Квантовый компьютер преобразит новый век

Он изменит нашу повседневную жизнь таким же радикальным образом, как это сделал классический компьютер в прошлом веке

В начале октября пожилой парижанин, направляясь в парикмахерскую, получил звонок на сотовый телефон. Звонили ему из Стокгольма, чтобы сообщить о том, что он стал лауреатом Нобелевской премии по физике. Парижанин тот был 68-летний француз марокканского происхождения Серж Арош из Коллеж де Франс, вторым же получателем премии за исследования в области квантовой оптики стал 68-летний американец Дэвид Уайнленд из Национального института стандартов. Шведская королевская академия наук, присудившая им Нобелевскую премию по физике в 8 млн крон ($1,2 млн), заявила, что двое ученых открыли новую эру в квантовой физике, продемонстрировав возможность непосредственного наблюдения отдельных квантовых частиц без их разрушения.

«Отдельные частицы очень трудно изолировать от среды, в которой они находятся, и они теряют свои загадочные квантовые свойства, как только провзаимодействуют с окружающей средой, – пояснил Нобелевский комитет. – Посредством своих уникальных методов исследования Арош и Уайнленд вместе со своими исследовательскими группами смогли измерить и контролировать очень неустойчивые квантовые сос­тояния, которые ранее считались недоступными для непосредственного наблюдения. Новые методы теперь позволяют изучать, подсчитывать частицы и управлять ими».

Новация лауреатов в том, что они, научившись управлять индивидуальными квантовыми системами, создали исходную точку отсчета для построения более сложных систем – квантового компьютера, который, как полагают, должен значительно превзойти классические, привычные для нас компьютеры. С помощью законов квантовой механики можно создать принципиально новый тип вычислительных машин, которые позволят решать задачи, которые не под силу даже самым продвинутым современным суперкомпьютерам. Потребность в квантовом компьютере возникает, когда исследователи пытаются методами физики исследовать сложные многочастные системы наподобие биологических. У таких систем пространство квантовых состояний растет экспоненциально от числа N составляющих их реальных частиц, отчего моделирование их поведения на классических компьютерах становится невозможным. Ведь современная наноэлектроника не может обрабатывать информацию быстрее, чем 100 гигагерц (то есть 1011 в секунду), поскольку этому препятствуют фундаментальные законы классической физики. 

Если увеличить скорость, к примеру заменив электроны на фотоны, предельно возможная скорость распространения которых равна скорости света, то и здесь существуют пределы, они связаны с частотой света фотонов 1015. То есть компьютеры на фотонах можно ускорить ненамного – в от 1 до 10 тыс. раз. Для достижения еще большего ускорения информации надо работать с одиночными фотонами – это уже чисто квантовые объекты с принципиально новыми свойствами. В сегодняшней электронике все строится на 0 или 1, а в квантовых системах появляется возможность, когда есть все между 0 и 1, так что можно одновременно, параллельно производить множество операций. Тогда теоретически в ускорении информации не будет предела.

Суть в том, что обычный компьютер в каждый момент обрабатывает лишь одно какое-то число – один бит, 0 или 1, и этот бит всегда находится в четко определенном состоянии. Это состояние и обсчитывают. Надо обсчитать следующий вариант – запускают весь процесс сначала. И так далее. Если требуется, к примеру, обсчитать миллиард вариантов, то надо прокрутить миллиард подобных циклов. Ну а у квантового компьютера принципиальное отличие в том, что он может просчитывать все эти варианты одновременно. К примеру, когда требуется просчитать миллиард вариантов – надо создать так называемое квантовое состояние, суперпозиции исходных состояний, все они просчитываются, и окончательный результат получается за один прогон цикла.

Считается, что первым обратил внимание на возможность такого использования квантов венгерский математик И. фон Нейман. Но тогда даже обычных компьютеров еще не придумали. После, в 1960-е годы, физик из США Ландауэр, трудившийся в корпорации IBM, пытался объяснить, что вычисления – это не просто абстракция, а физический процесс, а стало быть, чтобы поднять вычислительные возможности, надо разобраться, какой физической реализации они соответствуют.

Лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейнман уделял много внимания проблеме разработки квантовых компьютеров. Оставил след в истории П. Шор, американский математик, сотрудник фирмы Lucent Technologies, который в 1994 году прославился на весь научный мир, предложив квантовый алгоритм, при помощи которого можно было проводить быструю факторизацию больших чисел.

В настоящее время все согласились, что квантовый компьютер может превзойти обычные компьютеры во столько раз, сколько в нем есть квантовых ячеек. Ну а воплощению квантовых компьютеров в жизнь препятствовала, по сути, единственная серьезная проблема – создавать эти квантовые ячейки и управлять ими очень трудно: возникали ошибки или помехи, ведь одинаковый уровень помех гораздо сильнее портит процесс квантовых вычислений, чем на классических компьютерах. Так что исследования, которые провели эти нобелевские лауреаты, стали первым шагом в создании отдельного квантового состояния,  управлении им и измерении его. Так был сделан первый шаг к созданию квантового компьютера.

Квантовый мир отличается от привычного нам мира, и, чтобы понять его отличия, надо учесть, что электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично в другой, частично в третьей, десятой и т. д. Это не означает, что он разделяется на части – тогда можно было бы попросту изолировать одну из его частей и замерить ее заряд и массу. Но получается так, что после измерения электрон всегда оказывается целиком в единственной точке, несмотря на то что до этого он находился одновременно, по сути, везде. Такое состояние, когда электрон находится одновременно в нескольких точках пространства, называется суперпозицией квантовых состояний. Оно обычно описывается волновой функцией, которую ввел в 1926 году немецкий физик Э. Шредингер. 

После измерения положения частицы, что происходит при воздействии на нее другой частицей, к примеру фотоном, ее волновая функция как бы втягивается в ту точку, где частицу засекли, а затем опять начинает расплываться. Так что, осветив электрон или атом квантом света, узнаем не то, какой он сейчас, а то, каким он был раньше, но теперь уже изменился, перейдя в другое состояние. Казалось, что нет никакой возможности наблюдать квантовые состояния объекта и напрямую их измерять, какие они есть, так, чтобы они при этом не разрушались. 

Однако в 1980–1990-х годах были разработаны технологии проведения экспериментов, с помощью которых удалось отдельные квантовые системы или даже отдельный атом в возбужденном состоянии, а также отдельный фотон, помещенный в специальную ловушку, удерживать в таком состоянии, при этом наблюдая, что с ними происходит, не разрушая их. Этот совершенно уникальный эксперимент провели два независимо действующих коллектива исследователей – один во Франции, другой в Америке. Причем они применяли совершенно разные экспериментальные методы. 

Команда американцев под руководством Дэвида Уайнленда охлаждала атомы в особой бериллиевой ионной ловушке, а затем лазерным лучом считывала состояние, не нарушая его. Команда Сержа Ароша немного позже проделала то же самое во Франции, но как бы наоборот: в ловушку вставляли фотон между двумя сверхпроводящими зеркалами, так что он отражался туда-сюда примерно миллиард раз, при этом за десятую долю секунды он проходил примерно 30 тыс. км. И сквозь этот качающийся взад и вперед фотон пропускали особые возбужденные атомы, которые выходили оттуда, чуть-чуть изменив свое состояние, но без поглощения фотона. Таким образом, состояние фотона удалось измерить, не испортив его.

«Нобелевской премией этого года отмечены одни из самых невероятных экспериментальных тестов причудливейших аспектов квантовой механики, – заявил Джим аль-Халили, профессор физики в университете Суррея в Британии. – До последнего десятилетия некоторые из этих результатов были не чем иным, как идеями научной фантастики или, в лучшем случае, разгулявшегося воображения квантовых физиков».

Эксперименты уже нашли практическое применение – на основе измерений, проведенных Дэвидом Уайнлендом с бериллиевыми атомами в ловушке, уже создали так называемые оптические часы, которые примерно в 100 раз точнее цезиевыех, считавшихся ранее самыми точными. К квантовым исследованиям сегодня приковано внимание всего научного мира, а за исследования в области квантовой физики за пос­ледние 15 лет уже было присуждено четыре Нобелевские премии.

Для яйцеголовых

Как обозначили проблему физики из Института космических исследований на Тайване, есть фотон с правой или левой поляризацией.

Это представляет собой двоичное исчисление, такое же, как и в компьютерах: +5В или 0В. Некоторые ученые считают, что если взять одновременно много фотонов с заранее заданными поляризациями, запустить их в коробку со сверхпрозрачными стенками, то получится квантовый компьютер.

Решение в этом компьютере получается практически мгновенно, как результат интерференции безмассовых фотонов, двигающихся со скоростью света. Вроде бы все здорово. И управлять поляризацией уже умеют, но непонятным остается следующее:  1. Как получить один изолированный фотон?  2. Как устроить интерференцию?  3. Как «считать» результат?  4. Как его интерпретировать?  Пункты 2 и 4 взаимосвязаны, и тут математикам предстоит еще много работы. А «Нобеля» дали пока за ответ на последний вопрос.

Но еще надо хотя бы научиться добывать один изолированный фотон, задавать ему поляризацию и запускать его в «ящик» для интерференции с другими такими же изолированными фотонами. 

Кристофер Монро, который проводил сходные исследования в Объединенном квантовом институте при Мэрилендском университете, заявил, что присуждение премии этим людям его ничуть не удивило. Было очевидно, что они в списке. Он отметил, что когда они с Уайнлендом вместе работали в 1990-х, то смогли поместить один и тот же атом одновременно в два места. В то время еще не было понятно, что захват в ловушку отдельных атомов может помочь проложить путь к сверхбыстрым квантовым компьютерам, заявил он.

В одной из статей, напечатанных после вручения Нобелевской премии на Physical Sciences, в частности, говорится: «Ученые любят считать, что истинная мера нашего понимания – наша способность предсказывать что-то, а в экспериментальной физике – чем-то управлять. Нобелевская премия этого года по физике была вручена Сержу Арошу и Дэвиду Уайнленду за управление квантовым миром таким способом, который не так давно был попросту немыслим. Когда я говорю «управлять квантовым миром», то имею в виду управлять не только физическим движением отдельного атома, но также внутренним состоянием атома. В этом разница между способностью спустить лавину и способностью управлять, куда каждая снежинка пойдет, когда лавина сорвется».

Отмечается, что в данный момент наука разграничена на то, чем она может и чем не может управлять. Если ученые не могут чем-то управлять, то и не могут это использовать. У квантовых компьютеров есть потенциал высвободить ученых, оставив их ограниченными только законами природы и своим собственным воображением.

Представьте себе мир, где химик может использовать компьютер для проектирования молекул, обладающих особыми свойствами. Нужен прочный пластик, который распадается под действием микроорганизмов на безвредные биопродукты? Давайте запущу свой квантовый компьютер Q2000 и посмотрим, что можно изобрести. Или представьте, что встретился новый белок, чьи свойства представляются необъяснимыми. И снова квантовый компьютер выдаст вам по крайней мере хотя бы зачатки объяснения.

Состояние квантовых вычислений сродни тому, в котором находились лазеры в 1950-х или волоконно-оптические кабели в 1970-х – технологии, у которых не было ясного или непосредственного делового применения, но которые несколько лет спустя стали незаменимыми для бизнеса.

Так что потенциал применения огромен – поскольку квантовый компьютер способен с огромной скоростью проводить разложение на простые множители, он даст возможность расшифровать сообщения, зашифрованные посредством повсеместно используемого асимметричного криптографического алгоритма RSA. Прежде этот алгоритм считался достаточно непробиваемым, поскольку для классического компьютера пока что не найден способ разложения чисел на простые множители. К примеру, для того чтобы получить доступ к кредитной карте, потребовалось бы разложить на два простых множителя сотни цифр. Даже самые быстрые современные компьютеры потратили бы на эту задачу в сотни раз больше времени, чем возраст Вселенной. 

Ну а с помощью алгоритма Шора это станет вполне выполнимой задачей при условии, если квантовый компьютер будет построен. Сообщалось, что алгоритмом быстрой факторизации уже заинтересовались различные спецслужбы, накопившие банки нерасшифрованных сообщений. Дело Шора продолжил его коллега по работе в Lucent Technologies Л. Гровер, предложивший в 1996 году квантовый алгоритм быстрого поиска в неупорядоченной базе данных (в качестве примера подобной базы данных приводят телефонную книгу, где фамилии абонентов расположены не по алфавиту, а произвольным образом). Вообще говоря, проблема выбора оптимального варианта среди множества очень часто возникает в экономических, военных и инженерных задачах.

Использование идей квантовой механики уже открыло новую эпоху в области криптографии. Благодаря методам квантовой криптографии появилась возможность передавать сообщения, которые даже теоретически нельзя расшифровать. Уже появились коммерческие образцы такого рода систем.

Следует отметить, что полномасштабный квантовый компьютер является пока что устройством чис­то гипотетически и возможность его создания связана с серьезным развитием квантовой теории – эта задача лежит на переднем крае современной физики. Притом что создание полномасштабных квантовых компьютеров пока под вопросом, уже удалось создать ограниченные (до 128-квантовых битов – кубитов) квантовые компьютеры. Так, группа исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айовы и Калифорнийского университета, Санта-Барбара, смогли в апреле 2012 года на кристалле алмаза с включениями создать двухкубитный квантовый компьютер. Компьютер работает при комнатной температуре, и, в принципе, его можно масштабировать.

На квантовые компьютеры уже обратили внимание серьезные фирмы. Так, Lockheed Martin заключила 25 мая 2011 года контракт на несколько лет с D-WaveSystems на выполнение сложных вычислений на квантовых процессорах. В контракт также включено техническое обслуживание и приобретение у D-WaveOne квантового компьютера.

23 августа 2012 года появилось сообщение об успешном построении трехмерной формы белка на основе известной последовательности аминокислот в его составе при помощи 115 кубитов из имеющихся 128-квантового компьютера D-WaveOne. В России также давно ведутся исследования в этой области, а теперь создается новый квантовый центр в Сколково, который через пять-десять лет превратится в центр мирового уровня.

Так что перспективы радужные, но часть публики сомневается. «Может быть, это просто выстраивание квантовыми физиками гипотез, чтобы выбить финансирование на следующее десятилетие?» – пишет один из комментаторов под статьей из Physical Sciences. «Все эти разработки ведутся в конечном счете для военных целей», – считает другой.

Сам же лауреат Нобелевской премии Уайнленд, увлеченный экспериментатор, реально оценивает вещи, его реализм распространяется и на приложение его трудов. 

«Я бы никому не посоветовал покупать акции компании квантовых компьютеров», – заявил он, выражая свой оптимизм по поводу того, что в конце концов окажется возможно построить такой компьютер.

: Если вы обнаружили ошибку или опечатку, выделите фрагмент текста с ошибкой и нажмите CTRL+Enter
6600 просмотров
Поделиться этой публикацией в соцсетях:
Загрузка...
19 января родились
Именинников сегодня нет
Самые Интересные

Орфографическая ошибка в тексте:

Отмена Отправить