Что дальше?

Не все разделяют оптимизм Чуанга. Одни полагают, что квантовый компьютер так и останется игрушкой для физиков, другие — что это странное устройство не так уж и нужно в реальной жизни, а единственная польза от него — прибыль от издания множества книг и проведения научных конференций.

Если же квантовый компьютер построят, сегодняшние методы шифрования с открытыми ключами перестанут быть эффективными. Остается надеяться, что в этом случае нас спасет другое приложение квантовой механики — квантовая криптография.

Любой желающий может ознакомиться с возможностями квантового компьютера на практике, для этого понадобится только браузер Chrome и приложение Quantum Computing Playground, которое имитирует квантовый регистр, состоящий из 22 кубитов и позволяет пользоваться алгоритмами Гровера

***( Алгоритм Гровера (англ. Grover search algorithm, GSA) — квантовый алгоритм решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения f(x)=1, где f есть булева функция от n переменных.)

******************************************

и Шора

*****( Алгоритм Шора — квантовый алгоритм факторизации (разложения числа на простые множители), позволяющий разложить число M за время O(lg3M), используя O(lgM) логических кубитов. Алгоритм Шора был разработан Питером Шором в 1994 году. Семь лет спустя, в 2001 году, его работоспособность была продемонстрирована группой специалистов IBM. Число 15 было разложено на множители 3 и 5 при помощи квантового компьютера с 7 кубитами.Значимость алгоритма заключается в том, что с его помощью (при использовании квантового компьютера с несколькими сотнями логических кубитов) становится возможным взлом криптографических систем с открытым ключом. К примеру, RSA использует открытый ключ M, являющийся произведением двух больших простых чисел. Один из способов взломать шифр RSA — найти множители M. При достаточно большом M это практически невозможно сделать, используя известные классические алгоритмы. Наилучший из известных классических алгоритмов факторизации требует времени порядка M1/3. Алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию числа не просто за полиномиальное время, а за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел (то есть практически так же быстро, как происходит само шифрование). Таким образом, реализация масштабируемого квантового компьютера поставила бы крест на большей части современной криптографической защиты. (Речь не только о схеме RSA, прямо опирающейся на сложности факторизации, но и о других сходных схемах, которые квантовый компьютер способен взломать аналогичным образом).

Алгоритм Шора имеет вероятностный характер. Первый источник случайности встроен в классическое вероятностное сведение разложения на множители к нахождению периода некоторой функции. Второй источник появляется из необходимости наблюдения квантовой памяти, которое также даёт случайные результаты)

********************************************

Провал гугла на 15 миллионов

Лаборатория искусственного интеллекта, созданная Google и NASA в сотрудничестве с рядом крупных университетов, будет использовать квантовый компьютер D-Wave Two, приобретенный у компании D-Wave Systems. Первая квантовая вычислительная система компании, D-Wave One, была продана компании Lockheed Martin в 2011 году. Она оперирует 128кубитами, тогда как вторая модель — 512-ю.

Квантовый регистр может нести гораздо больше информации, чем обыкновенный регистр битов, поскольку кубит может находиться не только в состояниях, условно принятых за 0 и 1, но и в их суперпозиции.

Несмотря на сомнения скептиков не только в том, что D-Wave Two производительнее современных суперкомпьютеров, но и в том, что он вообще является квантовым компьютером, независимое тестирование показало, что некоторые задачи он решает в 3600 раз быстрее, чем классические компьютеры. В новой лаборатории ему предстоит заняться расчетами, необходимыми для исследований в области машинного обучения.

((((MIT Technology Review))))

Одним из покупателей компьютера стала компания Google, которая учредила лабораторию Quantum AI Lab для проверки возможностей D-Wave 2. И в октябре 2013 года даже анонсировала крупное открытие, которое стало бы убедительным доказательством квантовых эффектов в D-Wave 2.

Но сегодня D-Wave 2 столкнулся с первый большой проблемой: выводами серьезного исследования, опубликованного в журнале Science. Команда специалистов во главе с учеными из ETH Zurich, независимо от Google изучившая способности D-Wave 2 к решению множества задач, сделала вывод о том, что D-Wave хотя и работает на квантовой энергии, но не производит вычисления быстрее обычного компьютера.

Исследователи надеялись найти то, что называется «квантовым ускорением», то есть свойство, позволяющее квантовому компьютеру выполнять задачи с невероятно быстрой скоростью, причем чем сложнее становились бы задачи, тем больше было бы его преимущество. Но их усилия были безрезультатны.

В то же время в Google продолжают тестировать D-Wave 2, однако компания отказывается комментировать, когда Quantum AI Lab сможет опубликовать сделанные выводы

Хотя квантовые компьютеры существуют пока только в теории, но это не мешает делать обоснованные предположения об их будущей архитектуре и, что более важно, об интерфейсе взаимодействия с ними. Таким образом, уже сейчас есть возможность проектировать программные симуляторы квантовых компьютеров — и писать софт.  Группа американских учёных, получив финансирование от исследовательского центра Национальной разведки США (IARPA) разработала высокоуровневый язык программирования Quipper. Он создан на основе Haskell и лучше подходит для реализации квантовых алгоритмов, чем QCL (основан на C). На сегодняшний день известно как минимум 45 алгоритмов для квантовых компьютеров. Все они описаны в научных статьях, но ни один не был реализован в программном коде. С появлением Quipper появилась такая возможность. В дальнейшем программисты смогут просто использовать готовые библиотеки для квантовых компьютеров, как они это делают сейчас на высокоуровневых языках для классической архитектуры. Разработчики Quipper призывают закодировать все известные алгоритмы на новом ЯП, сами они для проверки реализовали семь нетривиальных квантовых алгоритмов из литературы:

• Бинарное спаянное дерево (Binary Welded Tree, BWT), arXiv:quant-ph/0209131. Поиск обозначенного узла в графе.

• Булева формула (Boolean Formula, BF), arXiv:0704.3628 и arXiv:quant-ph/0703015, любая формула AND-OR размера N может быть вычислена за время n1/2+o(1) на квантовом компьютере. Реализована версия, которая вычисляет выигрышную стратегию в настольной игре гекс.

• Порядок класса (Class Number, CL), Proceedings of the 34th ACM Symposium on Theory of Computing, 2002. Квантовый алгоритм для вычисления уравнения Пелля и главного идеала за полиномиальное время.

• Оценка основного состояния квантово-механической системы (Ground State Estimation, GSE), Molecular Physics, 109(5):735–750, 2011. Вычисление энергетических уровней для конкретной молекулы.

• Квантовые линейные системы (Quantum Linear Systems, QLS), arXiv:0811.3171. Решение линейной системы уравнений.

• Кратчайший уникальный вектор (Unique Shortest Vector, USV), arXiv:cs/0304005. Поиск кратчайшего вектора среди имеющихся вариантов.

• Поиск треугольника (Triangle Finding, TF), arXiv:quant-ph/0310134. Поиск треугольников в насыщенном графе.

Список алгоритмов определило агентство IARPA, в контексте программы IARPA Quantum Computer Science. Как известно из истории, первые компьютеры приходилось программировать в машинных кодах, что было достаточно сложной и трудоёмкой задачей. Существенный прорыв случился благодаря разработке первого высокоуровневого языка программирования Фортран в 1957 гг. С этого момента взаимодействие человека и машины вышло на новый уровень, и мы смогли задавать компьютеру более сложные задачи. Само по себе существование такого языка с высокоуровневыми абстракциями и реализованными на нём алгоритмами поможет в создании новых алгоритмов для квантовых компьютеров, считают авторы языка Quipper.

Quipper подходит для программирования теоретических квантовых компьютеров нескольких архитектур (реализация кубитов в фотонах, электронах и т.д.), но не подходит для программирования действующего «квантового» компьютера D-Wave, который критики не считают полноценным квантовым компьютером из-за его узкой специализации. Что, впрочем, не помешало компании Google недавно купить два компьютера D-Wave с процессорами по 512 кубитов за $15 млн.