О том, что же на самом деле происходит в области квантовых вычислений рассказал Илья Бетеров, выпускник ФФ НГУ, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН.
Создание квантового компьютера выгодно выделяется на фоне остальных задач, стоящих сегодня перед учеными-физиками. Во-первых, работа в этой области связана с большим количеством междисциплинарных исследований, что, безусловно, «подогревает» интерес научного сообщества. Во-вторых, многие выдающиеся специалисты настроены довольно скептически и если и верят в возможность создания квантового компьютера, то убеждены, что он станет практически бесполезным изобретением.
В настоящий момент проблема создания принципиально нового компьютера как никогда актуальна. Почему же именно сейчас? Как рассказал Илья Бетеров, считается, что в скором времени быстродействие обычных компьютеров достигнет своего «потолка»:
«5 нанометров – это предельный размер транзистора, который можно сделать. Если мы будем дальше уменьшать размер, то электроны в проводниках смогут фактически туннелировать из одного проводника в другой, что будет приводить к вычислительным ошибкам.
На больших расстояниях вероятность такого туннелирования мала, но на 5 нанометрах все современные процессоры, работающие на классической архитектуре, обязательно столкнутся с квантовыми ограничениями. Идея квантового компьютера состоит в том, чтобы превратить эти ограничения в преимущества. Не пытаться обойти вездесущие законы квантовой механики, а, наоборот, воспользоваться ими».
Всерьез стали заниматься квантовыми вычислениями в 70-х годах, когда российский математик Александр Холево доказал теорему о том, какое количество информации может храниться в квантовых состояниях. Собственно же идея квантового компьютера была сформулирована немногим позже, в 1980 году, в книге математика Юрия Манина «Вычислимое и невычислимое». Сравнивая различные классы вычислительных задач, он показал, какие из них можно решать с помощью обычных компьютеров, а какие нельзя. В частности, им было выдвинуто следующее предположение: для моделирования физически сложных процессов – как, например, репликации молекул ДНК – нужны компьютеры, которые будут работать на квантовых принципах. Такие машины он называл квантовыми автоматами. Поскольку книга Ю. Манина была издана небольшим тиражом, до внимания мирового научного сообщества мысли советского ученого так и добрались. Настоящая популярность к этой теме пришла, когда Ричард Фейнман выступил с лекциями, одна из которых называлась «Моделирование физики на компьютерах», а другая – «Квантовые компьютеры». Тут-то, как говорится, до всех и дошло.
Прежде чем перейти к квантовым компьютерам, давайте сначала вспомним, как работают обычные. Итак, в классических компьютерах операции производятся над числами, представленными битами информации. Мы знаем, что память нашего компьютера состоит из элементов, каждый из которых представляет собой либо ноль, либо единицу.
«В квантовых компьютерах все устроено по-другому. Мы будем работать уже не с обычными битами, а с суперпозициями. Суперпозиция – бит, находящийся и в состоянии нуля, и в состоянии единицы. Соответственно, когда мы производим операции над суперпозицией, мы одновременно производим операции и над нулем, и над единицей. Таким образом, если в классическом регистре может быть записано только одно число одновременно, то в квантовом – 2n чисел, где n равняется числу битов. Такая возможность записывать состояние регистра позволяет реализовать несколько так называемых квантовых алгоритмов», – рассказал Илья.
Квантовые алгоритмы, кстати, с точки зрения классической информатики являются невычислимыми. Что это значит? Это значит, что с увеличением массива входных данных количество шагов, необходимых для реализации этого алгоритма, экспоненциально растет. А вот если работать с квантовыми компьютерами, то некоторые задачи перестают быть неисчислимыми.
Зависимость числа шагов в таком случае увеличивается существенно медленнее. Не стоит, однако, думать, будто любой квантовый компьютер будет работать быстрее классического. Как пояснил новосибирский ученый, здесь речь идет об ускорении для отдельных алгоритмов, причем только в том случае, когда мы сравниваем, как скорость вычисления меняется с увеличением массива входных данных.
Итак, что же нужно сделать, чтобы создать квантовый компьютер? Прежде всего, мы должны иметь квантовую систему, которая состоит из отдельных квантовых битов. Желательно иметь возможность неограниченно – но в разумных пределах – увеличивать размер этой системы. Далее нам необходимо управлять состояниями этой системы. Квантовые состояния любой квантовой системы имеют тенденцию к разрушению, если они взаимодействуют с внешним окружением. Эти вещи являются физически неустранимыми ограничениями, и очень важно, чтобы мы за то время пока состояние квантовой системы не разрушилось, смогли сделать большое количество операций. Соответственно, время разрушения квантовых состояний должно быть большим. Затем мы должны уметь реализовывать определенный класс логических операций, которые являются универсальными. Данные операции проводятся либо над отдельным квантовым битом, либо над парами кубитов. После того как мы провели над нашим регистром все эти операции, мы должны измерить его квантовое состояние. Процесс квантового измерения вещь не тривиальная, поэтому его нужно сделать без ошибок. Вот, в принципе, и все.
Безусловно, как подчеркнул Илья Бетеров, создание квантового компьютера крайне сложная, но и не нерешаемая: «По крайней мере на сегодняшний день квантовые технологии, несмотря на всю их таинственность и необычность, все же перестают быть чем-то из области научно-популярной фантастики. Сейчас мы все ближе и ближе подбираемся к новому научному открытию».
