orion») или радиоимпульсами определенной частоты. В процессоре квантового компьютера «Orion» кубитами являются группы электронов в виде элементов из алюминия и ниобия, охлажденных жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю (–273,145° C). Но простое наличие кубитов еще не позволяет осуществлять вычисления — надо описать квантовому компьютеру задачу, которую необходимо решить — запрограммировать его.

Квантовое программирование сильно отличается от обычного. Пока для этого нет даже языка, но если таковой и появится, то в нем не будет условных операторов (по крайней мере, в привычной сейчас программистам форме) — ведь проверка значения переменной неминуемо изменит квантовое состояние. Квантовая механика запрещает даже такую привычную вещь, как копирование значения одного кубита в другой — при этом так же произойдет изменение исходного состояния копируемого кубита. Однако есть целый класс задач, которые прекрасно решаются такими средствами. Это задачи моделирования квантовых систем. Квантовый компьютер идеально приспособлен для их решения. Для классического они запредельно трудны.

«Главное, чего мы ждем от квантовых компьютеров — это решение задач моделирования в ядерной физике, в энергетике, в новых материалах, в нанотехнологиях. Здесь океан проблем, которые сегодня практически недоступны. Для моделирования электрона в трехмерном пространстве, — поясняет Юрий Ожигов, — надо взять хотя бы сто точек по каждому измерению. Это уже миллион, а если в системе два электрона — потребуется миллион миллионов точек. Даже для суперкомпьютера это уже сложно. А ведь два электрона — это всего лишь атом гелия, и то без учета движения ядра. Ну, а для атома лития такой способ решения задачи — на основе полного учета всех квантовых процессов — сегодня просто безнадежен, не говоря уж о сложнейших молекулах белков и ДНК. Сегодня не существует симуляторов химических реакций, учитывающих квантовые эффекты. А ведь даже простейшая молекула аммиака обладает сложным квантовым поведением — на нем основан так называемый аммиачный мазер. Все это нельзя смоделировать без точных квантовых расчетов».

На презентации специалисты D-Wave давали своему квантовому детищу три вида задач: поиск молекулярных структур, соответствующих целевой молекуле, составление плана рассаживания гостей и решение логической головоломки Судоку (Sudoku). Правда, сам этот компьютер не покидал штаб-квартиру фирмы, расположенную близ Ванкувера, — с ним связывались через Интернет.

До этого самым внушительным шагом на пути к квантовому компьютеру долгое время была экспериментальная реализация в 2001 году алгоритма Шора группой Айзека Чуана (Isaac Chuang). В этом эксперименте при помощи квантового компьютера было проведено разложение числа 15 в произведение чисел 3 и 5. Семь кубитов находились в состоянии квантовой суперпозиции, и на них были выполнены все предусмотренные алгоритмом Шора операции. Квантовый компьютер состоял из единственной молекулы, синтезированной специально для этого случая. В представленном виде «Orion» все же очень медлителен — во много раз медленнее обычного компьютера, хотя в недостатке сообразительности ему не откажешь. Но разработчики уверяют, что создавали его с возможностью достаточно легкого увеличения числа кубитов, а, следовательно, и наращивания вычислительной мощности. Так, к концу 2007 года они планируют представить 32-кубитный чип, а в конце 2008 — 1024-кубитный.

Но квантовый компьютер даже теоретически не предназначен на смену обычному: слишком специфичны задачи, на которых его мощь эффективна. Существуют экспериментальные квантовые компьютеры сугубо под конкретную задачу. И сами разработчики уточняют: «Новое устройство предназначено в качестве дополнения к обычным компьютерам, для расширения существующих машин, а не для их замены».

D-Wave в лице главы отдела разработок Джорди Роуза (Geordie Rose) говорит: «Мы показали принципиальную выполнимость идеи. Мы хотим стимулировать воображение людей». Стимулировать воображение людей (как в научных, так и не научных кругах) D-Wave удалось на славу: заголовки бумажных и электронных СМИ буквально запестрели статьями о квантовых компьютерах. Что же дальше? Дальше будет сложный процесс научного поиска и реализации идей, но, возможно, проведенная демонстрация привлечет дополнительно внимание к данной научной и технической задаче, и время на доведение демонстрационных и опытных образцов до коммерческих сократится.

Исследования в этом направлении активно ведутся в лабораториях всего мира. В России такие работы проводятся теоретиками и экспериментаторами лаборатории квантовых компьютеров Физико-технического института РАН (ФТИАН) во главе с академиком РАН Камилем Валиевым, в сотрудничестве с МГУ и рядом других научных коллективов в России и за рубежом. Подождем и посмотрим, что у всех них получится. Так или иначе, новая компьютерная эра уже не за горами.