Почему в ближайшие годы вам не видать квантовых компьютеров как своих ушей. 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.

Почему за квантовым компьютером будущее?

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.

Что же такое квантовый компьютер?

Это компьютер, использующий вместо классических битов (бинарных переменных, единичек и нулей) кубиты — состояния квантовой системы с двумя уровнями. В отличие от битов, кубиты могут находиться в состоянии 0, 1 и в суперпозиции 0 и 1.

— Помните мысленный эксперимент с котом Шредингера? Пока мы не откроем коробку, кот в ней и «жив», и «мертв» одновременно. Состояние кота в коробке и называется суперпозицией.

Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам делать параллельные, а не последовательные вычисления, что на порядок ускоряет работу в определенных алгоритмах. И чем больше в нашем процессоре связанных кубитов, тем больше информационное преимущество квантового компьютера над классическим, тем он потенциально мощнее и быстрее.

— В отличие от классических компьютерных битов и транзисторов, кубиты для своего физического воплощения требуют, как правило, отдельных квантовых систем с дискретными энергетическими уровнями и единичных квантов возбуждений.

Кубиты можно реализовать, например, с охлажденными атомами в ловушках, дефектами в нанокристаллах алмаза или сверхпроводящими контурами. Последние на современном этапе считаются самыми перспективными для построения квантовых компьютеров, поскольку сверхпроводящий контур-кубит, по сути, — объект почти макроскопический, размером в микрометры, доступный для манипуляций и массового изготовления.

Атомы-кубиты в оптической ловушке. Изображение: Hannes Bernien, et al. / Nature, 2017

Сверхпроводящие кубиты можно создавать на основе существующих методов литографии и помещать на чипы, не боясь, что они куда-нибудь сбегут как атомы. Так, в 2015 году Министерство образования и науки РФ сообщало о создании кубитов из четырех джозефсоновских контактов на «петле» размером в один микрон: «Контакты состоят из алюминиевых полосок, разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 нанометров». Для печати кубита использовалась технология электронной и фотолитографии. Процесс этот весьма увлекательный и подробно расписан создателями в их блоге.

Джозефсоновские переходы в сверхпроводящем кубите. Фото: makeitquantum.ru

Существуют ли настоящие квантовые компьютеры?

— Они уже есть, и вполне настоящие. Их покупают и продают. Канадская компания «Ди-вэйв» (D-Wave) с 2011 года продает процессоры на нескольких сотнях и более кубитов. Одним из покупателей является аэрокосмическая корпорация «Локхид Мартин» (Lockheed Martin), приобретшая один из первых 128-кубитных процессоров за $11 млн. В начале прошлого года «Ди-вэйв» выпустила устройство с 2000 кубитов.

Правда, на стол в каждой отдельной семье квантовый компьютер поставить трудно — это ящик трехметровой высоты стоимостью $15 млн, внутри которого холоднее, чем в космосе [-273 градуса по Цельсию, тогда как на орбите Земли температура достигает +4 градусов — прим. Onliner.by]. И даже если оставить сомнения в истинной квантовости компьютера «Ди-вэйв», выгода от него — лишь для отдельных специализированных задач.

В начале прошлого года D-Wave выпустила устройство с 2000 кубитов, которое работает при температуре −273 градуса по Цельсию

В некоторых случаях речь идет о задачах по оптимизации функции затрат по принципу квантового отжига. Например, компании Google это позволило в одном из таких алгоритмов добиться в 100 млн раз большего быстродействия по сравнению с обычным компьютером.

А летом прошлого года группа физиков под руководством профессора Гарварда и сооснователя Российского квантового центра Михаила Лукина смогла создать 51-кубитный квантовый компьютер для моделирования квантовых систем, то есть квантовый симулятор. «Наш симулятор обладает достаточно хорошей когерентностью и довольно большим количеством кубитов, но все это есть и у других систем. Что важно — нам удалось сделать систему с высокой степенью программируемости», — говорил Михаил Лукин в интервью РБК. Квантовый симулятор, по мнению американского ученого Кристофера Монро, это то, что можно запрограммировать под выполнение лишь определенного вида задач и со временем превратить в универсальный квантовый компьютер, когда станет возможно программировать симулятор произвольным образом. Михаил Лукин отмечает, что на данном этапе исследований грань между компьютером и симулятором очень размыта.

Компания Intel в октябре прошлого года объявила о выпуске экспериментального 17-кубитного квантового процессора. Разработчики утверждают, что применили новую архитектуру, которая позволила повысить надежность, улучшить температурные характеристики и изоляцию от помех из-за совместной работы кубитов.

Эволюция оперативной памяти ЭВМ: от ENIAC до первого транзисторного компьютера

Работы ведутся. Как в середине прошлого века ученые предполагали, что на весь мир хватит и пяти компьютеров, так в нынешнем столетии хочется надеяться, что и задач для квантовых компьютеров станет больше, и для их производства найдутся эффективные и масштабируемые технологии. Пока же есть загвоздки.

Что останавливает торжество квантовых компьютеров?

— Конечно, было бы здорово, если бы удалось сделать компактный и дешевый универсальный квантовый процессор, для всякой задачи работающий не хуже классического и пригодный для помещения в смартфон. Но, увы, пока технологические затруднения слишком велики. Квантовость хрупка. Окружающий мир постоянно толкает наше квантовое состояние, и оно размывается.

Представьте, что вы пытаетесь удержать неподвижным маленький шарик в широкой миске, в то время как вас и миску в ваших руках постоянно и быстро толкают в разные стороны. Шарик остается в миске, расстояние от него до ваших глаз более-менее постоянно, но его положение все время меняется, он дрожит и в ваших глазах превращается в расплывчатое пятно.

На научном языке это называется «декогеренцией». Для большого числа кубитов подобный фазовый шум — настоящее бедствие, способное быстро убить все то, что дает преимущество квантовому компьютеру. Он загоняет квантовое состояние в классическое, губит суперпозицию. Нужно изолироваться, не дать окружающему миру толкать наши кубиты. Один из выходов — попросту заморозить окружающее до суперкосмического холода, как в «Ди-вэйв». Оттого и трехметровые габариты, и высокая цена — хотя сам процессор величиной с ноготь.

Но сейчас интенсивно разрабатываются и другие платформы для квантового процессора, например дефекты в нанокристаллах алмаза, которые способны сохранять когерентность при комнатной температуре.

В последние годы в гонку ввязались мировые технологические гиганты, а потому можно ожидать, что в ближайшие десятилетия мы увидим полноценный квантовый компьютер. Если не на своем столе в гостиной, то в университетской лаборатории уж точно.