«Черный ящик» квантового компьютера все еще остается загадкой

Одним из важнейших научных направлений нашего времени без сомнений является квантовый компьютер. И пусть он существует пока только гипотетически, а до практической реализации идеи пройдут годы, но ценность этого устройства для будущего науки трудно переоценить.

Фото: Квантовый компьютер

В отличие от классической физики, на квантовом уровне все объекты имеют параметры, кратные фиксированным величинам. Минимальной неделимой единицей электромагнитного поля является квант, обладающий (как и большинство обитателей микромира) свойствами волны и частицы одновременно.

Одно из проявлений таких свойств – возможность кванта находиться одновременно в нескольких местах. Точнее говоря, факт существования кванта в любом месте пространства обладает определенной вероятностью.

Спрогнозировать и смоделировать поведение такой частицы – задача нетривиальная. И когда в 1958 году американский физик Ричард Фейнман столкнулся с невозможностью классического решения этой проблемы, он предположил, что расчетами квантовых состояний должен заниматься квантовый компьютер.

Однако это сугубо теоретическое предположение долгое время оставалось красивой задачкой без ответа для ученых-теоретиков. Прорыв в сторону квантового компьютера случился лишь в 1995 году, когда математик Питер Шор переложил на правила квантовых вычислений задачу по нахождению простых множителей больших чисел. Элегантное решение Шора произвело настоящий фурор – криптография давно нуждалась в подобных формулах для создания стойких систем защиты.

С этого момента началась история развития квантового компьютера. От первых теоретических выкладок ученые постепенно приближаются к практической реализации отдельных компонентов устройства. И, хотя говорить о квантовом компьютере как целостном устройстве пока не приходится, не вызывает сомнения тот факт, что эта задача будет доведена до конца.

В основе идеи квантового компьютера лежат квантовомеханические эффекты – «параллелизм», «суперпозиция» и «запутанность». рассмотрим каждый из этих эффектов, чтобы объяснить принцип квантовых вычислений.

Современные вычислительные системы позволяют совершать миллиарды операций в секунду, однако каждое из действий выполняется последовательно – одно за другим, а каждый элемент принимает лишь два состояния - логические «0» и «1». Квантовый параллелизм позволяет рассматривать всю систему целиком как совокупность спутанных квантов и учитывать все нюансы состояний.

Таким образом, квантовый бит (Q-бит или кубит) содержит только же количество данных, как и классическая система, однако изменение состояний можно производить для всей системы одновременно, что сокращает время обработки данных и позволяет производить сразу несколько операций над ними одновременно.

«Суперпозиция» заключается в способности квантовой системы находиться в нескольких неопределенных состояниях, причем сказать – в каком состоянии она находится в настоящее время – невозможно.

Классическим примером этого эффекта является «кот Шредингера». В закрытый ящик помещается кот, ядовитый газ и радиоактивный элемент. Система построена таким образом, что после завершения ядерного распада выпускается газ, и кот погибает. Вероятность распада радиоактивного вещества через час равна 50%, т.е. кот с той же вероятностью погибает.

С точки зрения квантовой механики кот пребывает в неопределенном состоянии, узнать которое можно, лишь открыв ящик. До той поры, пока система остается замкнутой кот может быть «то ли жив, то ли мертв», а может «ни жив, ни мертв», или находиться в еще каком-нибудь неизвестном состоянии. Это и есть «суперпозиция».

С вышеописанными эффектами напрямую связана и квантовая «запутанность». Если состояние двух квантовых систем можно описать во взаимосвязи, то это правило сохраняется вне зависимости от расстояния между ними. Таким образом, зная состояние одной системы, можно рассчитать и состояние другой.

Пока задача построение квантового компьютера находится в самом начале поиска решений. Первые квантовые вычисления произвели в 2001 году Стэнфордский университет и компания IBM, разложив число 15 на простые множители на 7-ми кубитном квантовом компьютере.

Подобную операцию достижением назвать вроде бы нельзя, но исследователи преследовали и добились другой цели. В классической математике для данной операции потребовалось бы произвести 4 действия и 4 проверки. Квантовый компьютер справился с задачей за 1 действие и 1 проверку.

Кроме решения сложных задач на квантовые компьютер возлагаются огромные надеждыв передаче данных. Удачный эксперимент,

Квантовый компьютер

Но, пока ученые рапортуются о очередном прорыве в теории, практическая реализация простаивает на месте. Представленные канадской компанией D-wave 16-кубитный (февраль 2007 года) и 28-кубитный (ноябрь 2007 года) компьютеры приняты научной публикой с большим скепсисом. Устройства, работающие по принципу «черного ящика» и не имеющие доступной посторонним документации, были восприняты как подделка.

Тем не менее, даже самые пессимистичные прогнозы говорят о возможности практической реализации квантовых компьютеров уже в первой четверти этого века.