Появление квантовых компьютеров может стать началом новой эры в области информационных технологий и заодно привести к краху современных систем шифрования.

Идея создания квантовых компьютеров была выдвинута лишь в начале 80-х годов и обсуждалась многими известными ученым того времени. Лауреат Нобелевской премии, физик Ричард Фейнман уже тогда предположил, что развитие квантовой механики позволит в будущем собирать микроскопические компьютеры, выполняющие задачи, которые даже чисто теоретически не по плечу обыкновенным компьютерам. И речь шла не только о том, что вычислительные устройства того времени были недостаточно быстрыми для того, чтобы их можно было сравнивать с квантовыми компьютерами. Даже сейчас, тридцать лет спустя, когда производительность процессоров возросла на несколько порядков, нет никаких предпосылок полагать, что классические процессоры смогут соревноваться с квантовыми в решении многих задач.

Базой для квантовых компьютеров могут служить фотоны, ионы, атомы или электроны, а вся информация в них кодируется с помощью состояний частиц (например значений спина). Специальные внешние воздействия на частицы позволяют изменять их состояние и таким образом производить расчеты, аналогичные выполняе-мым на классических процессорах. Как уже понятно, в квантовом компьютере процессор и память неразделимы, то есть частицы одновременно хранят информацию и обрабатывают ее, изменяя свое состояние под внешним управлением.

Следует понимать, что новые вычислительные устройства не умеют делать ничего принципиально нового по сравнению с классическими компьютерами, однако могут выполнять некоторые операции гораздо быстрее. Задачи, непосильные для классических вычислительных машин, невозможно решить и на квантовых ПК. Сюда относится, к примеру, проблема остановки, то есть определение наперед того, завершится ли когда-либо выполнение конкретного алгоритма с заданными параметрами. У квантовых компьютеров есть и собственные ограничения. Вычисления выполняются в них с определенной степенью вероятности. То есть ответ не всегда будет 100-процентно правильным. Тем не менее, модифицируя алгоритмы, можно добиться того, чтобы за счет дополнительных операций точность вычислений как угодно близко приближалась к единице. При этом скорость работы квантовых процессоров по-прежнему будет превышать скорость работы их классических аналогов.

Единицей хранения информации в квантовых компьютерах является кубит. Классический бит может иметь значения «0» или «1» в любой конкретный момент времени, в то время как кубиты могут находиться одновременно в состоянии как «0» или «1», так и суперпозиции нуля и единицы, то есть как бы в промежуточном состоянии (например на 40% в «0» и на 60% — в «1»). Несколько кубитов дополнительно можно вводить в спутанное состояние, то есть связывать их между собой таким образом, чтобы действия над одним кубитом мгновенно приводили к изменениям значений в других.

Фактически в таких случаях при изменении одного кубита происходит немедленное обновление других, а следовательно, компьютер, состоящий из большого числа кубитов, представляет собой мощную систему параллельных вычислений. При условии, что все кубиты связаны между собой, всего за один такт процессора можно произвести операции над всеми квантовыми ячейками памяти, в то время как в обычном компьютере то же самое придется делать последовательно. Именно использование квантовой спутанности и объясняет феномен быстродействия квантовых компьютеров.

Еще на заре развития квантовых устройств было подсчитано, что такой компьютер, состоящий всего из 300 кубитов, сможет одновременно образовывать большее количество состояний (2300), чем существует элементарных частиц во всей вселенной, а производить вычисления со всеми этими значениями можно будет за один такт компьютера.

Для аналогии можно привести пример с обычной планкой памяти объемом, например, 4 гигабайта. Классическому компьютеру необходимо считывать и последовательно обрабатывать все биты, хранящиеся в каждой ячейке, в то время как квантовый компьютер сможет изменить их состояние «за один ход».

Несмотря на то, что с момента возникновения идеи создания квантовых компьютеров прошло уже три десятка лет, их развитие до сих пор не далеко ушло от стадии исследований. Все полученные в лабораторных условиях модели могут обрабатывать гораздо более скромные массивы данных, чем необходимо для того, чтобы составить конкуренцию персональным компьютерам. О построении вычислительного устройства, состоящего из 300 или более кубитов, пока даже речи нет. Лучшее, чего на текущий момент смогли добиться ученые, — это создание квантовых вычислительных систем из 10-15 кубитов.

Квантовые компьютеры позволят сделать прорыв в областях, где применение классических процессоров абсолютно бесперспективно. Такие известные алгоритмы шифрования, как RSA, считаются на текущий момент абсолютно надежными, поскольку для их взлома необходимо производить сложные операции по разложению чисел на простые множители. Классические компьютеры справляются с этой задачей крайне медленно и неэффективно, и для решения многих практических задач им потребовалось бы несколько сотен миллиардов лет.

Используя специально разработанные для квантовых компьютеров алгоритмы, эту же задачу можно выполнять за промежуток времени, сопоставимый со временем, используемым для самого шифрования. Для этого квантовое вычислительное устройство обязательно должно состоять из нескольких сотен кубитов, иначе его производительности будет недостаточно. Как известно, на текущий момент таких компьютеров не существует, но когда их создадут, все современные алгоритмы кодирования данных окажутся практически бесполезными.

Алгоритм Шора, который в будущем позволит за считанные секунды находить простые множители на квантовых компьютерах, работает не со 100-процентным попаданием, поскольку очень часто возможно существование сразу нескольких, правильных с точки зрения вычислений, вариантов ответа. Однако после модификации и проверки полученных результатов можно заставить его находить единственно верный вариант и таким образом добиться 100-процентно точного результата. Чтобы понять, насколько мы еще далеки от этого, стоит напомнить: в 2001 году компьютер, состоящий лишь из 7 кубитов, смог разложить число 15 на простые составляющие (3 и 5). Пока что будущие «убийцы» ПК выглядят именно так.

Квантовая физика, к счастью, способна не только превратить самые современные армейские алгоритмы шифрования в игрушку. Взамен она может предложить методы передачи данных, которые нельзя будет взломать. Если в классическом методе шифрования используются математические алгоритмы, лишь искажающие до неузнаваемости исходные данные, то в квантовой криптографии сами законы физики будут охранять конфиденциальность информации. Если построить систему передачи данных, где информация будет кодироваться с помощью состояния частиц, например фотонов, перемещающихся по оптоволоконному каналу, то любая попытка измерить их состояние будет приводить к так называемому схлопыванию волновой функции, в результате чего состояние системы будет меняться. В этом случае либо вся информация превратится в шум, либо вторжение можно будет определить по изменившимся характеристикам передачи. Так или иначе, но злоумышленник не сможет считать информацию.

На переднем краю

На днях группе ученых из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США) удалось создать квантовый компьютер, основанный на архитектуре фон Неймана, то есть — с физическим отделением процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Как уже упоминалось, «классический» квантовый компьютер работает по обратному принципу: в нем память и процессор — это фактически одно и то же. Статья об открытии уже опубликована в журнале Science, а ее препринт доступен на сайте arXiv. org.

Основой для нового квантового компьютера стали миниатюрные сверхпроводящие схемы, возможность использования которых в таком качестве была впервые описана в журнале Nature в 2008 году. Устройство состоит из двух микроволновых резонаторов (выполняющих роль квантовой памяти), процессора из двух кубит (сверхпроводящие схемы, соединенные шиной-резонатором) и модулей для стирания информации. С помощью компьютера выполнили два алгоритма — квантовое преобразование Фурье и конъюнкцию при помощи квантового логического элемента Тоффоли.

Как сообщают ученые, главное преимущество созданной ими системы — возможность легкого масштабирования. Иными словами, новая разработка может стать базовым «кирпичиком» для строительства более масштабных квантовых компьютеров.

Как резюмировал журнал New Scientist, «ранее наиболее успешными были модели квантовых компьютеров, использовавшие в качестве кубитов фотоны или ионы, заключенные в оптическую ловушку. Сегодня Маттео Мариантони из Калифорнийского университета и его коллеги смогли повысить вычислительную мощность конкурирующей модели на сверхпроводящих пленках, впервые продемонстрированной в 2003 году». По мнению экспертов, новейшая разработка может дать существенный толчок развитию квантовых вычислений.

Тем временем

Физики из Рурского университета в Бохуме (Германия) на днях сделали открытие в более традиционном для квантовых компьютеров «русле». Они рассчитали две квантовые точки, занятые электронами в полупроводнике, выбрали один электрон и с помощью звуковой волны перенесли его в соседнюю квантовую точку.

В эксперименте немецких ученых электрон перемещали на расстояние 4 микрометра, что в двадцать раз больше, чем в современных транзисторах. Перемещение отдельных электронов осуществлялось следующим образом: прежде всего квантовая точка помещается между кончиками четырех электродов для формирования 0-мерного объекта, содержащего несколько сотен электронов. Затем ученые направляют звуковую волну вдоль поверхности полупроводника с помощью двух электродов и высокочастотного напряжения.