Квантовые компьютеры

Рейтинг пользователей: / 10
ХудшийЛучший 

«Кажется, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров компьютеров до тех пор, пока они не достигнут размеров атомов, тогда квантовое поведение будет уже оказывать доминирующее влияние.»

Ричард Фейнман

Все современные компьютеры, какие бы квантово-механические процессы они не использовали, — всего лишь различные технологические исполнения одной и той же классической идеи универсальной машины Тьюринга. Именно поэтому все существующие компьютеры имеют в сущности один и тот же репертуар вычислений: отличие состоит только в скорости, емкости памяти и устройствах ввода-вывода. Это все равно, что сказать, что даже самый непритязательный современный домашний компьютер можно запрограммировать для решения любой задачи или передачи любой среды, которую могут передать наши самые мощные компьютеры, при условии установки на него дополнительной памяти, достаточно долгом времени обработки и наличии аппаратного обеспечения, подходящего для демонстрации результатов работы.

Квантовое вычисление — это нечто большее, чем просто более быстрая и миниатюрная технология реализации машин Тьюринга. Квантовый компьютер — это машина, использующая уникальные квантово-механические эффекты, в особенности, интерференцию, для выполнения совершенно новых видов вычислений, которые, даже в принципе, невозможно выполнить ни на одной машине Тьюринга, а следовательно, ни на каком классическом компьютере. Таким образом, квантовое вычисление — это ни что иное, как принципиально новый способ использования природы.

Экспериментальные и теоретические исследования в области квантового вычисления набирают темп во всем мире. Предлагают даже более обещающие новые технологии реализации квантовых компьютеров и постоянно открывают и анализируют новые типы квантового вычисления с различными преимуществами перед классическим вычислением.

С фундаментальной точки зрения не имеет значения, насколько полезным оказывается квантовое вычисление, как не имеет значения и то, построим ли мы первый универсальный квантовый компьютер на следующей неделе, через ве- века или не построим его никогда. В любом случае, квантовая теория вычисления должна быть неотъемлемой частью мировоззрения любого человека, ищущего фундаментального понимания реальности. То, что квантовые компьютеры говорят нам о связи законов физики, универсальности и, на первый взгляд, несвязанных направлений объяснения в структуре реальности, мы можем обнаружить — и уже обнаруживаем, — изучая их теоретически.

Законы физики допускают существование компьютеров, способных передать любую физически возможную среду, не используя непрактично больших ресурсов. Таким образом, универсальное вычисление не просто возможно, как этого требовал принцип Тьюринга, оно также является легкообрабатываемым. Квантовые явления могут включать огромное множество параллельных вселенных, а потому, могут не поддаться эффективному моделированию в пределах одной вселенной. Тем не менее, эта жизнестойкая форма универсальности прежнему остается в силе, потому что квантовые компьютеры могут эффективно передать любую физически возможную квантовую среду, даже при взаимодействии огромного множества вселенных. Квантовые компьютеры также могут эффективно решать определенные математические задачи, например, разложение на множители, которые с классических позиций являются труднообрабатываемыми, а также осуществлять классически невозможные разновидности криптографии. Квантовое вычисление — это качественно новый способ использования природы.

Квантовые компьютеры стали реальностью, человечество получило в свои руки инструмент практически с неограниченной вычислительной мощностью, а также огромную проблему по обеспечению безопасности, поскольку перед подобными возможностями не устоят никакие криптографические алгоритмы.

Такой вычислитель через считанные годы лишит сна военных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность критически зависят от надежности защиты информации. Самые устойчивые из известных сегодня шифров основываются на разбиении достаточно большого числа на простые множители (один из вариантов – так называемая задача факторизации). К примеру, взлом системы RSA-129 (разложение на множители 129-разрядного числа) потребовал в 1994 г. восьмимесячной работы 1600 мощных компьютеров, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 млрд лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер может справиться с такой задачей за несколько недель.

Огромные вычислительные способности квантовых компьютеров перевернут ситуацию не только в криптографии. По мнению одного из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джона Прескилла из Калифорнийского технологического института, «то, что задача факторизации считается сегодня особенно важной, – историческая случайность». Поистине уникальные возможности открываются для быстрого поиска в базах данных, моделирования физических процессов на микроуровне, а радикально настроенные технократы, например профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз, всерьез говорят о решающем вкладе квантового компьютера в создание искусственного интеллекта. Есть о чем задуматься и китам «новой экономики», вкладывающим сегодня миллиарды в традиционные ПК в расчете на растущий завтрашний спрос: первый освоивший квантовые информационные технологии поставит конкурентов на колени, а доквантовая компьютерная революция и недавние рекорды NASDAQ будут казаться не более чем забавными историческими деталями.

Однако даже скромный квантовый компьютер позволит уже решить задачи, представляющие большой научный интерес. Например, имея всего несколько кубитов (кубит – квантовый бит – quantum bit – qubit ), он будет крайне полезен при проведении так называемых измерений Белла, которые могут быть использованы при реализации квантовой телепортации. Вполне вероятно, что 10 кубитов хватит, чтобы на квантовом компьютере реализовать квантовое кодирование Шумахера, весьма важное для эффективной квантовой криптографии. И не исключено, что 100 бит хватит для того, чтобы квантовый компьютер смог стать эффективным инструментом шумовой (возможно, частично декогерентной) квантовой криптографической связи. По всей видимости, в качестве приложений можно будет создавать пары Эйнштейна–Подольского–Розена, удаленные на большие расстояния, что позволит осуществить новые строгие эксперименты по проверке справедливости квантовой теории. Сейчас и в физике, и в теории вычислений ведутся активные поиски новых путей использования квантовых компьютеров.