Loading
02

Технологии будущего: квантовые компьютеры

Согласно определению из Википедии квантовый компьютер представляет собой вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Звучит запутанно и непонятно? Попробуем разобраться, что к чему.

Идея квантовых вычислений была предложена Юрием Маниным в 1980 году, а за последующие несколько лет Ричард Фейнман, Пауль Бениофф и Стивен Визнер создали первые теоретические основы построения квантового компьютера. В отличие от классических компьютеров, в квантовой вычислительной машине используются алгоритмы, основанные на эффектах из области квантовой механики.

Наименьшим элементом хранения информации для квантовых компьютеров является кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit), он же квантовый разряд. Аналогично обычным битам, у кубита может быть два основных состояния обозначаемых 0 и 1. Однако в отличие от классических битов, кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции. Причем степень подобного «перекрытия» состояний кубита может быть различной. Физически кубиты могут быть реализованы на атомах, ионах, фотонах и т.д.

Технологии будущего: квантовые компьютеры

При любом изменении кубита он меняет свое состояние случайным образом, а за счет наличия связи между кубитами параллельно свое состояние меняют и связанные кубиты. Набор связанных кубитов принято называть квантовым регистром, который за счет возможного множества комбинаций (суперпозиций) входящих в него кубитов значительно информативнее классического битового регистра. Непосредственно наблюдать за состоянием кубита или квантового регистра нельзя. В тоже время кубиты могут обмениваться своим состоянием и преобразовывать его, что собственно и позволяет создать компьютер, реализующий параллельные вычисления на физическом уровне.

Упрощенно схему вычислений на квантовом компьютере можно представить следующим образом. В некую систему кубитов записывается исходное состояние, а затем над ней совершаются унитарные преобразования, выполняющие функцию нужных нам логических операций. Таким образом, в квантовых алгоритмах и описывается последовательность унитарных операций (также называемых гейтами или вентилями) с указанием, над какими именно кубитами их надо совершать. Результатом работы квантового алгоритма является итоговое состояние системы кубитов.

Результат работы квантового компьютера будет носить вероятностный характер. Однако увеличивая количество унитарных операций вероятность получения правильного результата можно приблизить к единице. В теории квантовые компьютеры быстрее классических в экспоненциальное число раз (алгоритм факторизации Шора), но при использовании алгоритма Гровера наблюдается лишь квадратичный прирост производительности. Существуют и другие квантовые алгоритмы, нацеленные на решение разнообразных задач.

Технологии будущего: квантовые компьютеры

Но, независимо от реализуемого алгоритма, использование технологий квантовых вычислений позволяет эффективно решать задачи, требующие серьезной вычислительной мощности. Например, квантовому компьютеру может оказаться под силу расшифровать сообщения, защищенные асимметричным криптографическим алгоритмом RSA.  Другим возможным применением квантовых компьютеров могут стать задачи моделирования физических процессов или обработка очень больших объемов данных.

Нельзя не упомянуть и существование квантовой теории игр, являющейся адаптацией классической теории игр. Напомню, теория игр это математический метод изучения оптимальных стратегий в играх, где под игрой понимается процесс, в котором участвуют две и более сторон, ведущих борьбу за реализацию своих интересов. У каждой из сторон есть своя цель, для достижения которой реализуется определенная стратегия, которая может вести к выигрышу или проигрышу, в зависимости от поведения других игроков. При этом теория игр помогает выбрать лучшие стратегии с учётом представлений о других участниках, их ресурсах и их возможных поступках.

В квантовой теории игр классический бит (т.е. выбор одного из двух вариантов, например, да или нет) заменяется кубитом, который является квантовой суперпозицией базовых состояний. С учетом связанности кубитов любая операция, производимая над одним из них, может повлиять и на другие. Таким образом, развязка игры может оказаться весьма неожиданной.

Впрочем, у квантовых компьютеров есть и системные недоставки, даже если не брать в расчет сложность физической реализации. Во-первых, как уже упоминалось, результат квантовых вычислений носит вероятностный характер. Во-вторых, внешние воздействия, например магнитные поля, могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения. Не стоит забывать и о сложностях считывания состояния квантовых регистров. Однако все эти сложности не пугают не только ученых, но коммерческие компании, все активнее интересующиеся темой квантовых компьютеров.

Технологии будущего: квантовые компьютеры

Конечно, реализация полноценного квантового компьютера считается одной из фундаментальных задач физики XXI века, но определенные позитивные сдвиги в этом вопросе уже есть. В 1998 году ученые из Массачусетского технологического института смогли разделить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена (напомню, в квантовых компьютерах носителями информации могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны). В марте 2000 года ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили об успешном создании квантового компьютера с 7 кубитами. Годом позже, в 2001, специалисты IBM продемонстрировали вычисление алгоритма Шора на 7-кубитном компьютере.

В 2005 году группой исследователей из Московской лаборатории сверхпроводимости под руководством Ю. Пашкина при помощи японских специалистов был построен 2-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах. Запомнился 2005 год и другим достижением – ученым из института  квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете удалось создать кубайт (регистр из 8 кубитов). В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США удалось создать 2-кубитный программируемый квантовый компьютер.

Кстати, предложенное Пашиным использование сверхпроводимости для квантовых компьютеров  оказалось весьма перспективным. В феврале 2012 году специалисты компании IBM заявили о серьезном прорыве в деле создания кубитов на сверхпроводящих элементах. Рабочая температура подобных квантовых компьютеров составляет  десятки микрокельвин. Соответственно, ему нужна крайне эффективная система охлаждения, работающая на специальной смеси изотопов гелия-3 и гелия-4. Впрочем, технологически получение столь низких температур отлично проработано уже сейчас.

В апреле 2012 группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова и Калифорнийского университета Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза (с примесями), который может работать при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым.

Технологии будущего: квантовые компьютеры

Отдельно внимания заслуживает компания D-Wave Systems, которая в 2007 году продемонстрировала 16-кубитный компьютер Orion, а в ноябре того же года – 28-кубитный компьютер. В мае 2011 года ей же был показан 128-кубитный компьютер D-Wave One, а конце 2012 года – компьютер на 512 кубитов. При этом D-Wave One является коммерчески доступным продуктом, его цена составляет 11 миллионов долларов. Впрочем, даже если не обращать внимания на высокую цену, сфера применения компьютеров D-Wave пока достаточно ограничена, в основном речь идет о задачах дискретной оптимизации.

Технологии будущего: квантовые компьютеры
Схема соединений между кубитами компьютеров D-Wave

Причем многие исследователи не считают компьютеры D-Wave подлинными квантовыми вычислительными машинами, заявляя об излишне скромном приросте производительности относительно классических систем и сомневаются в наличии в компьютерах D-Wave запутанности кубитов, что является одним из фундаментальных принципов построения квантовых компьютеров. Впрочем, в январе 2014 года ученые D-Wave опубликовали статью, доказывающую наличие в компьютерах D-Wave квантовой когерентности и запутанности между отдельными подгруппами кубитов (размером 2 и 8 элементов) в процессоре во время проведения вычислений.

Квантовый компьютер D-Wave
Квантовый компьютер D-Wave

Конечно, спорить об истинности квантовой сущности компьютеров D-Wave можно сколько угодно, но нельзя не признать, что интерес к квантовым компьютерам есть как у ученых по всему миру, так и крупных корпораций. В том числе, и у Google (команда проекта Google Quantum AI), собирающийся при помощи квантовых компьютеров решить задачи, которые невозможно или нецелесообразно решать при помощи классических вычислительных устройств.  Сейчас эта сфера активно развивается (в том числе и в нашей стране), хотя пока и не имеет практического применения. Но через эту стадию прошли многие технологии, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни. Тем более что ученые смотрят в будущее с большим оптимизмом.

comments powered by HyperComments