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.
Принцип работы квантового компьютера
Чтобы понимать, как работает новый процессор, необходимо иметь хотя бы поверхностные знания принципов квантовой механики. Нет смысла приводить здесь математические раскладки и выводить формулы. Обывателю достаточно ознакомиться с тремя отличительными особенностями квантовой механики:
- Состояние или положение частицы определяется только с какой-либо долей вероятности.
- Если частица может иметь несколько состояний, то она и находится сразу во всех возможных состояниях. Это принцип суперпозиции.
- Процесс измерения состояния частицы приводит к исчезновению суперпозиции. Характерно, что полученное измерением знание о состоянии частицы отличается от реального состояния частицы до проведения замеров.
С точки зрения здравого смысла – полная бессмыслица. В нашем обычном мире эти принципы можно представить следующим образом: дверь в комнату закрыта, и в то же время открыта. Закрыта и открыта одновременно.
В этом и заключено разительное отличие вычислений. Обычный процессор оперирует в своих действиях бинарным кодом. Компьютерные биты могут находиться только в одном состоянии – иметь логическое значение 0 или 1. Квантовые компьютеры оперируют кубитами, которые могут иметь логическое значение 0, 1, 0 и 1 сразу. Для решения определённых задач они будут иметь многомиллионное преимущество по сравнению с традиционными вычислительными машинами. Сегодня уже есть десятки описаний алгоритмов работы. Программисты создают особый программный код, который сможет работать по новым принципам вычислений.
Квантовый компьютер и его принцип работы
Классический процессор – это транзисторная схема. Транзисторы могут в разные периоды времени пропускать ток или создавать препятствие для его прохождения. Это означает, что они находятся в одном из состояний двоичной системы – 1 или 0. В терминологии компьютерщиков это называется битом информации. Двоичная система перебирает для решения задачи все варианты, составляемые из символов 1 и 0. Затем, она выбирает те из них, которые соответствуют заданным условиям.
Суть квантового компьютера заключается в использовании принципиально других единиц – квантовых бит (кубитов). Они не перебирают все возможные варианты один за одним, как это делают биты. Благодаря особым свойствам кубитов машина перебирает практически все варианты решения задачи одновременно.
Что же такое кубиты?
Кубиты — это специальные квантовые объекты, настолько маленькие, что уже подчиняются законам квантового мира. Их главное свойство — они способны находится одновременно в 2 состояниях, то есть в особом состоянии — суперпозиции.
Фактически, это и есть принципиальное отличие кубитов от обычных битов, которые могут быть только 1 или 0.
Суперпозиция — это нечто потрясающее. Считайте что кубиты — это одновременно открытая и закрытая дверь, или горящая и не горящая лампочка….
В нашем случае они одновременно 1 и 0!
Но квантовая механика говорит нам, что квантовый объект, то есть кубит, находится в суперпозиции, пока ты его не измеришь. Помните монетку — это идеальный пример суперпозиции — пока она в воздухе она одновременно и орел, и решка, но как только я ее поймал — все: либо орел, либо решка! Состояние определилось.
Надо понять, что эти кубиты и их поведение выбираются совсем не случайно — эти квантовые системы очень строго определены и их поведение известно. Они подчиняются законам квантовой механики!
Вероятность создания квантового ПК
Кубит не построить из нескольких частиц, а в нужном состоянии могут находиться только атомы. По умолчанию эти множественные частицы неурегулированные. Китайские и канадские ученые пытались использовать для разработки компьютера чипы на фотонах, но исследования не увенчались успехом.
Существующие типы квантовых ПК:
- в полупроводниковых кремниевых кристаллах;
- на электронах в полупроводниковых квантовых точках;
- в микрорезонаторах на одиночных атомах;
- на линейных оптических элементах;
- на ионах в одномерном кристалле в ловушке Пауля.
Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами, что вызывает изменения всей системы. Задача – выбрать из всех ее состояний правильное, дающее результат вычислений. Может быть сколь угодно много состояний, максимально приближенных к истинному.
Для полноценного квантового ПК нужны значительные достижения в физике. Программирование должно отличаться от существующего сейчас. Квантовые вычислительные устройства не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но ускорят решения тех, с которыми справляются.
Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone корпорацией Google. Весной 2018 года компания опубликовала заявление про получение 72-кубитного процессора, но его принципы работы не проафишировала. Считается, что для достижения «квантового превосходства», когда ПК начинает превосходить обычный, потребуется 49 кубитов. Google добилась выполнения условия, но вероятность погрешности вычислений (0,6 %) осталась выше требуемого.
Ближе к человеку
Еще одна большая задача – программное обеспечение квантовых вычислений, которое выстраивает связь от квантового процессора к конечному потребителю. Для этого требуется несколько уровней сложнейшей математики. Первый уровень, который очень близок к физике, решает задачи, как на конкретной физической платформе реализовать операции: проанализировать, какие состояния наилучшим образом подходят для реализации, и, выбрав достаточное количество простых операций, построить из них универсальный набор квантовых логических элементов. Кроме того, необходимы методы оптимального управления состояниями квантового процессора, то есть нужно правильно построить систему и защитить ее от внешнего окружения.
На этом этапе теоретики очень плотно общаются с экспериментаторами и интересуются, как работают кубиты, какие операции можно делать параллельно, а какие – обязательно последовательно, какие кубиты можно измерять, а какие – нет.
Дальше идут методы подавления и исправления ошибок. Из-за воздействия декогеренции – потери квантовой информации – возникают ошибки в ходе вычислений, и математически можно либо подавить их влияние на вычисления, либо вовсе их устранить. Это уже квантовые аналоги кодов коррекции ошибок в классических вычислениях. «В квантовом мире суперэффективных кодов коррекции ошибок пока нет, – утверждает профессор МФТИ, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Алексей Федоров, который и занимается теоретическим сопровождением проекта квантовых вычислений. – Это одна из больших задач».
На следующем уровне абстракции есть квантовый компьютер как ресурс, работающий с ошибками или без. И нужно понять, как построить квантовый алгоритм для решения конкретных задач. Как заставить эту квантовую магию работать? «Строить квантовые алгоритмы – настоящее искусство, – говорит Алексей,. – Их придумано не так много за последнее время – десятки. Это почти магия – заставить квантовую физику работать над решением конкретных задач».
На все это наслаивается более прикладная, но не менее интересная задача – как встроить все это в традиционные инструменты для разработки программного обеспечения? Потому что конечные пользователи систем вовсе не специалисты по квантовым вычислениям. Требуется создать набор библиотек или алгоритмов для традиционных средств разработки, чтобы специализированные задачи отправлялись на квантовые процессоры – QPU, как сейчас графика обрабатывается на специализированных графических процессорах – GPU. Имея такой инструмент, очень абстрагированный от реального «железа», можно максимально приблизиться к конечному пользователю.
Однако это еще не все. «Часть пользователей квантовых компьютеров – ученые, – говорит Алексей Федоров. – Для них нужно создать графическую и максимально приближенную к квантовому компьютеру среду разработки. Чтобы люди обучались и понимали, как работает квантовый компьютер. Чтобы они выбирали кубиты и делали с ними реальные логические операции».
Прогноз развития квантовых компьютеров
Теоретически самый мощный квантовый компьютер, который уже создан, — устройство D-Wave 2000Q, детище канадской компании D-Wave Systems. Цена новинки — каких-то 15 миллионов долларов. В нем установлен квантовый чип, содержащий 2000 кубитов. Проблема в том, что по сути это вовсе не квантовый суперкомпьютер, а так называемое устройство квантового отжига. Эта система работает на решение очень узкоспециализированной задачи, и до ее реального практического применения еще довольно далеко.
Тем временем в марте 2018 года состоялась презентация 72-кубитного квантового компьютера. О его создании заявила компания Google. Он отличается большей производительностью при низком уровне ошибок — но все эти достоинства опять-таки пока реализованы лишь в теоретической плоскости.
Но каковы же возможности такого использования квантовых компьютеров, кроме упомянутого взлома шифров? На сегодняшний день их очень и очень много. То, чего нельзя сделать при помощи самых мощных современных ЭВМ, квантовым системам будет вполне под силу. Если допустить, что уже в скором времени появится реально работающее квантовое «железо», преимущества его перед нынешними вычислительными системами сложно переоценить. Поиск в огромных базах данных, разработка новых лекарственных средств, расшифровка генома, оптимизация транспортных маршрутов, исследования космических пространств, метеорология, исследования в области ядерной энергетики требуют перебора невероятного количества вариантов решений. Подобные задачи — основные сферы применения квантовых компьютеров в будущем.
Существует ли квантовый компьютер сейчас? Да, безусловно. Применяется ли он для решения конкретных практических задач? Пока нет. Но активность поисков в этой области внушает некоторый, хоть и очень осторожный, оптимизм. Вспомните: ведь еще совсем недавно самый обычный смартфон показался бы нам чудом технологий! Так почему бы и квантовому компьютеру не обернуться в ближайшие десятилетия приятной повседневностью, открывающей перед нами новые захватывающие горизонты?
Хитрая технология
Квантовые вычисления не универсальны, они не способны заменить традиционные компьютеры. «Информация обрабатывается хитро, мы пользуемся всем большим пространством состояний, чтобы ее переваривать, но наши возможности считать ее оттуда невелики. Потому что при измерении у вас происходит коллапс до двоичного кода, — говорит старший научный сотрудник Центра квантовых технологий МГУ, руководитель сектора квантовых вычислений Станислав Страупе. — Поэтому квантовые алгоритмы — наука о том, как извлечь из этого многомерного пространства полезную информацию за небольшое количество измерений». Математический аппарат квантовой теории готов с середины XX века, и сейчас проблема не в математике, а в аппаратной реализации. Главные технологии, на которых сосредоточены все усилия, — ионные ловушки, нейтральные атомы, фотоны и сверхпроводники. Как и в атомном проекте, никто точно не знает, какая из технологий выйдет в итоге в лидеры, поэтому развивать требуется все.
Чтобы не потеряться и всегда быть на связи, читайте нас в Яндекс.Дзене!
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.
