Компьютеры готовятся к квантовому скачку (фото)

Пока мир с упоением ждет презентации очередного iPhone, канадская D-Wave не только изобрела, но и продала квантовый компьютер, работающий в тысячи раз быстрее, чем привычный нам PC.

Для большинства людей технология квантовых вычислений по-прежнему остается чем-то из области фантастики, однако разработка канадской D-Wave красноречиво свидетельствует, что будущее вот-вот наступит. «Фонтанка» решила узнать у экспертов, как квантовые компьютеры изменят нашу жизнь. Разобраться в спутанных состояниях нам помог физик-теоретик, сотрудник лаборатории квантовой информатики международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО Антон Козубов.

Что такое квантовый компьютер и чем он лучше обычного?

Многие думают, что квантовый компьютер — это следующий шаг в развитии привычного нам PC. Но это не так, потому что работает он на совершенно иных принципах.

В обычном компьютере единицей хранения информации является бит, который может принимать вид нуля или единицы (в физическом смысле, есть сигнал или нет сигнала). Двоичный код используется для записи информации, вычисления совершаются с помощью арифметических операций. Затем данные преобразуется в понятные пользователю текст, картинку или видео.

В квантовом компьютере используются квантовые биты, или кубиты. Они находятся в так называемом суперпозиционном состоянии, то есть принимают любое значение от нуля до единицы с определенной вероятностью. Это значит, что действия могут проводиться со всеми их состояниями одновременно. Отсюда преимущество в скорости вычислений. «В качестве примера можно привести задачу по поиску выхода из лабиринта. Обычному компьютеру придется перебрать все варианты, тогда как квантовый видит сразу все, что существенно ускоряет время поиска оптимального пути», – поясняет Антон Козубов.

Действительно ли D-Wave удалось создать квантовый компьютер?

Сама D-Wave сообщает, что ее новинка в 10 тысяч раз превосходит классические суперкомпьюторы на кремниевых микрочипах. Однако нужно сделать оговорку, что устройство заточено только под одну операцию – так называемый «квантовый отжиг». Это значит, что оно позволяет проанализировать гигантские массивы информации и найти максимальное или минимальное значение чего-либо.

«Разработку D-Wave пока нельзя назвать универсальным квантовым компьютером, так как другие задачи он либо не выполняет, либо выполняет не так эффективно, как хотелось бы», – говорит Антон Козубов. И тем не менее это важный прорыв. «Создание подобных устройств приближает нас к будущему, в котором у нас будет возможность справиться с огромным числом проблем в математике, физике, экономике, медицине и других сферах современной жизни, которые пока остаются нерешенными», – отмечает он.

Зачем вообще нужен квантовый компьютер? Кто сейчас их использует?

Квантовые вычисления могут использоваться везде, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов. Например, решать задачи квантовой химии и создавать новые лекарства, находить оптимальные пути движения информации и ускорить работу Интернета, моделировать летательные аппараты и многое другое. На многие из этих задач у обычных суперкомпьютеров ушли бы годы, тогда как квантовым понадобятся часы.

Интерес к новой технологии проявляют многие технологические гиганты. Например, предыдущую 1000-кубитную версию у D-Wave купили Google и NASA. Новое 2000-кубитное поколение — компания Temporal Defense Systems, которая специализируется на информационной безопасности.

Почему эти задачи нельзя решить, просто развивая обычные компьютеры?

Современные компьютеры достигли пределов развития – транзисторы настолько малы, что дальше уменьшать их бессмысленно, иначе наступают нежелательные квантовые эффекты. Это значит, что единственный способ увеличить мощность современного суперкомпьютера в два раза — поставить рядом еще такой же. Зато в квантовых устройствах каждый новый кубит дает двукратное увеличение производительности.

Человечество знает о квантах с начала XX века, почему квантовый компьютер до сих пор не создан?

Концепция квантовых компьютеров была предложена еще в конце 80-х годов британским ученым Дэвидом Дойчем. Однако до сих пор не ясно, как воплотить ее физически. Чтобы сделать квантовый компьютер, нужно создать систему с большим числом перепутанных друг с другом кубит. Сейчас существует несколько идей, как это можно сделать — например, используя ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводники.

По словам Антона Козубова, полноценным квантовым компьютером сможет считаться устройство, которое сможет выполнять различные квантовые алгоритмы, например видеть все варианты решения одновременно (алгоритм Дойча), уметь раскладывать простые числа на сомножители (алгоритм Шора), быстро находить элемент в большой базе данных (алгоритм Гровера).

Однако пока не удается создать достаточно мощное устройство, которое бы позволило это сделать. Например, квантовый компьютер на основе алмаза, который физики из Нидерландов и США создали в 2012 году, содержит всего два кубита. Разработка IBM – пять кубитов.

Могу ли я купить квантовый компьютер себе домой? Смогу ли я поставить на него игру/загрузить видео?

Обычным пользователям пока придется довольствоваться классическими PC. Из-за принципиально иной архитектуры, запустить на квантовом игры и фильмы не получится.

Кроме того, размер этих устройств делает их не слишком удобными в быту. Если сам квантовый процессор не больше ногтя большого пальца, то его защитные системы могут быть величиной с небольшую комнату. В частности, D-Wave указывает, что для функционирования ее устройства необходима система, которая будет поддерживать температуру около абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию), а также предохранять от воздействия электромагнитного излучения и возможных вибраций.

Наконец, пока квантовые компьютеры — это слишком дорогая технология. Тот же D-Wave 2000Q обошелся первому покупателю в 15 миллионов долларов США.

Правда ли, что появление квантового компьютера поставит под угрозу надежность банковской системы?

Доля истины в этом опасении есть. Один из алгоритмов квантовых вычислений (алгоритм Шора) позволяет раскладывать числа на простые сомножители. Именно этот принцип используется при защите информации — например, чтобы получить доступ к чужой кредитной карте, придется разложить на ряд простых сомножителей число длиной в сотни цифр.

Сейчас этот алгоритм считается надёжным, поскольку к тому моменту, как классический компьютер найдет решение задачи, информация станет устаревшей. «Но если квантовый научится это делать, придется задуматься о полном переделывании криптографии», – говорит Антон Козубов. Но пока можно спать спокойно — сейчас квантовые компьютеры могут раскладывать лишь небольшие числа, и с их помощью нельзя взломать ваш счет.

Кроме того, на стражу данных встанут системы квантовой криптографии. В частности, первый покупатель D-Wave 2000Q – Temporal Defense Systems – объяснил приобретение устройства желанием совершенствовать системы кибербезопасности от новых методов атак.

Кто сейчас делает квантовые компьютеры? Как скоро возможно появление аналога D-Wave 2000Q в России?

На данный момент универсального квантового компьютера не построено. Однако разработками в этой сфере занимаются многие ведущие технологические корпорации — например, Google, NASA, IBM. Государства тоже проявляют интерес, к примеру Европейская комиссия в прошлом году заявила о намерении вложить 1 млрд евро во «флагманские квантовые технологии».

Россия в этом вопросе пока отстает, хотя и прикладывает усилия, чтобы наверстать, говорит Антон Козубов. К примеру, в 2015 году сотрудники Российского квантового центра, МФТИ, МИСиС и Института твердого тела РАН создали первый в России сверхпроводящий кубит.

Лаборатория петербургского Университета ИТМО тоже занимается квантовыми вычислениями. В лаборатории разрабатываются различные алгоритмы и их применение к имеющимся системам квантовой коммуникации. Кроме того, в 2013 году его сотрудники создали прототип системы квантовой коммуникации. Промышленный образец ожидается в конце 2017 — начале 2018 года. Как ранее рассказывал «Фонтанке» глава объединения Russoft Валентин Макаров, эта технология передачи данных, основанная на квантовых эффектах, сможет найти применение в финансовой сфере, а также в «умной энергетике».

Галина Бояркова,

«Фонтанка.ру»