Квантастический компьютер

В списке важнейших изобретений, которые призваны изменить мир в XXI веке, на одном из первых мест до сих пор значится «квантовый компьютер» — некая гипотетическая вычислительная машина, способная в считанные мгновения обрабатывать больше данных, чем существует частиц во Вселенной. И вот, похоже, мечта математиков становится реальностью — компания D-Wave Systems продемонстрировала первый в мире квантовый процессор

Презентация состоялась в самом сердце легендарной Силиконовой долины — в Музее истории компьютеров, где собралась практически вся элита электронного мира. Канадская компания D-Wave Systems, созданная при Университете Британской Колумбии (UBC), представила свой революционный труд, на разработку которого ушло более восьми лет, — первый в истории коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер «Орион». Правда, сам компьютер никто из собравшихся так и не увидел — он находился в специальном морозильном бункере корпорации под Ванкувером.

— Процессор работает при температуре минус 273,1 градуса по Цельсию, а такое охлаждение требует специального оборудования, — пояснил глава исследовательского отдела и вице-президент компании Херб Мартин. — Поэтому мы можем представить только дистанционный доступ к компьютеру — через интернет.

Для испытания квантовому компьютеру программисты предложили три задачи. Во-первых, нужно было найти в каталоге все молекулярные структуры, чьи свойства соответствовали бы заданной молекуле. Во-вторых, компьютер должен был составить идеальный план рассаживания гостей (помните детскую логическую задачку о безопасном способе переправы через реку волка, козы и капусты?). Наконец, компьютер должен был решить математическую головоломку судоку (см. с. 62 «Огонька»).

Со всеми заданиями «Орион» справился за считанные минуты. Конечно, способности прототипа квантового компьютера пока еще очень далеки от совершенства «машины будущего», которая существует лишь в воображении фантастов. Сегодня «Орион» способен выполнять всего 64 тысячи операций одновременно — это мощность обычной «персоналки». Но все дело в другом — впервые в вычислительной технике ученые применили квантовый способ обработки данных, который до этого был рассчитан только в теории.

ТЕОРИЯ КВАНТА

Квант — это то количество электромагнитного излучения, которое за один раз способна излучить или поглотить элементарная частица. Но согласно теории корпускулярно-волнового дуализма кванты и сами являются элементарными частицами — то есть они одновременно обладают свойствами и частиц, и волн. К примеру, весь свет состоит из таких квантов — фотонов. Гуманитарии могут представить себе существительное, которое в то же время является и глаголом. Именно на этой двойственности элементарных частиц и построена вся квантовая механика.

— Если обычные кремниевые компьютеры построены на двоичном принципе «ноль — один», то квантовый компьютер — это не «или — или», а в один и тот же момент оба состояния — «и — и», — объясняет принцип работы революционного процессора академик Камиль Валиев, научный руководитель Физико-технологического института РАН. — Это связано с двойственной природой фотона, носителя информации в квантовом компьютере, который оперирует квантовыми битами, или кубитами, которые могут принимать одновременно два значения.

Принцип действия квантового компьютера обосновал еще в конце 80-х американский физик Ричард Фейнман, который пытался смоделировать на обычном компьютере многочастичные задачи квантовой механики. Тогда он и предположил, что для вычислений подобного рода нужен не компьютер с двоичным кодом, а совершенно другая вычислительная техника, которая сама бы использовала принципы квантовой теории, в частности квантовый параллелизм. Именно параллелизм и позволяет каждой квантовой частице-кубиту функционировать как множеству вычислительных систем одновременно. То есть если мы имеем дело с системой из 10 кубитов, то можем выполнить сразу не привычные нам в двоичной логике 10 операций, а 20 миллиардов (2 в 10 степени) логических действий.

Короче, как говорят специалисты, между квантовыми процессорами и кремниевыми (то есть теми, что стоят в наших «персоналках») точно такая же разница, как между ноутбуком и деревянными счетами. Но, если читатель еще не до конца освоил теорию Макса Планка или де Бройля, объяснять ему устройство квантового компьютера бесполезно.

ПРИМАНКА ДЛЯ СПЕЦСЛУЖБ

Поэтому поговорим лучше об истории их создания. Впервые о возможности спроектировать компьютер на иных физических принципах ученые заговорили еще 20 лет назад. (Кстати, первым в мире появление такой вычислительной техники предсказал советский ученый Юрий Манин, да и сегодня в некоторых областях квантовой физики Россия занимает очень хорошие позиции.) Но настоящий бум «квантостроения» начался лишь в 1995 году, когда американский математик Питер Шор переложил для квантового компьютера алгоритм «вычисления простых множителей больших чисел».

Тут надо отметить, что этот «квантовый» алгоритм очень напоминал программу шифрования RSA, названную в честь его авторов — американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана. Они разработали два 250-значных ключа, которые можно было использовать для шифрования конфиденциальных сообщений (сейчас программа RSA «зашита» практически в каждой операционной системе Windows). Расчеты показали, что даже тысяча самых мощных и современных компьютеров будут раскладывать на множители одно 250-значное число примерно 800 — 1000 лет. Для обработки 1000-значного числа потребуется уже 10 в 25-й степени лет. Однако если отойти от привычного компьютерам двоичного кода и воспользоваться «квантовым» алгоритмом, то на раскладывание 1000-значного числа на простые множители уйдет всего нескольких часов.

Понятно, что квантовый компьютер дал бы спецслужбам практически неограниченные возможности. Любой сложный код взламывался бы за считанные минуты, а вся телефонная и радиосвязь, а также конфиденциальная переписка читалась бы не сложнее, чем детская азбука. За идею «квантового алгоритма» схватились и математики — шутка ли, в течение часа рассчитать модель Большого взрыва или проверить теорию относительности Эйнштейна! Так, разработка квантовых компьютеров стала одним из самых перспективных направлений науки, над которым трудятся многие компании во главе с IBM и Intel. Но пока исследователи смогли предложить лишь три гипотетические модели этой чудо-машины.

ТРИ ПУТИ ФОТОНА

Первая модель — это «молекулярный» процессор на базе ядерного магнитно-резонансного (ЯМР) спектрометра. Кубит здесь образуется в виде спина — количества движения элементарных частиц ядра, входящего в состав атомов, которые, в свою очередь, образуют исследуемую в ЯМР-спектрометре молекулу. При определенном магнитном воздействии одно ядро атома начинает вращаться, а вот остальные «молчат». Чтобы превратить спектрометр в «процессор» для компьютера, нужно немногое — написать алгоритм изменения магнитного поля, в котором бы кубиты (спины) действовали в определенном порядке и обменивались «информацией». Однако в настоящее время ученым удается воздействовать лишь на системы с общим числом спинов не более пяти — семи, а вот для решения более или менее полномасштабной задачи их необходимо не менее тысячи.

Второй метод — построение квантового компьютера на твердом теле. К примеру, в Институте теоретической физики им. Л Д. Ландау предлагают сделать процессор на базе сверхпроводника. В Физико-технологическом институте РАН другой подход — там сейчас идут эксперименты по созданию квантового процессора на базе кремния, на котором сегодня работает традиционная микроэлектроника. В нужных местах на кремнии располагают атомы фосфора — таким образом, чтобы «облака» внешних электронов атомов немного пересекались. Так создается их взаимодействие, после чего все прочие атомы в цепочке смогут обмениваться информацией. Все очень похоже на обычный  транзистор, но только вместо тока — состояния атома.

Третья модель построения квантового компьютера основана на использовании ионных ловушек, или «подвешенных» в вакууме ионов, которые и образуют кубиты. Эксперименты по квантовым вычислениям с использованием таких «ловушек» идут сейчас в Инсбрукском университете в Австрии и в Лос-Аламосской лаборатории в США. Однако в «ловушке» можно собрать пока цепочку только из 30 ионов, чего для нормальной работы явно недостаточно.

Однако специалисты D-Wave решили пойти своим путем и вместо трудноуловимых ионов решили использовать более привычные электроны. Как следует из объяснения вице-президента компании Херба Мартина, для изготовления «процессора» ученые взяли элементы из алюминия и ниобия, охладили жидким гелием почти до абсолютного нуля, что замедлило их движение. Таким образом целая группа электронов стала находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии, чего при обычных температурах добиться никак невозможно. Далее, чтобы установить взаимосвязь между получившимися кубитами, ученые создали алгоритм определенным образом меняющихся магнитных полей. А вот для управления кубитами они и использовали обычную кремниевую электронику со специальными программами.

СЕНСАЦИИ НЕ БЫЛО?

Собственно, это совмещение обычной и квантовой технологий и стало причиной того скандального неприятия, с которым академические круги всего мира встретили «Орион».

— Устройство, представленное D-Wave, не является полноценным квантовым компьютером, — заявил сразу же после демонстрации главный квантовый технолог Массачусетского технологического института профессор Сет Ллойд. — В работе этого устройства есть все еще много натяжек и неясностей, так что о полноценном рабочем варианте квантового компьютера еще нет и речи. По нашим предположениям, такой ком-пьютер может появиться примерно к 2030 году.

Однако самих квантовых первопроходцев подобная критика не смущает.

— Мы просто хотели показать принцип выполнимости идеи, — заявил в интервью «Огоньку» Херб Мартин. — Мы хотим стимулировать воображение людей. В ходе нашей презентации мы специально указали, что наше квантовое устройство предназначено в качестве дополнения к обычным компьютерам для расширения их возможностей, а не для замены существующих машин. Ведь большинству пользователей все равно, квантовый компьютер они используют или нет. Для них главное — огромная производительность, и все. Конечно, можно потратить миллиарды долларов на разработку настоящего квантового процессора и получить абсолютно неработоспособный образец. Вряд ли кому-то захочется этим заниматься.

Тем не менее для популяризации своего детища компания D-Wave Systems собирается открыть свободный доступ для всех программистов, желающих поработать на «Орионе». А в следующем году они увеличат процессор с 16 до 1000 кубит, что позволит выполнять расчеты по предсказанию погоды, создавать электронные модели новых препаратов или просто читать чужую почту. В любом случае работа для нового суперпроцессора всегда найдется.

ЦИФРОВЫЕ РЕВОЛЮЦИИ

Вычислительные устройства прошли длительный путь эволюции от деревянных счетов до сегодняшних компьютеров.
Вот лишь десять самых важных вех на этом пути

1826
русский физик Иван Двигубский вводит понятие полупроводника. Развитие физики и техники полупроводников привело к созданию микропроцессоров.

1832
английский ученый Чарлз Беббидж разрабатывает проект «аналитической машины», предвосхищавшей современную ЭВМ.

1936
английский математик А. Тьюринг и американский логик Э Л. Пост выдвинули и разработали концепцию вычислительной машины. В «Машине Тьюринга» был сформулирован принцип алгоритмизации любой задачи.

1946
инженер Д П. Эккерт и физик Д У. Моучли сконструировали в Пенсильванском университете США первую ЭВМ ENIAC, которая за секунду производила 300 операций.

1951
академик Сергей Лебедев собирает первую в СССР вычислительную электронную машину МЭСМ (малая электронная счетная машина), которая имела оперативную память из 100 ячеек на электронных лампах.

1953
в вычислительных машинах Массачусетского технологического института (США) впервые применена «ферритовая память» — прообраз нынешних дискет и DVD- дисков.

1971
компания Intel (США) создает первый микропроцессор. Это изобретение позволило уменьшить размер компьютера в сотни раз.

1977
студенты С. Джобс и В. Возняк организовали предприятие по изготовлению недорогих персональных компьютеров APPLE.

1981
американская фирма по производству вычислительной техники IBM, занимавшая до этого ведущее положение по выпуску больших ЭВМ, приступила к изготовлению  персональных компьютеров IBM PC.

1991
сотрудник Европейской лаборатории физики элементарных частиц Cern в Женеве Тим Бернерс-Ли разработал язык гипертекста для создания компьютерной сети, позже названной Internet.

Фото RSPHYSSE.ANU.EDU