Квантовый компьютер: чем запутанней, тем лучше

Информационные сообщения

 Гнусин П.И.

ООО "Нева Технолоджи" (Санкт-Петербург, Россия)

Аннотация. Разработкой квантовых компьютеров в настоящее время занимаются крупнейшие мировые компании. Чем квантовые системы так привлекательны для вычислительных устройств, мы постараемся разобраться в этой статье.

Quantum computer: the more confusing the better

Abstract. The development of quantum computers is currently being carried out by the world's largest companies. What quantum systems are so attractive to computing devices, we will try to understand this article.

Квантовый компьютер: чем запутанней, тем лучше

В последней четверти XX века был обнаружен ряд перспективных возможностей, которые предоставляет для создания вычислительных устройств квантовая механика. Как следствие, разработкой квантовых компьютеров в настоящее время занимаются крупнейшие мировые компании – Intel, Google, IBM. Чем квантовые системы так привлекательны для вычислительных устройств, мы постараемся разобраться в этой статье.

Сразу стоит сказать – хотя реально работающие квантовые компьютеры уже появились у мировых гигантов, по своим возможностям пока это лишь скромные научные образцы, которым далеко даже до вычислительных кластеров средней мощности, не говоря уж о современных суперкомпьютерах. Не следует ждать появления в скором времени квантовых ПК и лаптопов – вовсе не потому, что мировые гиганты не готовы завалить очередной новинкой потребителей всего мира, а потому, что современные квантовые системы для стабильной работы требуют очень глубокого охлаждения (десятых или даже сотых долей Кельвина, в зависимости от конструкции и особенностей конкретного компьютера). Небольшой нагрев сразу разрушает состояние спутанности кубитов – о необходимости его для квантовых вычислений в статье будет сказано ниже. Содержать громадные охладительные установки, требуемые для  создания таких температур, по карману лишь крупным исследовательским институтам и лабораториям. Так что о покупке собственного квантового компьютера средненстатистический обыватель может пока забыть – по крайней мере, до широкого внедрения эффекта высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП).

Рис. 1. Чип квантового компьютера DWave компании D-Wave Systems Inc.

Базовые теоретические работы, обеспечивающие создание квантовых компьютеров, появились в 80е гг. 20-го века. Уже тогда было обосновано, что квантовые компьютеры не позволяют решить задач, не вычисляемых на «традиционных» компьютерах методом перебора. Хотя в качестве обоснования эффективности квантовых вычислений приводят тот факт, что система спутанных квантовых битов (кубитов) содержит несоизмеримо больше информации, чем такая же по количеству битов традиционная цифровая строка (говоря несколько упрощенно, набор спутанных кубитов может находиться во всех возможных состояниях одновременно, в то время как обычные биты информации в каждый момент времени могут принимать только одно из двух значений – 0 или 1), максимальный объем информации, который можно на практике извлечь из системы кубитов, соответствует объему обычной цифровой строки (теорема Холево, доказанная нашим соотечественником Александром Семеновичем Холево). Возникает закономерный вопрос – можно ли организовать работу квантовой системы таким образом, что эффективность ее будет больше, чем у обычной системы? Оказывается – можно.

Ключевым свойством, которое характеризует квантовую вычислительную систему, является так называемое  «квантовое ускорение» - во сколько раз квантовый компьютер решает ту или иную задачу быстрее, чем обычный. Для некоторых классов задач (например, взлома шифров методом перебора) время, которое требуется на ее решение обычному компьютеру, возрастает экспоненциально с ростом ее сложности (образно говоря – если вы добавите в свой пароль всего один дополнительный случайно сгенерированный байт, число вариантов перебора, которые нужны обычному компьютеру, чтобы взломать ваш пароль, возрастет в 2⁸ = 256 раз). Для квантовых компьютеров, однако, рост времени, нужного на решение задачи, может расти гораздо медленнее. Это означает, что с каждым новым добавленным байтом время «работы» квантового компьютера над вашим паролем также будет увеличиваться, но незначительно – на единицы или даже доли процента. Как нетрудно понять, использование таких компьютеров поставит под удар все протоколы связи и технологии, основанные на передаче открытого ключа – например, технологию блокчейна, на которой основывается подавляющее большинство современных криптовалют. К счастью для поборников анонимности Интернета, параллельно с квантовыми компьютерами возникают и алгоритмы квантовой криптографии (защищенной передачи данных, также организуемой на основании законов квантовой механики).

Достигается это «квантовое ускорение» благодаря явлению спутанности кубитов. Это явление настолько уникально для квантовых объектов, что о нем стоит рассказать подробнее.

Явление квантовой спутанности можно представить таким образом. Представьте себе, что вы с другом взяли два шара – белый и черный, и, не глядя, каждый из вас положил по одному шару себе в карман. Теперь, если вы посмотрите на шар в своем кармане и увидите, что он белый, вы будете точно знать, что у вашего друга черный шар. Но квантовые системы могут одновременно не только существовать, но и изменяться, оставаясь спутанными (представьте, например, что шары в вашем кармане и в кармане друга непрерывно пульсируют – шар в вашем кармане то черный, то белый – пока один из вас не посмотрит на свой шар, «зафиксировав» его состояние – в этот момент шар в кармане другого примет противоположный цвет). Благодаря этому явлению, система спутанных кубитов может одновременно работать над решением задачи – кубиты, связанные определенным законом, будут давать не односложный (да-нет), а развернутый ответ (например: так да, а если чуть-чуть изменить условия, то нет) на поставленную задачу. И, конечно, чем больше кубитов удается «запутать» одновременно, тем более сложные задачи можно будет решить – в этом смысле про квантовые компьютеры вполне можно сказать: чем запутанней, тем лучше.

Здесь стоит сделать одну оговорку. Поскольку процедура измерения состояния квантовой системы имеет вероятностный характер (из суперпозиции всех возможных состояний квантовой системы мы получаем одно), то и решение, полученное на квантовом компьютере, для некоторых классов задач будет правильным не гарантированно, а лишь с определенной вероятностью. Это, однако, не является большим недостатком – во-первых, вероятность правильности решения можно повысить, увеличив число проведенных квантовых операций, а во-вторых, для многих задач (например, взлома паролей) полученный ответ можно легко и быстро проверить.

В небольшом видео, представленном в статье, перечислены некоторые квантовые процессоры, которые на данный момент удалось создать, и указано, сколько каждый из них содержит запутанных кубитов.

Во многом возможности квантовых компьютеров в ускоренном решении задач определяются алгоритмами квантового программирования. Однако поскольку физические основы работы квантового компьютера столь сильно отличаются от принципов работы компьютера обычного – и квантовое программирование имеет свои языки и свои законы, не совсем похожие на законы обычного программирования. Вместо прямых арифметических команд в программе для квантового компьютера используются операторы – команды, которые по определенному закону изменяют систему спутанных кубитов; после применения ряда операторов следует измерение состояния всех кубитов, что и дает сведения об ответе решаемой задачи. Квантовое программирование сейчас, однако – лишь возникающая дисциплина, и в ней еще многое предстоит усовершенствовать и, наверняка, даже открыть.

Возможности современных квантовых компьютеров пока далеки от предсказываемых в теоретических исследованиях. Конечно, при помощи квантового компьютера уже можно быстро и эффективно разложить на простые множители число 15, однако с этой работой справится любой школьник средних классов. Во многом можно сказать, что на квантовые компьютеры пока возлагается куда больше надежд, при достаточно скромных достигнутых результатах – в этом смысле, увы, рынок квантовых вычислений пока - очередной высокотехнологический «пузырь», пусть и имеющий под собой солидную математическую основу и глубокие теоретические изыскания и прикладные наработки.

• < Назад
• Вперед >