Почему так сложно создать квантовый компьютер? С белорусским физиком объясняем технологию будущего
Изобретению квантовых компьютеров частенько предсказывают прорыв, аналогичный прорывам при изобретении колеса, покорении огня или создании хорошо знакомых нам компьютеров. Но пока с этой задачей в полном масштабе никто справиться не сумел. В чем же основная загвоздка и зачем нам квантовые компьютеры? Сегодня Onliner.by объясняет суть компьютеров будущего, а помогает нам в этом заместитель заведующего Центром квантовой оптики и информатики Института физики НАН Беларуси член-корреспондент Дмитрий Могилевцев.
Зачем вести разработки по созданию квантовых компьютеров? Чем нас не устраивают нынешние, которые постоянно прогрессируют в своей мощности? Теоретически квантовые компьютеры способны быстро решать задачи, на которые даже у суперкомпьютеров уйдут тысячелетия.
— Но есть нюанс. Пока квантовый компьютер дает выгоду только для определенного круга задач. Сейчас они и строятся под такие задачи. Поиск дающих выгоду квантовых алгоритмов — это сама по себе отдельная дисциплина, — рассказывает Дмитрий Могилевцев. — Бум квантовых компьютеров начался с того, что американец Питер Шор предложил с их помощью решать очень важную с практической точки зрения задачу факторизации. Она имеет огромное значение в криптографии.
Перемножить целые числа — это просто, а вот узнать, на какие простые множители разлагается число — крайне трудная задача для классического компьютера. 15 факторизуется на простые числа 3 и 5. Но что если число очень большое и состоит из тысяч цифр?
В теории на классическом компьютере такую задачу разрешить можно, однако на практике это потребует много времени. Увеличивается число — временны́е затраты возрастают по экспоненте и быстро выходят на времена, сравнимые с возрастом Вселенной. А алгоритм Шора, используя возможности квантовых компьютеров, способен произвести факторизацию за время, не намного превосходящее время умножения целых чисел.
Например, современный суперкомпьютер, позволяющий делать более десяти в пятнадцатой степени операций в секунду, разложил бы число с пятьюстами знаками за 5 млрд лет. Квантовый компьютер со скоростью всего миллион операций в секунду решил бы ту же задачу за 18 секунд.
Так как факторизация лежит в основе всей современной криптографии, изобретение эффективных квантовых компьютеров поставит под угрозу большинство активно используемых ныне методов шифрования данных. Ведь вся информация, которая нынче передается через сеть, подвергается шифрованию — банковские транзакции, секретная переписка в соцсетях и прочее. Квантовый компьютер сможет подобрать код для расшифровки этих данных в мгновение ока. И тогда не останется ничего тайного.
— Правда, надолго ли — это еще вопрос. Уже сейчас ведутся работы над постквантовым шифрованием, устойчивым к подобному взлому. Хотя эффективность таких систем криптографии пока еще много хуже традиционных.
А еще квантовые компьютеры могут быть очень полезными для моделирования динамики сложных квантовых систем. Именно в этом еще в начале 80-х годов прошлого века видел их выгоду знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Кстати, сама идея квантовых вычислений предложена известным советским математиком Юрием Маниным в 1980 году.
Все решения уже известны
Ещё одна особенность кубитов — зависимость значения от измерения. Это значит, что программист не узнает значение кубита до тех пор, пока его не измерит, а сам факт измерения тоже влияет на значение кубита. Звучит странно, но это особенность квантовых частиц.
Именно благодаря тому, что кубит находится во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили, компьютер мгновенно перебирает все возможные варианты решения, потому что кубиты связаны между собой. Получается, что решение становится известно сразу, как только введены все данные. Суперпозиция и даёт ту параллельность в вычислениях, которая ускоряет работу алгоритмов в разы.
Вся сложность в том, что результат работы квантового компьютера — это правильный ответ с какой-то долей вероятности. И нужно строить алгоритмы таким образом, чтобы максимально приблизить вероятность правильного ответа к единице.
Рабочая температура внутри таких компьютеров — минус 273 градуса по Цельсию
Проблемы квантовых компьютеров
У квантовых компьютеров есть одна огромная проблема. В силу своих особых возможностей кубиты нуждаются в достаточно спокойной среде, чтобы можно было точно считывать с них любые данные. Каждое, даже самое маленькое нарушение сделает невозможным определение точного положения.
В случае классических компьютеров подобная проблема также играла важную роль в прошлом, но сегодня она настолько незначительна, что часто игнорируется даже в академической науке.
Для классических устройств вероятность ошибки составляет, примерно, 1 из 10 17 бит. В случае квантовых компьютеров это – один из нескольких сотен. И это в ситуации, когда квантовые компьютеры работают в максимально изолированных условиях и при температуре −272 градуса Цельсия, то есть немного выше абсолютного нуля. Любые колебания температуры, изменение электромагнитного поля и даже движение разрушают весь расчёт.
Другая проблема – «нестабильность» квантовых состояний. Каждый раз, когда мы измеряем квантовое состояние или хотим его нарушить, оно возвращается в одно из двух положений. Квантовое состояние распадется. Этот процесс называется квантовой декогеренцией.
Представьте себе это так: квантовый компьютер – это опытный математик, который выполняет сложные вычисления, а результаты составляют от 0 до 1 миллиона. Мы, в свою очередь, ребёнок, который понимает только то, что может быть много или мало чего-то. Каждый раз математик может получить разные результаты, например, 184662 или 356670, но в противоречии с нашим пониманием мира каждый из них будет классифицирован в один из двух «мешков» – маленький (0) или большой (1), без промежуточного значения. Это квантовая декогеренция.
Компьютер на бумаге
Но какое отношение все это имеет к реальным вычислениям? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны перенести наше внимание с физиков-теоретиков на компьютерных специалистов и математиков. Чтобы получить практические результаты, мы должны иметь возможность перевести регистр кубитов в определенную суперпозицию состояний. Нам нужны квантовые вентили, возможно, провода и какие-то устройства вывода результатов.
Все это легко для компьютерных специалистов – они просто могут предположить, что эти идеи уже воплощены в реальной жизни. Однако им придется пойти на уступки квантовой механике. Чтобы не нарушить законы квантовой физики, компьютерные специалисты должны потребовать, чтобы квантовые вентили были обратимы – вы можете поместить результат на выход и получить правильные входные значения на входе. И они настаивают на том, чтобы квантовые вентили были унитарными преобразованиями. В соответствии с матричной алгеброй, это означает, что, когда вы пропускаете состояние кубита через квантовый вентиль, состояние, которое вы получите, даст при измерении либо 0, либо 1, а сумма вероятностей из квадратов (модулей – добавлено переводчиком) этих коэффициентов останется равной единице.
Обратите внимание, что эти квантовые вентили, даже в теории, очень не похожи на обычные логические элементы. Например, большинство булевых функций не обратимы. Невозможно вывести входные данные с логического элемента И-НЕ, если выход не будет равен 0. И, конечно, логические элементы работают только с единицами и нулями (состояниями 1 и 0), в то время как квантовые вентили работают, вращая вектор внутри сферы Блоха. На самом деле между ними не существует ничего общего кроме названия.
Компьютерные специалисты выяснили, что для эмуляции машины Тьюринга достаточно очень небольшого набора квантовых вентилей – всего лишь набор одновходовых квантовых вентилей и один двухвходовой квантовый вентиль. Наиболее часто используемым примером двухвходового квантового вентиля является «контролируемое НЕ» (Сontrolled NOT – CNOT). Эта обратимая функция либо переворачивает векторное состояние кубита, либо оставляет его неизменным, в зависимости от состояния второго кубита. Это скорее похоже на квантовую аналогию с «исключающим ИЛИ».
Что такое квантовый компьютер
Привычные нам компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а наименьшей единицей хранения информации является бит. Он может принимать строго одно из двух значений: 0 или 1. При решении задачи ПК проводит множество последовательных операций с битами, и в случае со сложными задачами этот процесс занимает много времени.
Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические. Для решения любых алгоритмических задач они используют квантовые биты — кубиты.
Кубиты могут существовать одновременно в нескольких состояниях, поэтому при проведении вычислений не перебирают последовательно все возможные комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. В итоге та задача, на выполнение которой у обычного компьютера ушла бы неделя, может выполняться на квантовом компьютере за секунду.
В настоящее время усилия ведущих игроков сосредоточены в направлении разработки специализированных квантовых вычислителей для конкретной задачи (так делает D-Wave) и универсальных квантовых компьютеров для решения разных задач (IBM, Google).
Первый двухкубитный квантовый компьютер появился в 1998 году. Он работал на так называемом явлении «ядерного магнитного резонанса». Компьютер использовался в Оксфордском университете, в исследовательском центре IBM и Калифорнийским университетом в Беркли вместе с сотрудниками из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института. В 2018 году IBM предложила сторонним компаниям использовать ее 20-кубитный квантовый компьютер через облако. Google представила 53-кубитный компьютер Sycamore и заявила о достижении квантового превосходства. Квантовое превосходство подразумевает способность квантовых вычислительных устройств решать те проблемы, которые не могут решить классические компьютеры. По заявлению компании, Sycamore потребовалось около 200 секунд, чтобы выполнить выборку одного экземпляра схемы миллион раз. Самому мощному суперкомпьютеру Summit для той же задачи понадобилось бы около 10 тыс. лет.
Правда, в IBM оспорили утверждение Google. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее, чем у квантового компьютера. Это позволил предположить теоретический анализ.
В России квантовые технологии также привлекают внимание исследователей. Так, в 2010 году для проведения исследовательских работ в этой области был организован Российский квантовый центр. В 2019 году была разработана сначала единая дорожная карта, а после — дорожная карта на каждое отдельное направление: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», говорит, что создание квантовых процессоров стало одной из основных задач дорожной карты, утвержденной в июле 2020 года. По его словам, работа ведется в нескольких плоскостях: развитии фундаментальной науки и первых прикладных внедрениях квантовых продуктов. Россия стала одним из 17 технологически развитых государств с официально утвержденной квантовой стратегией.
Юнусов рассказал, что перед отечественными разработчиками стоит задача к 2025 году построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволил бы работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию дорожной карты предусмотрено финансирование в размере 23,7 млрд рублей.
Альтернативные реальности
Согласно квантовой физике, мы имеем дело с тем, что называется Мультивселенной, где проблема может иметь много или бесконечное количество возможных решений. Например, вы можете читать эту статью на своем Macbook. В другом вы, возможно, читаете это по мобильному телефону во время путешествия.
Квантовый компьютер может выполнять «n» задач в «n» параллельных вселенных и достигать конечного результата. Если традиционный компьютер делает «N» вычисления в «N» секунд, квантовый компьютер может выполнить «N 2» вычисления в то же время.
Возможно, вы помните, что Deep Blue IBM был первым компьютером, победившим чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова в 1997 году. Компьютер сделал это, изучая 200 миллионов возможных ходов в секунду. Вдали от способностей человеческого мозга! Но если бы это была квантовая машина, она бы рассчитала 1 триллион ходов в секунду, 4 триллиона ходов за 2 секунды и 9 триллионов ходов за 3 секунды.
Принцип работы КК
Привычная схема работы компьютеров, ноутбуков, смартфонов или планшетов, использующая цифровой принцип, базируется на использовании классических алгоритмов, что кардинально отличается от принципа действия квантового компьютера. Так, обычный компьютер покажет одинаковый результат вне зависимости от того, сколько раз запустить вычисление, варианты просчитываются последовательно.
Квантовый компьютер использует совершенно иной – вероятностный принцип работы. В определённом смысле система уже содержит все возможные варианты решений. Результат вычислений – это наиболее вероятностный ответ, а не однозначный, при этом при каждом последующем запуске квантового алгоритма вероятность получения правильного ответа растёт, а значит, спустя 3–4 быстрых прогона можно быть уверенным, что мы пришли к верному решению, например, ключу шифрования.
В квантовых системах, применяющих в своей работе кубиты, с ростом числа частиц растёт в геометрической прогрессии и количество обрабатываемых одновременно значений.
Говоря о том, как работает квантовый компьютер, стоит упомянуть и о связи кубитов. При наличии нескольких кубитов в системе изменение одного повлечёт также изменение остальных частиц. Вычислительная мощность достигается путём параллельных расчётов.
Несмотря на многомиллионные вложения, развиваются квантовые технологии достаточно медленно. Это связано с большим количеством трудностей, с которыми пришлось столкнуться учёным в процессе исследований, включая необходимость построения низкотемпературных саркофагов с максимальной изоляцией камеры с процессором от любых возможных внешних воздействий для сохранения квантовых свойств системы. Кроме того, перед исследователями стоит задача по решению ошибок, поскольку квантовые процессы и вычисления имеют вероятностную природу и не могут быть стопроцентно верными.
Построение стабильных систем к тому же далеко от идеала, а при реализации квантового компьютера на физическом уровне применяется несколько вариантов решений с использованием разных технологий. Так что создание полноценного универсального квантового компьютера всё ещё в будущем, хоть и не таком далёком, как казалось ещё пять лет назад. Его созданием занимаются крупнейшие компании, такие как IBM, Google, Intel, Microsoft, внёсшие большой вклад в развитие технологий, а также некоторые государства, для которых данный вопрос имеет стратегическое значение.
