В современной науке отрабатывается много различных идей и теорий, многие из которых кажутся совершенно фантастическими, но которые открывают со временем новые возможности, недоступные теперь. Присматриваясь к ним, можно разглядеть контуры будущего, в том числе весьма отдаленного. На этом тщательном изучении научных разработок основаны великолепные прогнозы будущего, созданные Жюлем Верном и Станиславом Лемом. Одной из таких идей, которые развиваются в настоящее время, является развитие квантового счисления и квантовых компьютеров.
Начало и безумные идеи
Квантовое счисление началось с опыта с интерференцией света, создаваемого излучением лазера, пропускаемого через перегородку с четырьмя очень узкими отверстиями. Излучение подавалось таким образом, что свет излучается буквально отдельными квантами. В ходе такого эксперимента выявляется удивительная картина: свет, испускаемый малым количеством квантов, который должен был бы свободно пройти через очень узкую щель и оставить узкую яркую полоску света, по толщине точно соответствующую ширине прорези. Но этого не происходит, и полосы света на экране видны размытыми. Свет на что-то наталкивается и рассеивается.
Эти квантовые эффекты были известны достаточно давно, но исследователи видели в них проблему, препятствующую решению ряда практических задач, к примеру, задач по миниатюризации микросхем. Физик из Принстонского университета Хью Эверетт в 1957 году предложил оригинальное объяснение квантовым эффектам. Он заявил, что подобные эффекты вызывают теневые фотоны, то есть фотоны, которые принадлежат другим вселенным. Они не существуют в нашей вселенной, но могут быть обнаружены в потоке фотонов. Это так называемая многомировая интерпретация квантовой механики. Эверетту эта теория обошлась расставанием с теоретической физикой. Хью Эверетт умер в 1982 году, став известным консультантом, аналитиком и миллионером.
Другой известный физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейман, участник американского атомного проекта и испытаний первой атомной бомбы, в 1982 году пошел дальше и предложил совершенно фантастическую идею — использовать многомировую интерпретацию Эверетта для создания вычислительных машин. С этой идеей Фейман свободно входит в десятку самых фантастических идей в физике, и имеет весьма неслабые шансы побороться за лидерство. Учитывая его заслуги в атомном проекте, и что он же впервые выдвинул идею манипулирования атомами, как предметами, чем положил начало нанотехнологии, можно сказать, что Фейман оказал огромное влияние на развитие науки и техники во второй половине ХХ века.
Итак, была выдвинута фантастическая идея — создать вычислительную машину, работающую с использованием параллельных вселенных. Однако, несмотря на всю фантастичность этой идеи, первые образцы квантовых вычислительных машин были созданы и испытаны.
Что такое устройство для произведения квантовых вычислений? Это устройство должно обладать способностью испускать отдельные, одинаковые кванты. Информация в двоичном коде, единица и ноль, передаются квантами. К счастью, такое устройство в технологии имеется — это лазер. Он испускает монохромное (одной длины волны), когерентное (одной частоты) излучение. Если описывать устройство квантового компьютера, его принципиальную схему, то это можно сделать так. Квантовый компьютер представляет собой соединение обычного компьютера с лазером. По специальной программе обычная электронно-вычислительная машина программирует излучение лазера. Это излучение отражается в системе зеркал, позволяющих проследить буквально за каждым квантом света, и считывается фотоэлементами, результаты чего обрабатываются в электронно-вычислительной машине. Это лишь грубое описание принципиальной схемы квантового компьютера, основанное на работе самых первых лабораторных образцов, и далекое от тонкостей и нюансов этой сложной машины в том виде, в каком она создается сейчас. Ученые вскоре перешли от классических опытов с лазером к исследованию управления субатомными частицами. Это оказался весьма продуктивный путь и почти все созданные к настоящему времени прототипы квантовых компьютеров основаны на управлении субатомными частицами некоторых элементов (ниобия, фосфора) с помощью магнитных полей, и измерению изменений магнитных полей, которые переводятся в результат счисления.
В чем физический смысл квантовых вычислений? К сожалению, в этом вопросе лучше всего разбирается лишь один человек — Дэвид Дойч, автор книги «Структура реальности», и передать точный смысл его теории довольно трудно. Но автор дал краткое определение принципу квантового счисления:
«Квантовое вычисление, которое сейчас находится в зачаточном состоянии, — качественно новый этап этого движения. Это будет первая технология, которая позволит выполнять полезные задачи при участии параллельных вселенных. Квантовый компьютер сможет распределить составляющие сложной задачи между множеством параллельных вселенных, а затем поделиться результатами».
Первые прототипы
Долгое время идея квантового компьютера считалась ненаучной фантастикой, пока в 1994 году Питер Шор из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для разбиения на простые множители (факторизации) больших чисел. В 1998 году в Калифорнийском университет Беркли под руководством доктора Айзека Чуанга был создан первый 2-кубитовый квантовый компьютер. Этот компьютер позволял реализовать четыре вычислительных потока.
В феврале 2007 года канадская компания D-Wave Systems представила первый работающий прототип квантового компьютера Orion. Презентация работающего в Ванкувере компьютера производилась в Силиконовой долине. Компьютер представлял собой 16-кубитовый кремниевый чип, состоящий из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности. Работа квантового компьютера основана на измерении магнитных полей и переводу их изменений, вызванных ниобием, в результат счисления. Этот компьютер функционирует при температуре - 273,15 град Цельсия и охлаждается жидким гелием.
«Созданная система имеет разрядность всего 16 кубитов, что не превышает возможностей компьютеров обычной архитектуры, но это еще только первый прототип, лишь демонстрирующий возможности будущего квантового компьютера. В будущем сотрудники компании будут работать над повышением мощности квантовых процессоров, которую уже в ближайшие несколько лет можно довести до 1000 квантовых разрядов. После чего у нас есть планы выпустить такие процессоры на коммерческий рынок», — заявил глава компании D-Wave Херб Мартин. 16-ти разрядный квантовый компьютер позволяет реализовать 65536 вычислительных потоков.
Работают над квантовыми компьютерами и в России. Институт теоретической физики им. Ландау РАН и Физико-технологический институт РАН проводят опыты с разной архитектурой квантовых компьютеров, с разными материалами.
«Разработка квантовых компьютеров — очень и очень трудная задача. Мы движемся сразу по нескольким направлениям исследований, разрабатываем разные архитектуры квантовых процессоров и смотрим, какие из них будут наиболее эффективными. Кроме того, мы следим и за творчеством коллег из—за океана. Так вот, та информация, что имеется, склоняет нас к мысли, что устройство, представленное D-Wave, не является полноценным квантовым компьютером. Канадцы поспешили объявить миру, что совершили революцию, но на деле это всего лишь преувеличение... По нашим предположениям, такой компьютер может появиться примерно к 2030 году. И пока рано рисовать радужные картины», — заявил директор Физико-технологического института РАН, академик Александр Орликовский.
Но нужно сказать, что пока нет четкого определения, что понимать под квантовыми компьютерами. Разные компании и институты называют так совершенно несхожие разработки. К примеру, IBM экспериментирует с субатомными частицами, в которых двоичный код соответствует разным направлениям вращения частицы. В силу законов квантовой механики на субатомном уровне, квантовый бит может иметь промежуточное состояние.
Институт теоретической физики им. Ландау экспериментирует с миниатюрными сверхпроводимыми кольцами, в которых двоичный код соответствует разным направлениям тока, — квантовыми регистрами, которые переключаются с помощью магнитного поля.
Это достаточно интересные разработки в области разработки нанопроцессоров, в которых используются принципы квантовой механики. Пока эксперименты не пошли дальше нескольких квантовых регистров. Американцы в 2000 году сумели создать рабочую структуру из 5 атомов.
Канадцы планируют закрепить успех и создать квантовые компьютеры с 512-кубитовой системой, а потом и 1024-кубитовой системой. Эта задача может быть реализована в 2008 году, хотя другие специалисты в этой области весьма скептически относятся к таким заявлениям.
Перспективы квантового счисления
В чем перспективность квантовых счислений, если не вдаваться в чистую теорию? В том, что квантовые компьютеры смогут решать целые классы задач, которые сейчас являются очень тяжелыми и трудно обрабатываемыми. Они же смогут решать их очень быстро. В частности, наиболее перспективной областью, в которую в основном идут средства, является создание квантовой криптографии, то есть шифров.
Если не вдаваться в подробности, то квантовая криптография говорит о следующем: перехват посланного сообщения сразу же становится известным. Это означает, что факт шпионажа не заметить нельзя. Перехваченное сообщение, зашифрованное квантовым компьютером, утрачивает свою структуру и становится непонятным для адресата. Поскольку квантовая криптография эксплуатирует природу реальности, а не человеческие изыски, то скрыть факт шпионажа становится так же невозможно, как силой воли проигнорировать, скажем, гравитацию. Появление шифрования такого рода поставит окончательную точку в борьбе криптографов за наиболее надежные способы шифрования сообщений.
Кроме того, квантовый компьютер, благодаря своим качествам, способен разложить 250-значное число не за 800—1000 лет, как современные самые мощные электронно-вычислительные машины, а за 30 минут. С такой машиной спецслужбы могут быстро взломать любой, самый сложный шифр.
Вот поэтому в эти исследования квантовой криптографии вкладываются большие средства, и значительная часть исследований в этой области сейчас осуществляется на средства оборонных ведомств и спецслужб.
У квантовых компьютеров есть еще одна сфера применения, огромное значение которой понятно уже сегодня. Гигантская вычислительная мощь квантового компьютера позволит переложить на плечи машины самую разнообразную интеллектуальную деятельность. Машина может не только накапливать, хранить и обрабатывать информацию, но и производить с ней операции, совершенно недоступные даже самым мощным современным компьютерам.
Что имеется в виду? Квантовые компьютеры позволят создать экспертные системы нового поколения. Экспертная система — это компьютерная система, которая использует знания одного или нескольких экспертов в формализованном виде, а также логику принятия решений. Эта система предназначена для принятия обоснованного решения в тяжелых условиях, когда не хватает времени, опыта, знаний, информации. На введенный запрос машина дает квалифицированную консультацию или подсказку.
Экспертные системы стали создавать, как только это позволили вычислительные мощности компьютеров. В СССР работы по созданию экспертных систем развернул известный специалист в области кибернетики, академик Виктор Глушков еще в 1968 году. Собственно, создание экспертных систем называется часто разработкой искусственного интеллекта.
Первые модели были созданы в середине 1970-х годов: система MYCIN использовалась в медицине для диагностики заболеваний, DENDRAL в разведке месторождений полезных ископаемых для анализа химического состава почв.
Но квантовый компьютер, резко превосходящий обычный компьютер, в состоянии использовать накопленные знания и алгоритмы принятия решений намного более полно и всесторонне. Экспертная система на основе квантовых компьютеров может заменить коллективы самых лучших ученых и инженеров, а также может накапливать с течением времени интеллектуальный потенциал. Разумеется, что человек не будет полностью исключен из работы, потому что потребуются люди, которые будут формулировать запросы в экспертную систему.
В памяти экспертной системы хранится огромное количество всевозможных технических сведений: параметры материалов, машин, промышленного оборудования, стандарты и многое другое. Также хранятся алгоритмы принятия решений, созданные тысячами самых лучших специалистов. В экспертную систему вводится запрос, скажем, на конструирование машины с определенными функциями. Экспертная система выполняет разработку и конструирование машины, как если бы это делал большой коллектив высококлассных специалистов, и выдает готовые чертежи, по которым машину можно построить. В разработке учтены наличие материалов и возможности производства.
Создание подобной экспертной системы на основе квантовых компьютеров произведет крупнейший переворот в технике. В разы сократится время разработок новых машин, будет освоен большой спектр разнообразных технических и конструкторских решений, будут преодолены традиции, сковывающие работу специалистов. Страна, которая первой создаст такую экспертную систему, получит уникальный шанс вырваться в лидеры в научно-технической гонке.
Даже самые лучшие коллективы ученых и инженеров высочайшей квалификации будут не в состоянии тягаться с машиной, которая аккумулирует огромный объем информации, алгоритмы мышления тысяч лучших ученых, и при этом в состоянии работать круглые сутки.
