Квантовый компьютер
Валерий Шевченко
Напишите свой комментарий
Всего комментариев – 7
13 февраля 2007 г. произошло поистине эпохальное событие – демонстрация квантового компьютера. И это случилось лет на 20 раньше, чем предсказывали ученые. Квантовый компьютер Orion – это первая практическая реализация технологии, позволяющей осуществлять одновременно до 65 536 вычислительных потоков. Его создатель – компания D-Wave – целиком посвятил свою деятельность этой проблеме, уставный капитал предприятия составил 20 млн долл., а конечной целью является разработка доступного и эффективного устройства. 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.
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
Такой вычислитель через считаные 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.
Эти устройства, с которыми исследователи экспериментировали в течение многих лет, радикально отличаются от сегодняшних электронно-вычислительных машин.
В начале 80-х годов прошлого века нобелевский лауреат Ричард Фейнман (Richard P. Feynman) из Калифорнийского технологического института, известный как автор «Фейнмановских лекций по физике», увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа – квантовом.
Идеи Фейнмана сыграли свою важную роль. Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на самом современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью «компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся законам квантовой механики».
Кроме Фейнмана, идеи квантовых вычислений пропагандировали такие физики-теоретики, как Поль Бениофф (Paul Benioff) из Аргонской национальной лаборатории в Иллинойсе; Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета в Англии и Чарльз Беннетт (Charles Bennett) из исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Ватсона (T. J. Watson) в Йорктаун-Хайтсе (штат Нью-Йорк). Не стоит забывать также и о российском математике Ю. И. Манине, чей первый труд по квантовому компьютингу появился еще в 1980 г. Он высказал предположение, что «квантовый шум», в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превращающийся в препятствие для их нормальной работы, можно попытаться использовать для конструирования компьютеров нового типа, считающих по новым, «квантовым» алгоритмам.
Ионная ловушка как квантовый процессор. В линейной структуре благодаря взаимному отталкиванию ионы находятся на расстоянии ~20 мкм. Каждый ион адресуется парой лазерных лучей и представляет собой кубит
Однако в те годы идея квантового компьютера казалась настолько фантомной, что о реализации ее на практике писали разве что фантасты. Только после 1994 г., когда Питер Шор (Peter Shor) из исследовательского подразделения AT&T Research описал специфичный квантовый алгоритм для факторизации больших чисел (разбиения их на простые множители), который оказался гораздо эффективнее существующих до этого алгоритмов, предназначенных для традиционных ПК, наступил перелом в сознании скептиков. Но больше всех всполошились специалисты по вопросам компьютерной безопасности – взломать защиту многих криптосистем, имея квантовый компьютер, как оказалось, не составляет особого труда. Таким образом, Питер Шор, а затем и Лов Гровер (Lov Grover) из научного центра Bell Labs со своим алгоритмом быстрого поиска в неупорядоченной базе данных инициировали лавину новых исследований в области квантовых вычислений во всем мире. Среди ведущих мировых ученых, активно воплощающих идеи квантового компьютинга в жизнь, следует отметить прежде всего доктора Айзека Чуанга (Isaac Chuang) из центра IBM Алмейден (IBM's Almaden Research Center, Сан-Хосе, Калифорния). Возглавляемые им команды специалистов создали в 1998 г. в Калифорнийском университете Беркли первый в мире двухкубитовый квантовый компьютер, в следующем году – трехкубитовый образец, который с использованием алгоритма Гровера совершал поиск в базе данных, а позднее был продемонстрирован метод упорядочения на квантовом компьютере с разрядностью 7 кубит. Ученые в центре IBM Алмейден выполнили одно из наиболее сложных квантовокомпьютерных вычислений. Они создали 7-кубитовый квантовый компьютер из миллиарда миллиардов изготовленных по заказу молекул, который с помощью алгоритма Шора решил простую версию математической проблемы, лежащую в основе многих из сегодняшних криптографических систем защиты данных.
Принцип работы такого компьютера связан с таинственными и пока непостижимыми для большинства людей квантовыми свойствами атомов и элементарных частиц. Квантовый компьютер, в частности, может быть основан на свойствах спинов электронов и атомных ядер. Когда спин частицы расположен вдоль выделенного направления, атом может быть «считан» как 1, а обратное направление вниз будет соответствовать 0. Это аналогично традиционному транзистору, для которого ноль и единица соответствуют открытому и закрытому состояниям. Но что делает рассматриваемый компьютер уникальным, так это тот факт, что квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в когерентном (запутанном – entangled state) состоянии, в котором частицы все-таки зависят друг от друга. В обычном ПК изменение состояния отдельного бита никак не связано с изменением состояния всех остальных битов, разве что только одного. В квантовом компьютере управление состоянием одной частицы вызывает изменение состояния всех других. Это и приводит к квантовому параллелизму вычислений. Благодаря данному эффекту такой компьютер может иметь феноменальную производительность. Для определенных типов вычислений, подобных сложным алгоритмам для криптографии или поискам в гигантских массивах данных, квантовый компьютер может использовать «в тандеме» сотни атомов. На классической машине это бы соответствовало выполнению миллиардов операций одновременно.
Схематическое изображение двух ячеек Кейна в кремниевой матрице с ядерными спинами-кубитами донорных атомов фосфора. При температурах менее 1K ядерные спины имеют очень большое время (часы и дни) сохранения исходных состояний квантового регистра
Схематическая структура квантового компьютера показана на рис. 1. Основным элементом квантового компьютера являются квантовые биты, или кубиты. Обычный бит – это классическая система, у которой есть только два состояния. Можно сказать, что пространство состояний бита – это множество из двух элементов, например из нуля и единицы. Кубит же – это квантовая система с двумя возможными состояниями (например, спин электрона может быть равен либо 1/2, либо -1/2). Но, поскольку система квантовая, ее пространство состояний будет несравненно богаче. Несколько вариантов реализации кубитов показаны на рис. 2–4.
В квантовой механике есть несколько основных положений, среди которых для квантовых вычислений наиболее важен принцип суперпозиции. Применяя этот принцип, например к электрону, получаем, что возможно его смешанное состояние, когда оба состояния со спином, направленным вверх или вниз, присутствуют с некоторой вероятностью. Существенное значение в процессе выполнения квантовых вычислительных операций, кроме того, имеют состояния, представляющие собой когерентную интерференцию между множеством суперпозиций. Данная особенность квантовых вычислений называется квантовым параллелизмом. Этим они принципиально отличаются от операций над классическими булевыми состояниями. Квантовый параллелизм – главное преимущество квантовых вычислений по сравнению с цифровыми классическими. Например, в случае системы из двух кубитов мы как бы оперируем одновременно со всеми возможными ее состояниями: 00, 01, 11, 10 – что соответствует четырем вычислительным потокам. 16 кубитов позволят реализовать уже 216 = 65 536 таких потоков!
Канадская компания D-Wave в середине февраля текущего года продемонстрировала первый квантовый компьютер Orion в Компьютерном музее в Калифорнии (Computer History Museum in Mountain View). Представитель компании сказал, что D-Wave планирует начать продажу квантовых вычислительных мощностей корпоративным заказчикам в I квартале 2008 г.
электронные модули для связи с квантовым чипом; в – кремниевый квантовый чип с 16 кубитами
Компьютер D-Wave's построен на кремниевом чипе (рис. 5, а), который содержит 16 кубитов (эквивалентных битам в обычном компьютере), соединенных друг с другом. Каждый кубит состоит из кристалла ниобия, помещенного в катушку индуктивности.
Электрический ток, протекающий по катушке, генерирует магнитное поле, а оно, в свою очередь, вызывает изменение состояния кубита. Поскольку известно, как ниобий реагирует на магнитные поля, и параметры магнитных полей можно легко измерить, то их изменения, вызванные ниобием, могут быть переведены в результат, который и является решением задачи.
«Кубиты ведут себя согласно некоторому своду правил, – сказал один из основателей компании Джорди Роуз (Geordie Rose). – Квантовые вычисления – это перевод квантовых законов в формат, который мы можем понять».
В конечном счете, компьютер Orion – аналоговое устройство. Работа программ квантового компьютера – это процесс аналогового физического моделирования, а программы в цифровых вычислительных машинах по существу выполняют математические процедуры.
В силу присущих ему квантовых свойств компьютер фирмы D-Wave's оптимизирован для реализации сложных, часто повторяющихся задач моделирования: например, необходимо выяснить, что произойдет при вариации переменных в сложной финансовой модели, или как различные белки взаимодействуют с различными синтетическими лекарствами, разрабатываемыми в фармацевтической промышленности. Система также может использоваться и в других областях, скажем, при анализе патентных баз данных для поиска пар одинаковых или перекрывающихся объектов интеллектуальной собственности.
«Мы рассматриваем эти машины как генераторы распределения вероятности, – сказал г-н Роуз, – и хотим создать физический аналог сложной математической задачи».
Сейчас Orion – доказательство работоспособности концепции квантового компьютера – демонстрация того, как будет выглядеть конечный продукт. На ней была показана программа для решения проблемы Sudoku (Судоку – головоломка, которая стала популярной в 1986 г. в Японии, а в 2005 г. – во всем мире. Ее часто называют «кубиком Рубика XXI в.». Относится к классу трудно решаемых задач).
Была также представлена система поиска молекул, подобных активному ингредиенту в препарате Prilosec (лекарство против изжоги и для восстановления кислотности фирмы AstraZeneca) в химической базе данных. Компьютер нашел несколько молекул, которые имели элементы, схожие с конструкцией Prilosec, но самой близкой молекулой оказался активный ингредиент в другом препарате под названием Nexium. Это продемонстрировало точность квантового вычислителя. Nexium – фактически зеркальное изображение молекулы в Prilosec, а фармацевтическая компания AstraZeneca «разработала» его для обеспечения патентной чистоты.
В другом примере квантовый компьютер решил известную задачу размещения гостей за столом, где каждый гость имел свои требования. (Клеопатра не может находиться рядом с теми, кто ест мясо. Чингисхан ест мясо и т. д.) Он рассчитал план размещения гостей с минимальным числом нарушений протокола.
Собственно компьютер, который функционирует при температуре 0,004К (–273,15 ˚С) и охлаждается жидким гелием, находился в Канаде. Посетители только видели результаты его работы на экране. Однако, по словам г-на Роуза, это была самая большая демонстрация квантового компьютера когда-либо.
Как сообщил генеральный директор компании Герб Мартин (Herb Martin), к концу года D-Wave будет иметь 32-кубитовую систему и планирует сдавать в аренду время на своих квантовых компьютерах корпоративным клиентам в I квартале следующего года.
«Заказчик не обязан изучать специальные методы программирования и другие тонкости работы системы, чтобы воспользоваться преимуществом квантового компьютера; достаточно отправить задание D-Wave, подобно заказу, как это принято в любой другой компании, – говорит г-н Мартин. – Позже D-Wave планирует сдавать в аренду или продавать компьютеры», – добавил он.
Во II квартале 2008 г. компания планирует создать 512-кубитовую систему, а к концу года и 1024-кубитовую.
«Квантовые компьютеры, – подчеркнул Герб Мартин, – не заменят цифровых вычислительных машин. Вместо этого они будут служить как сопроцессоры для решения больших проблем».
Но имеется ли рынок для аренды вычислительных ресурсов? Sun Microsystems несколько лет назад открыла сервер, который сдает как хранилище баз данных для химических и фармацевтических компаний. Его используют уже несколько заказчиков.
«Некоторые проблемы у D-Wave могут возникнуть потому, что квантовый компьютер будет способен решать намного более сложные проблемы, чем те, которыми занимаются компании в настоящее время», – сказал Стив Джарветсон (Steve Jurvetson), партнер компании Draper Fisher Jurvetson и инвестор D-Wave. Например, многие медицинские фирмы искусственно ограничивают возможности своих исследований, чтобы они соответствовали существующим вычислительным мощностям. D-Wave имеет 100 доступных зарегистрированных приложений и 35 грантов.
Важное преимущество состоит и в том, что компьютер будет иметь минимальный расход энергии. Ниобий – сверхпроводник и, таким образом, не излучает тепло. Квантовый чип непосредственно рассеивает мощность всего несколько нановатт.
Холодильная установка потребляет мощность 20 кВт, которая все еще мала по сравнению с большинством тяжелых серверов – хранилищ данных. «Рост числа кубитов на чипе не потребует значительного увеличений охлаждения», – добавил г-н Роуз.
Даже с объяснениями квантовые концепции могут быть слишком сложными для широкой публики. Попытки понять атомные взаимодействия ведутся до настоящего времени и лежат в основе квантовых вычислений.
