Квантовый компьютер

Возможности компьютера предсказуемы. Как и способности человека, сотворяющего все новые, более мощные компьютеры. Их отношения вот уже три десятка лет описывает так называемый закон Мура. Гордон Мур, один из основателей фирмы «Intel», первым заметил, что каждые полтора года мощность процессоров удваивается. В этом прогрессе не было ничего мистического. Каждые полтора года удваивалось количество транзисторов, умещаемых на микросхеме. И этот факт указывал «пределы роста» современной техники. Мы не можем уменьшать элементы микросхемы до бесконечности. Когда-нибудь они станут так малы, что делать их меньше нельзя будет ни на йоту, ни на атом. По мнению экспертов, обычный кремниевый компьютер исчерпает свой ресурс около 2020 года.

Но не может же наука остановиться в своем развитии из-за ущербности материала! Наша цивилизация прогрессирует скачками: один излюбленный ею материал сменяется другим. Вся история человеческой культуры — это череда разочарований и отказов от кремния, бронзы, древесины, угля, железа. Всякий раз на новом витке развития у цивилизации появляется очередной «любимчик». Еще недавно ученые и инженеры не чаяли души в полимерах и полупроводниках, но вот и кремниевые микросхемы понемногу выходят из фавора. Уже несколько лет перед наукой брезжит видение «квантового компьютера».

Подобная машина может моментально просматривать огромные базы данных. Теоретики уже убедили, что квантовый компьютер без труда разгадает любой шифр. Проблема заключается лишь в том, как построить эту чудо-машину.

«Разве есть Луна там, где ее никто не видит?» — ироническая фраза Эйнштейна, адресованная адептам невзлюбившейся ему квантовой механики, достаточно метко описывает поведение изучаемых ею объектов. В квантовом мире они принимают определенные свойства лишь в тот момент, когда мы пытаемся «взглянуть» на них, то бишь измерить их характеристики. Или, иными словами, нет реальности без наблюдателя.

С миром, окружающим нас, мы связаны воистину неразрывными узами. Пока мы есмь, есть и он. Когда мы исчезаем, мир принимает совершенно иной облик, повинуясь чужому взгляду. Только мы удерживаем вокруг себя Вселенную такой, как она… Есть? Нет, какой мы ее видим! К концу своей жизни человек становится хранителем целой Вселенной, в которой, вероятнее всего, действуют те же законы, что и в других вселенных, — в мириадах вымышленных и одной истинной. Ее облик неминуемо отличается от остальных своими «корнями» и размахом, подобно тому как любую окружность обособляют от других расположение ее центра и ее радиус.

Недаром физики дали еще одно толкование этому основному положению квантовой механики: для каждого возможного результата имеется своя параллельная Вселенная, в которой некий наблюдатель (возможно, это вы!) видит некий конкретный результат.

Итак, квантовый объект — это своего рода чистый холст, ожидающий появления художника. В нем заключено множество самых разных состояний, одно из которых будет воплощено. Подобные «абсурдные» модели долгое время бытовали лишь в академических кругах, пока наконец в 1994 году Питер Шор из лаборатории Белла не опубликовал свою теорию квантового компьютера. Он показал, что эта машина, например, может с невероятной быстротой отыскивать простые делители очень большого числа. И дело даже не в этом…

Теория Шора тут же стала «вопросом национальной безопасности США», ведь он убедил, что в мире, где существует квантовый компьютер, нет больше тайн.

До сих пор ученые, военные, связисты могли полагаться на секретные коды лишь потому, что противник, пытавшийся расшифровать этот код, затрачивал слишком много времени, подбирая нужный ключ методом проб и ошибок. Так, если длина кодового ключа достигнет 266 бит, то взломщик этого кода, тщась перебрать все варианты, должен совершить больше попыток, чем имеется атомов во Вселенной. Даже самые мощные современные компьютеры потратили бы на эту работу больше времени, чем существует вся Вселенная. Что ж, криптологи могут спать спокойно, пока у противника есть только такие помощники, что последовательно перебирают все возможные варианты.

А вот квантовые компьютеры проявляют невероятные способности. Вместо нулей и единиц они оперируют причудливыми энергетическими состояниями, характерными для микромира, — квантовыми битами, или, сокращенно, q-битами. В отличие от классического бита, q-бит может не только равняться нулю или единице, но и принимать промежуточные значения.

Едва мы начнем решать на квантовом компьютере какую-либо задачу, как его q-биты воплотят сразу все возможные решения. Компьютер будет перебирать все имеющиеся варианты одновременно (!). Он найдет нужное решение, уложившись в считанное число операций. Как заявил еще один сотрудник лаборатории Белла Лав Грувер, подобный компьютер будет незаменим при решении нечетко сформулированных задач. Привычные нам машины теряются при их решении.

Следующий пример, затрагивающий ваши личные, пусть и мнимые интересы, наглядно обрисует разницу между двумя типами компьютеров. Представьте себе, вам сообщили, что в квартире номер 79 лежит банковский чек в миллион фунтов стерлингов, выписанный на ваше имя. Единственное, чего вы не знаете, так это названия города, улицы, страны, где вас давно дожидается ваше счастье. Правда, в вашем распоряжении есть чудесная база данных: в ней упомянуто все, что хранится во всех жилищах нашей планеты. Вот только опять незадача: в вашем распоряжении есть лишь обычный кремниевый компьютер. Он последовательно, город за городом, улица за улицей, дом за домом просматривает все, что хранится в его памяти. Начинается перебор данных: Санкт-Петербург, Уфа, Москва, улица Бирюлевская, Рузская, Широкая, дом 10, 15, 20… А ваше богатство покоится где-нибудь в далеком Белу-Оризонти… И через сколько лет педантичная машина отыщет его? Нужно ли оно будет вам тогда? Квантовый компьютер не в пример этому тихоходу, моментально обозрев все варианты, даст вам ответ через считанные секунды.

Известие об алгоритме Шора было сродни разорвавшейся бомбе. «Внезапно на всех проводимых нами конференциях стали появляться люди, которых мы никогда не видели», — вспоминает немецкий физик Герберт Вальтер. Многие из этих посторонних, внезапно возомнивших себя знатоками неизведанной области физики, открыто указывали свое место работы: «National Security Agency». В Национальном агентстве безопасности собрались американские «взломщики кодов», использующие в своих целях самые мощные компьютеры. Вот так спецслужбы США быстро взяли под свое крыло все работы в этой области, поддерживая ученых деньгами и зорко следя за их новейшими достижениями. Естественно, подобный компьютер, моментально выхватывающий из огромной базы данных нужный результат, пригодится и в науке.

Однако сказанное нами по большей части представляет собой лишь мечты. Идея квантового компьютера блестяща, но реализовать ее весьма трудно. Так, первый алгоритм решения задач с нечетко поставленными условиями был опубликован еще в 1996 году. Но для его применения нужны мощные машины. А их-то у нас нет!

Еще никто не знает, сколько атомов надо соединить своего рода «телепатической» связью, чтобы квантовый компьютер впрямь заработал. Все атомы нужно идеально изолировать от внешнего мира. Даже одна-единственная молекула газа моментально разрушит это хрупкое состояние. А ведь абсолютного вакуума не существует!

Поэтому ученые радуются, когда подобное «телепатическое» состояние удается удержать на миллионную долю секунды. С двумя, тремя, четырьмя атомами такое уже получается. В опытах немецких физиков участвуют три атома. Их американские коллеги из Национального института стандартов и технологий получили 4-q-битную машину. Пока в лучшем случае она работает как квантовая… счетная доска.

Эффективность квантового компьютера нарастает по экспоненте в зависимости от количества q-битов. И все же лишь 20-q- или 30-q-битные машины вполне устроят ученых.

А если пойти другим путем? Некоторые специалисты предлагают использовать атомы жидкости, пребывающей под действием мощных магнитных полей и радиоволн. Вообще-то медики уже давно пользуются ядерно-спиновым резонансом, чтобы заглянуть внутрь пациента. Томограф создает картинку, поскольку резонансная частота атомов воды в организме зависит от окружающей их химической среды.

Ядерно-спиновый квантовый компьютер может иметь дело с молекулами хлороформа. Они обладают целым спектром резонансных частот, которые можно использовать как q-биты. Какое-то время подобная идея казалась перспективной. Однако сейчас ученые убедились, что таким образом не удается накопить более шести q-битов кряду. Затем вся квантовая информация стирается.

Еще одно направление поисков — полупроводниковые кристаллы, покрытые тончайшими структурами, подобно современным микросхемам. При температурах, близких к абсолютному нулю, возникают так называемые квантовые доты — крохотные островки, улавливающие отдельные электроны. Ученые надеются, что эти группки, будучи связаны друг с другом, образуют сложнейшую информационную структуру.

Сегодня квантовый компьютер находится на самой ранней стадии развития. Если сопоставить его теперешние возможности с уровнем развития его конкурентов, кремниевых компьютеров, то можно сказать, что сейчас ученые колдуют над своего рода «аналитической машиной Бэббиджа», то бишь пребывают в начале XIX века. Ведь результат, достигнутый ими, так мало отвечает истинным возможностям квантового компьютера. Тот же Бэббидж прекрасно понимал, что он открыл и какими возможностями будет обладать его аналитическая машина — первая в мире ЦВМ, придуманная еще в 1833 году. Однако построить ее он не имел никаких шансов. Эта машина была не нужна обществу. На страницах журнала «Знание — сила» Юрий Ревич так описывал несвоевременность этого компьютера: «Еще не изобретены фотография и электрические генераторы и в помине нет телефона и радио, только-только начали прокладывать первые железные дороги и телеграфные линии. На морях еще безраздельно господствует парус, а в передвижении по суше — друг человека, лошадь. А тут — ЦВМ!» Вот уж действительно Бэббидж опередил время!

Совсем не так обстоит дело с квантовым компьютером. Возможно, уже в ближайшие годы ученые поймут, как же простроить эту перспективнейшую машину. Со временем появятся квантовые компьютеры размером с пачку сигарет, чья мощь превзойдет ресурс всех компьютеров мира, вместе взятых.

Итак, «пределы роста» современной техники пока не видны. На пути к познанию ученые лишь «пересаживаются из одного транспорта в другой». В ХХ веке революцию в обществе совершил компьютер. На протяжении столетия мощность «вычислительной машины» возросла в миллиарды раз. В XXI веке с ней произойдут радикальные перемены. Ее потеснит новейшая, более мощная техника обработки информации, а привычный нам компьютер изрядно преобразится.

По оценкам экспертов, в XXI веке появятся первые суперкомпьютеры, чья мощь наконец превзойдет возможности человеческого мозга.

Александр Волков