Знание - сила, 2003 № 06 (912)

Все мы хорошо знаем, что компьютеры становятся миниатюрнее и миниатюрнее. Здание нашей Лаборатории в ОИЯИ — пример недальновидности прогнозов 60 — 70-х годов: центральные холлы, ныне почти пустующие, предусматривались для вычислительных машин будущего. Как тогда предполагали, более мощные машины будут требовать больше и больше места под периферию, память и так далее. В действительности все оказалось как раз наоборот.

Историческая справка. В середине 60-х годов Гордон Мур сформулировал правило, требующее удвоения производительности вычислительных систем каждые восемнадцать месяцев. До сих пор оно не нарушалось. Мур вывел свой эмпирический закон, просто подсчитав темпы роста числа транзисторов в интегральной микросхеме в зависимости от времени. Соответственно, этот закон задает темпы миниатюризации отдельного транзистора.

Если экстраполировать закон Мура, то мы увидим, что примерно в 2020 году физический размер элементарной ячейки информации в 1 бит станет размером с атом, то есть порядка 10^-8 сантиметра. Конечно, прогноз может измениться, но в целом тенденция такова. А на этом уровне, как мы знаем, классическая физика перестает работать, и в игру вступает совсем другая, квантовая физика. Если даже отвлечься от проблем нагревания, от проблем скорости обмена информации, которая ограничена скоростью света, между ячейками памяти и так далее, то человечество, увеличивая степень интеграции микросхем, столкнется с необходимостью учета квантовых эффектов в компьютинге.

Но сам по себе этот учет еще не ведет к отказу от классической модели вычислений, используемой в современных компьютерах. Это означает, в частности, что «не решаемые» задачи, требующие огромного объема вычислений, останутся «не решаемыми» независимо от роста производительности классических компьютеров. Истинно же квантовые компьютеры используют совершенно иную модель вычислений, основанную на особом наложении состояний элементарных ячеек информации — квантовых битов, или кубитов. Вычислительная мощь квантового компьютера состоит в том, что благодаря такому наложению вычисления производятся сразу с многократно большим числом состояний соответствующей системы классических битов. Это дает основание рассчитывать на переход (по крайней мере, отдельных) «не решаемых» задач в класс «решаемых».

Физики обратили внимание на важность квантовой механики для компьютинга и на преимущество квантовых компьютеров над классическими уже в начале 80-х годов, после работ нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана. Он показал, что ни один классический компьютер не может нормально моделировать квантовую систему. В принципе может, но будет существенно запаздывать. Основываясь на этом, Фейнман сделал вывод о том, что для успешного моделирования квантовой системы нужен принципиально новый компьютер, и предложил одну из теоретических моделей квантовых компьютеров[*Подробно отмеченные аспекты квантового компьютинга рассмотрены в статье К.А. Валиева и А.А. Кокина «От кванта к квантовым компьютерам» («Природа», 2002, N° 12). В ней авторы прослеживают историю развития физики, техники и технологий от открытия кванта и изобретения транзистора к микроэлектронике и нанотехнологиям; физико-математические основы квантовых вычислений и историю их возникновения и развития; структуру квантовых компьютеров и перспективные направления развития их элементной базы.].

Таким образом, в настоящее время имеются две принципиально разные модели компьютеров: классический, основанный на машине Тьюринга, и квантовый (для его описания можно ввести понятие квантовой машины Тьюринга, как показал Дэвид Дойч из Англии), к которому проявляется очень мошны й интерес во всем мире; сегодня практически все ведущие компьютерные лаборатории серьезно занимаются проектами, связанными с квантовыми компьютерами.

Новости из Интернета. Квантовомеханическая природа атомов, особенноярко проявляющаяся при температурах, близких к абсолютному нулю, дает возможность создавать «атомные чипы». Сотрудники Имперского колледжа и Саутгемптонского университета (Великобритания) создали из таких атомов «строительные блоки» и приступили к сборке цепей для будущих квантовых компьютеров.

Облако из атомов лития, натрия, калия, рубидия и цезия удалось сформировать в колонку толщиной в один атом, то есть одномерный газ. Охлажденный до одной двадцатипятимиллионной градуса выше абсолютного нуля, он превращается в конденсат Бозе — Эйнштейна и перемещается по проводнику в магнитном поле без каких-либо вибраций. Следующая задана — построение квантовой цепи, в которой перемещаются цепочки атомов, контролируемые магнитными полями.

Экспериментальное создание квантовых цепей — важнейший шаг на пути построения компьютера, основанного на квантовой механике.

Другим важным направлением исследований в области квантовых вычислений является разработка алгоритмов, основанных на особом механизме квантовых вычислений. Как показали исследования последних 10 —15 лет, квантовый компьютер способен решать отдельные задачи успешнее классического. Самый яркий пример — алгоритм 1994 года Питера Шора (США). Известно, что современная криптография, обеспечивающая защиту информации, основана на простом факте: чтобы «вскрыть» секретный код, подобрать ключ, необходимо знать разложение очень длинного (на практике составляющего сто и более цифр) десятичного числа на два множителя. Оказывается, при использовании классических алгоритмов разложения эта задача является «не решаемой». Другими словами, на классическом компьютере на «вскрытие» кода, то есть на разложение на множители длинного числа, скажем, со 150-ю цифрами, потребуется непомерно много времени, а квантовый компьютер, эквивалентный по производительности современному персональному компьютеру, сможет решить такую задачу за секунды. А это очень большая разница. Американский ученый Умеш Вазирани привел такой пример: представьте себе, что каждая элементарная частица нашей Вселенной является современным классическим компьютером.

Тогда, чтобы разложить на множители дветысячизначное число с помощью всех таких компьютеров, одновременно работающих на полную мощность, не хватит всего времени жизни Вселенной! Для алгоритма Шора это займет менее часа на одном квантовом компьютере.

Когда Шор показал, что квантовый компьютер способен легко взломать любые, ныне «безопасные» коды за короткое время, то фирмы, занятые компьютерной безопасностью, криптографией, начали серьезно воспринимать и финансировать исследования по квантовым вычислениям. Существуют и другие квантовые алгоритмы, хотя их пока еще очень мало, которые существенно лучше классических.

Говорить о самой квантовой машине как таковой пока рано, когда она будет создана — непонятно. Тем не менее лаборатории строят экспериментальные модели квантовых компьютеров, основанные на ядерно- магнитном резонансе и ионных ловушках. Уже созданы системы из нескольких квантовых битов.

Владимир Гердт - доктор физико-математических наук, профессор, начальник сектора Лаборатории информационных технологий СИЯИ (Дубна)

Новости из Интернета. IBM продемонстрировала использование созданного в лабораториях компании семикубитового квантового компьютера. Хотя решенная им задана вряд ли способна поразить воображение (компьютер верно определил, что делителями числа 15 являются числа 3 и 5), это самое сложное вычисление за всю историю квантовых компьютеров. Компьютер, созданный группой ученых из IBM и Стэнфордского университета, представляет собой пробирку с миллионами молекул, имеющих семь ядерных спинов. Он может быть «запрограммирован» при помощи электромагнитных импульсов разной частоты, а для получения результатов работы устройства используется ЯМР-сканер.

Исследователи Висконсинского университета (США) добились успеха в моделировании архитектуры квантового компьютера и утверждают, что современный уровень технологий позволяет воплотить идеи в железе. В качестве квантового бита будут использоваться электроны, находящиеся в квантовых зонах полупроводников. В зависимости от спина электрона определяется значение бита — 0 ши I. Проблемы квантовых операций — высокая чувствительность к повышению входного напряжения и требование однородности структуры, ведь для нормальной работы квантового процессора потребуется свыше миллиона битов электронов. Но, по мнению исследователей, существующее оборудование для кремниевого производства можно использовать для производства квантовых компьютеров.