Квантовый компьютер – сюрреалистическая картинка будущего – сегодня уже перестал быть отвлечённой фантастикой, а уверенно и пошагово обретает черты реальности и диктует направление развития будущих десятилетий.
Теория квантового компьютера весной этого года снова захватила мир после сообщения Национального института стандартов и технологий США (NIST).
Квантовый компьютер – принципиальноновый тип вычислительных машин, разработка на стыке квантовой механики и компьютерных наук, использующая явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. В результате – качественно изменит скорость многих сложных вычислений и создаст новый уровень информационной безопасности.
Авторитетный орган представил широкой публике отчет о постквантовой криптографии. По результатам исследований квантовые компьютеры легко смогут взломать большинство современных криптосистем, то есть конфиденциальность и защита передаваемых данных – под угрозой, а информационная безопасность может стать снова проблемой.
Криптосистема – система зашифровывания и расшифровывания цифровых данных.
Сейчас в мире существует стандартизация различных технологий, и криптологические алгоритмы тоже входят в утверждённый перечень. Большинство алгоритмов, применяемых при шифровании с электронными документами, основаны на принципе разложения чисел на простые множители и подобных процедур решения ряда математических задач высокой вычислительной сложности. Нынешние компьютеры не могут быстро (не за столетия) вычислить криптоключ сообщения и расшифровать последнее, в то время как учёные выяснили, что универсальный квантовый компьютер сможет решать такие задачи за несколько часов. Таким образом, нынешние криптоалгоритмы под угрозой…
Наглядную информацию о теме можно получить, просмотрев американский популярный сериал «Квантовый скачок» (Quantum Leap): там популярно и интересно обсуждаются темы, связанные с исследованиями, и говорят о квантовой телепортации.
История вопроса
Идея квантовых компьютеров появилась не так давно. По-видимому, впервые об этом сказал выдающийся математик Юрий Манин в 1980 году. Спустя 4 года, совершенно независимо, ту же идею высказал Р.Фейнман – лауреат Нобелевской премии. Его заявление было услышано, однако в то время такая информация воспринималось как теоретический казус.
Позже в 1997 году британский физик Питер Дойч подробно исследовал и рассказал о теоретическом устройстве в фундаментальной статье. Механизм представлял собой бесконечную ленту, разделённую на маленькие ячейки. Каждая ячейка содержала символ 1 или 0, или же оставалась пустой. Общее управляющее устройство, перемещаясь по ленте, считывало символы и записывало новые, из возникающего набора составлялась программа, которую машина должна была выполнять.
В 90-е годы американский математик Питер Шор показал, как с помощью квантового компьютера, когда символы на ленте могут быть в суперпозициях обоих чисел: 0 и 1 одновременно, можно разложить быстро числа на множители. Доклад учёного вызвал эффект разорвавшейся бомбы. С тех пор ведутся активные исследования.
Сегодня и перспективы
В канадской компании D-Wave Systems ещё в прошлом году заявили, что построили первый квантовый компьютер на 1000 кубитов, который сейчас тестируют в Google и НАСА.
Недавно IBM сообщила об экспериментальном пятикубитовом квантовом компьютере и планах – увеличить количество кубитов в 10-20 раз в ближайшее десятилетие.
Сегодня в разных уголках мира активно тестируются и ведутся разработки компьютера будущего. Причём к выполнению научной задачи привлекаются и обычные люди. Так, более 10 тыс. геймеров сейчас помогают датским физикам улучшить протоколы для работы квантовых компьютеров. Учёные специально для этого создали набор игр под названием «Квантовые движения» (Quantum Moves), имитирующих операции в гипотетическом квантовом компьютере.
Играющий, сталкиваясь с трудностями, напоминающими реальные проблемы проектирования, придумывает лучшие решения зачастую более интересные для исследования.
Пока существующие системы не способны обеспечить надёжные вычисления. Однако, как говорят учёные, физических запретов на построение эффективного квантового компьютера нет, на пути только возникают технологические трудности, естественные для разработок такого уровня. Специалисты исследуют, и отрабатываются идеи и предложения по увеличению надёжности и управляемости квантовыми битами.
По прогнозам экспертов, в идеале такой компьютер будет содержать тысячи управляющих элементов, которые будут действовать локально на каждый кубит. Скорее всего, воздействие будет осуществляться с помощью электрических импульсов либо оптического управления пучками света, сфокусированными на кубитах.
Комментарий эксперта
Григорий Жолткевич, профессор, доктор технических наук, декан факультета математики и информатики, возглавляет кафедру теоретической и прикладной информатики Харьковского национального университета имени В.Н.Каразина:
Квантовый компьютер не решает всех вопросов, есть ниши, где он хорошо работает.
В целом есть две задачи, связанные с квантовыми компьютерами: первая – как его построить, вторая – как его программировать.
В Харькове разработками кубита – элемента квантового компьютера, имеющего разные физические реализации, занимаются в Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ) в кооперации с европейскими коллегами. Одна из реализаций основана на джозефсоновском эффекте – это сложное устройство, основанное на 4 эффектах, каждый из которых в своё время был отмечен Нобелевской премией. Есть группа ученых в Киеве, занимающаяся квантовыми разработками.
Экспериментальная часть – очень дорогая, т.к. кубит не маленький, там надо поддерживать температуру около абсолютного нуля. Когда останавливается тепловое движение атомов, тогда начинают проявляться квантовые действия. В среднем 1 кубит стоит 2,5 тыс. евро, потом составляющие надо собрать в регистр…. В общем, это одно из интересных, но дорогостоящих направлений. Другое направление – это квантовая оптика.
На днях было сообщение, что ЕС намерено финансировать исследования в области квантовых компьютеров. До сегодняшнего дня в основном это были разработки американцев. ЕС собирается создать международные коллективы.
В нынешнем мире методы квантовой работы нашли применение в сфере передачи информации. Дело в том, что квантовый канал нельзя скрыто подслушать: переговаривающиеся стороны обнаружат прослушку.
Уже сейчас в Европе, в Швейцарии, при помощи квантовой связи передают избирательные данные. В Украине я пока не слышал о практике применения. Напомню, это очень дорогое исследование и внедрение, проблема решается кооперацией международных коллективов Надо полагать, через 10 лет стоимость компонентов будет намного меньше.
Насколько для Украины это тема актуальна? – Здесь может получиться так же, как и с идеей В.Н. Каразина в начале XIX века основать университет, в небольшом на то время, городе Харькове. Не имея ни связей, ни денег, ни титула, он нашел единомышленников и на энтузиазме реализовал свою идею. Это был прорыв. На мой взгляд, это – позитивный пример. Так как именно такие прорывы и создают историю, и развивают науку.
Вероятно, в этом случае к середине 20-х годов нынешнего столетия можно будет ответить на вопрос: тупик это или прорыв.
Текст: Наталия Меченкова