Бог из кванта
Сегодня работы над квантовым компьютером ведутся сразу в нескольких крупнейших корпорациях, занимающихся изготовлением «железа» и программного обеспечения. Это IBM, AT&T, Microsoft, Intel, а также огромное количество ученых и целых НИИ, как за рубежом, так и на просторах нашей необъятной родины. И если до создания полноценной вычислительной машины еще далеко, то сами принципы квантовой механики уже давно и успешно применяются и работают в современной электронике. По словам сотрудника лаборатории «Физика квантовых компьютеров» ФТИАН Игоря Семенихина, «...нам не известны физические законы, которые запрещали бы создать квантовый компьютер». Одним словом, работы ведутся, регулярно проходят семинары, пачками выпускаются научные публикации, ставятся эксперименты и даже создаются первые образцы вычислительных устройств — прообразы будущего квантового компьютера. Это неудивительно — очень уж заманчивые перспективы открываются перед исследователями.
Главное преимущество квантового компьютера перед классическим — беспрецедентное быстродействие при решении ряда задач. Благодаря своему строению квантовый компьютер обладает рядом практически волшебных свойств, обеспечивающих качественно новый уровень вычислений и хранения информации.
Приведу простой пример. Как известно, классический компьютер оперирует информацией, состоящей из мельчайших частиц — битов, представляющих собой соответственно или 0 (основное базисное состояние), или 1 (не основное базисное состояние). Таким образом, данные — это определенная последовательность нулей и единиц, так называемый классический регистр. Квантовый компьютер оперирует так называемыми кубитами — квантовыми битами (quantum bit, qubit).
Классический бит может принимать только два состояния — 0 или 1. Третьего не дано. А вот кубит может быть наполовину 1 и наполовину 0. Он может быть с вероятностью в 34% — ноль, и 66% — единица. Но самое интересное — это так называемая суперпозиция, когда состояние кубита выражается комбинацией всех возможных значений. То есть 8 классических бит в конкретный момент времени могут находиться только в одном состоянии, например 10010110. А вот для 8 кубит базисным состоянием будут все 256 возможных вариаций, от 00000000 до 11111111. Причем одновременно. Таким образом, одна (!) операция над группой кубитов затрагивает все значения, которые эта группа может принимать. Если сравнить скорость разложения на простые множители числа, состоящего из 155 знаков, то современный классический компьютер, как уже говорилось выше, справится за 35 лет. Квантовый же компьютер, собранный на основе всего лишь 512 кубит, потратит на это всего несколько секунд.
Такое потрясающее быстродействие достигается за счет так называемого «квантового параллелизма». Суть этого явления в следующем. Предположим, что существует классический регистр, состоящий из N бит. При этом воздействие на регистр (т.е. вычислительная операция) даже в идеале способно изменить его не более чем N переменных. На практике количество одновременно изменяемых бит упирается в возможности процессора. Квантовый же компьютер, состоящий из N кубит, способен выполнять 2N операций, причем одновременно!
Конечно, создание вычислительной машины на основе 512 кубит — это дело будущего, причем неопределенно далекого. Может, это случится через полгода, а может — через 50 лет, пока сказать сложно. Наибольший существующий компьютер насчитывает 7 кубит. Также есть сведения о создании канадской фирмой D-Wave 16-кубитной машины Orion в феврале 2007 года. Однако существование этого компьютера уже не раз подвергалось сомнениям вследствие общей размытости информации, предоставленной научной общественности. Впрочем, это не главное. Основная причина недоверия — фантастичность заявленных компанией результатов. Представители D-Wave утверждают, что в созданную ими вычислительную машину заложена возможность легкого увеличения количества кубит. Таким образом, компания планирует во втором квартале 2008 года «проапгрейдить» Orion до тех самых 512 кубит, а к концу года — и до 1024! Как говорится, слишком хорошо, чтобы быть правдой. Но возможно все.