Квантовые компьютеры — уже сегодня?

Согласно информации компании Lockheed Martin, у Google и NASA уже есть по одному квантовому компьютеру производства канадской фирмы D-Wave. Когда эта новость распространилась по всему миру, тотчас же раздались голоса скептиков. Озабоченность вызвана тем, что такая машина, кроме всего прочего, способна взломать любой из существующих компьютерных шифров.

Квантовый компьютер работает на основе трудных для понимания законов квантовой физики, которые действуют на субатомном уровне и часто противоречат нашему повседневному практическому опыту. Элементарная единица информации здесь называется кубит (англ. q-bit — quantum bit, или «квантовый бит») и, в отличие от обычного бита, который принимает только значение «0» или «1», способен принимать оба значения одновременно (см. схемы). По сравнению с вычислениями на обычных компьютерах, это позволяет многократно увеличить объемы обрабатываемых данных: так, всего 250 кубит могут содержать больше единиц информации, чем число атомов во Вселенной. А новейшее устройство, произведенное D-Wave, способно оперировать с 1024 кубитами.

Еще в девяностые годы американские информатики Лов Гровер и Петер Шор выдвинули тезис, согласно которому квантовый компьютер может гораздо эффективнее, нежели классические вычислительные машины, выполнять поиск в больших базах данных и разложение больших чисел на простые множители. Помимо всего прочего, это могло бы уменьшить до приемлемого время вычислений, необходимое для взлома алгоритмов шифрования AES или RSA и, таким образом, сделать их бесполезными — настоящий кошмар для всех специалистов по компьютерной безопасности.

Экстремально высокие требования

Скептики, тем временем, сомневаются в том, что компания D-Wave в самом деле построила полноценный и работающий квантовый компьютер. Ученые разных стран годами трудятся над созданием такого устройства, но все еще не продвинулись дальше лабораторных экспериментов. Причина заключается в небывало высоких требованиях к системе.

Во-первых, для физической реализации кубита необходимо сконструировать систему, которая была бы способна оперировать с мельчайшими частицами.

Во-вторых, ее необходимо изолировать от окружающей среды и охладить почти до абсолютного температурного нуля, ведь квантовые явления могут быть мгновенно разрушены внешними влияниями.

И, в-третьих, несмотря на это, осторожным доступом извне нужно установить исходные значения отдельных кубитов и квантово-механически «запутать» их, произвести необходимые вычислительные операции и правильно считать результаты.

В качестве кубитов исследователи до сих пор использовали отдельные ионы или протоны, спины атомных ядер или же сверхпроводящие электронные пары. Рекордными достижениями предшественников D-Wave стали 14 кубитов в виде цепи из запутанных ионов кальция, созданные в 2011 году в Университете Инсбрука.

Это довольно скромные успехи. Что же тогда D-Wave делает не так, как все остальные? Постепенно ситуация проясняется, поскольку фирма не запрещает заглядывать в свой «черный ящик». Здесь кубиты представляют собой сверхпроводящие петли на микрочипе, которые управляются с помощью обычной электроники. Критики задаются вопросами: можно ли вообще считать такую систему квантово-механической и не производит ли она вычисления простым классическим способом?

Применение пока ограничено

Квантовый компьютер способен с огромной скоростью решать задачи, аналогичные задаче коммивояжера, которая формулируется так: какой маршрут между несколькими городами должен выбрать разъездной торговец, чтобы общее пройденное им расстояние оказалось минимальным? При этом система D-Wave способна отыскать оптимальное решение за считанные секунды даже в том случае, если в начальных условиях задания будут указаны тысячи городов. Однако поскольку в кубитах нули и единицы содержатся с известной вероятностью, то и результат может быть только вероятностным. Чтобы получить статистически приемлемую точность, вычисления необходимо многократно повторять.

Конечно, квантовые компьютеры подчиняются общим правилам информатики и не способны решать проблемы принципиально нового класса, но с уже известными могут справляться значительно быстрее. Однако это касается только тех задач, в которых нужно «угадать» единственную верную возможность из большого числа возможностей, на что у простого ПК уйдет гораздо больше времени. Поэтому пока остается загадкой и то, насколько компьютер D-Wave мог бы помочь поисковой системе Google в обработке ее обширных данных.