Тайны открытий XX века

Подобная машина может одновременно выполнять невероятно большое число операций. Ее принцип действия основан на использовании квантовых состояний отдельных атомов или ионов. Впрочем, насколько хорош квантовый компьютер, настолько же трудно его создать. Исследования в этой области только начинаются.

Конденсат Бозе — Эйнштейна вызывает большой интересу специалистов. Области его возможного применения — от микроскопов до атомных лазеров, от гравитационных сенсоров до квантовых компьютеров. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, — гораздо эффективнее современных вычислительных машин, поскольку способны одновременно выполнять множество счетных операций.

Возможности современного компьютера предсказуемы. Как и способности человека, сотворяющего все новые, более мощные компьютеры. Их отношения вот уже сорок лет описывает так называемый закон Мура. Гордон Мур, один из основателей фирмы «Интел», первым заметил, что каждые полтора года мощность процессоров удваивается. В этом прогрессе не было ничего мистического. Каждые полтора года удваивалось количество транзисторов, умещаемых на микросхеме. Ее элементы становились все миниатюрнее. И этот факт указывал «пределы роста» современной техники. Когда-нибудь ячейки информации в один бит станут настолько малы, что их нельзя будет уменьшить ни на йоту — ни на атом. Они сами станут размером с атом. По мнению экспертов, обычный кремниевый компьютер исчерпает свой ресурс около 2020 года.

Но не может же наука остановиться в своем развитии из-за ущербности материала! Наша цивилизация прогрессирует «скачками»: один излюбленный ею материал сменяется другим. Вся история человеческой культуры — это череда разочарований и отказов от кремния, бронзы, древесины, угля, железа. Всякий раз, на новом витке развития, у цивилизации появляется очередной «любимчик». Еще недавно ученые и инженеры не чаяли души в полимерах и полупроводниках, но вот и кремниевые микросхемы понемногу выходят из фавора. Последние лет двадцать перед наукой брезжит видение «квантового компьютера».

Идею квантования вычислений высказал в 1980 году советский математик Юрий Манин. Интерес к ней пробудила статья нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, опубликованная в 1982 году.

Подобная машина может моментально просматривать огромные базы данных. Теоретики уже убедили, что квантовый компьютер без труда разгадает любой шифр. Проблема заключается лишь в том, как построить эту «чудо-машину», как научиться создавать и удерживать в стабильном состоянии тысячи частиц, связанных (или, как говорят физики, «сцепленных») друг с другом.

Квантовые биты взрываются как бомбы

«Разве есть Луна там, где ее никто не видит?» — ироническая фраза Эйнштейна, адресованная адептам невзлюбившейся ему квантовой механики, достаточно метко описывает поведение изучаемых ею объектов. В квантовом мире они принимают определенные свойства лишь в тот момент, когда мы пытаемся «взглянуть» на них, то бишь измерить их параметры. Или иными словами: нет реальности без наблюдателя.

С миром, окружающим нас, мы связаны воистину неразрывными узами. Пока мы есмь, есть и он. Когда мы исчезаем, мир принимает совершенно иной облик, повинуясь чужому взгляду. Только мы удерживаем вокруг себя Вселенную такой, как она… Есть? Какой мы ее видим! К концу своей жизни человек становится хранителем целой Вселенной, в которой, вероятнее всего, действуют те же законы, что и в других вселенных, — в мириадах вымышленных и одной истинной. Ее облик неминуемо отличается от остальных своими «корнями» и размахом, подобно тому как любую окружность обособляют от других расположение ее центра и ее радиус.

Недаром физики дали еще одно толкование этому основному положению квантовой механики: для каждого возможного результата имеется своя параллельная Вселенная, в которой некий наблюдатель (возможно, это вы!) видит некий конкретный результат.

Итак, квантовый объект — это своего рода чистый холст, ожидающий появления художника. В нем заключено множество самых разных состояний, одно из которых будет воплощено. Подобные «абсурдные» модели долгое время бытовали лишь в академических кругах, пока, наконец, в 1994 году математик Питер Шор из лаборатории Белла (США) не опубликовал свою теорию квантового компьютера. Он показал, что эта машина, например, может с невероятной быстротой разлагать очень большие числа на простые сомножители. И дело даже не в этом…

Теория Шора стала «вопросом национальной безопасности США», ведь он убедил, что в мире, где существует квантовый компьютер, нет больше тайн. С помощью этого компьютера можно сравнительно легко дешифровывать секретные коды, используемые сейчас американскими банками и кредитными компаниями, поскольку эти коды как раз и основаны на разложении больших чисел на сомножители.

До сих пор банковские служащие, военные, связисты могли полагаться на секретные коды лишь потому, что любой, кто пытался дешифровать их, затрачивал слишком много времени, подбирая нужный ключ методом проб и ошибок. Так, если длина кодового ключа достигнет 2⁶⁶ (двух в шестьдесят шестой степени) бит, то взломщик этого кода, тщась перебрать все варианты, должен совершить больше попыток, чем имеется атомов во Вселенной. Даже самые мощные современные компьютеры потратили бы на эту работу больше времени, чем существует вся Вселенная. Что ж, криптологи могут спать спокойно, пока у противника есть только такие помощники, что последовательно перебирают все возможные варианты.

А вот квантовые компьютеры проявляют невероятные способности. Вместо нулей и единиц они оперируют особыми квантовыми состояниями, характерными для микромира, — квантовыми битами, или, сокращенно, кубитами (q-битами). Кубит, в отличие от классического бита, может не только равняться нулю или единице, но и принимать промежуточные значения, точнее, весь спектр значений от нуля до единицы. Физики говорят о «суперпозиции», о наложении состояний.

«Наличие континуума состояний между нулем и единицей, — пишет австралийский физик Майкл Нильсен на страницах журнала «Scientific American», — причина многих необычных свойств квантовой информации. В одном кубите можно закодировать бесконечное количество классической информации».

Едва мы начнем решать на квантовом компьютере какую-либо задачу, как его кубиты воплотят сразу все возможные решения. Два кубита представляют сразу четыре числа — 00, 01, 10, 11, три кубита — восемь чисел, n кубитов — это 2 в степени n чисел. В поисках решения компьютер будет перебирать все имеющиеся варианты одновременно (!). Там, где обычный компьютер последовательно вычисляет функцию f от одного значения x, другого значения x и так далее, квантовый компьютер одновременно определит все показатели f при любых значениях x. Он найдет нужное решение, уложившись в считанное число операций, и справится с не решаемой — в нашей Вселенной — задачей менее, чем за час. Задача поиска тех же простых сомножителей раскладывается на целый ряд задач, которые будут решаться не последовательно, а параллельно друг другу, то есть одновременно. Как заявил еще один сотрудник лаборатории Белла, Лав Грувер, подобный компьютер будет незаменим при решении нечетко сформулированных задач. Привычные нам машины теряются при решении таких задач. Недаром о подобном компьютере мечтал еще в начале 1980-х годов Ричард Фейнман — эта машина идеально моделировала бы поведение квантовых систем.

Следующий пример, затрагивающий ваши личные, пусть и мнимые, интересы, наглядно обрисует разницу между двумя типами компьютеров. Представьте себе, вам сообщили, что в квартире номер 80 лежит банковский чек в один миллион евро, выписанный на ваше имя. Единственное, чего вы не знаете, так это названия города, улицы, страны, где вас давно дожидается ваше счастье. Правда, в вашем распоряжении есть чудесная база данных: в ней упомянуто все, что хранится во всех жилищах нашей планеты. Вот только опять незадача: в вашем распоряжении есть лишь обычный кремниевый компьютер. Он последовательно город за городом, улица за улицей, дом за домом просматривает все, что хранится в его памяти. Начинается перебор данных: Санкт-Петербург, Уфа, Москва, улица Бирюлевская, Рузская, Широкая, дом 10, 15, 20… А ваше богатство покоится где-нибудь в далеком Белу-Оризонти… И через сколько лет педантичная машина отыщет его? Нужно ли оно будет вам тогда? Квантовый компьютер — не в пример этому тихоходу, — моментально обозрев все варианты, даст вам ответ через считанные секунды.

Известие об алгоритме Шора было сродни разорвавшейся бомбе. «Внезапно на всех проводимых нами конференциях стали появляться люди, которых мы никогда не видели», — вспоминает немецкий физик Герберт Вальтер. Многие из этих посторонних, неожиданно возомнивших себя знатоками неизведанной области физики, открыто указывали свое место работы: «National Security Agency» (NSA). В Национальном агентстве безопасности собрались американские «взломщики кодов», использующие в своих целях самые мощные компьютеры. Вот так спецслужбы США быстро взяли под свое крыло все работы в этой области, поддерживая ученых деньгами и зорко следя за их новейшими достижениями. Естественно, подобный компьютер, моментально выхватывающий из огромной базы данных нужный результат, пригодится и в науке.

Счетные доски квантовых дотов

Однако сказанное, по большей части, представляет собой лишь мечты. Идея квантового компьютера блестяща, но реализовать ее весьма трудно, поскольку квантовые эффекты, теоретически облегчающие работу подобной машины, в то же время делают неимоверно сложным ее практическое воплощение. Пытаясь узнать результат вычислений, мы невольно вмешиваемся в процессы, происходящие на субатомарном уровне, и тогда результат меняется. Квантовый компьютер настолько чувствителен, что его работу нельзя контролировать. Он должен быть полностью изолирован от всего. Любое взаимодействие с окружающей средой может разрушить квантовое состояние, и тогда накопленная информация будет утрачена. Удастся ли нам приноровиться к подобным странностям квантового мира, обуздать их — покажет будущее.

Так, первый алгоритм решения задач с нечетко поставленными условиями был опубликован еще в 1996 году. Но для его применения нужны мощные машины. А их-то у нас нет!

Еще никто не знает, сколько атомов надо соединить, чтобы квантовый компьютер впрямь заработал. Все атомы нужно идеально изолировать от внешнего мира. Даже одна-единственная молекула газа моментально разрушит это хрупкое состояние. А ведь абсолютного вакуума не существует!

Поэтому ученые радуются, когда подобное «телепатическое» состояние удается удержать на миллионную долю секунды. Соответственно и возможности современных квантовых компьютеров пока невероятно малы. В лучшем случае они работают как квантовая… счетная доска.

Так, в декабре 2001 года Айзек Чуанг, сотрудник компании IBM, создал 7-кубитную машину, использовав в качестве вычислительных элементов пару капель раствора соединения железа (C₁₁H₅F₅O₂Fe). Отдельным кубитам соответствовали спины атомов фтора и углерода. Данная машина сумела определить, что делителями числа 15 являются числа 3 и 5 (пятнадцать — это минимальное число, для которого алгоритм Шора дает разумное решение). Это было тогда… самое сложное вычисление за всю историю квантовых компьютеров.

На первый взгляд, эксперимент не слишком эффектен, и все же он стал важным шагом на пути к созданию квантового компьютера. Возможности этого компьютера XXI века наглядно покажет следующий пример.

В одном из недавних экспериментов, чтобы разложить 158-значное число на простые множители, потребовалось несколько недель времени и сеть из 144 соединенных вместе компьютеров. А вот квантовый компьютер разложил бы подобное число на сомножители в течение считанных минут.

Эффективность квантовых компьютеров нарастает по экспоненте в зависимости от количества кубитов. Так, по своей мощности 50-кубитная машина эквивалентна кремниевому компьютеру с объемом памяти в 128 тысяч гигабайт; 20- или 30-кубитные машины соответствуют стандартному персональному компьютеру. Однако даже оптимисты не обещают, что подобные машины появятся в ближайшие два десятилетия.

Пока можно говорить лишь о том, как они будут схематично выглядеть. Так, в 2002 году в статье, опубликованной в «Nature», американский исследователь Дэвид Уайнлэнд из Национального института стандартов и технологий предложил модель большого квантового компьютера, состоящего из множества соединенных друг с другом ионных ловушек, в которых «заперты» ионы — носители информации. Его архитектура напоминает архитектуру традиционного компьютера. Оба располагают блоком памяти, где хранятся различные данные, и процессором, выполняющим математические операции.

В схеме Уайнлэнда все ионы поначалу находятся в блоке памяти, но при выполнении операций отдельные ионы вследствие мгновенного изменения магнитного поля попадают в вычислительное устройство, где их квантовое состояние меняется.

Чтобы в работе квантового компьютера не было сбоев, Уайнлэнд предложил использовать в качестве единичного носителя информации не отдельный ион, а ионную пару, поскольку ее квантовое состояние более устойчиво к действию внешних электромагнитных полей.

А если пойти другим путем?

Ядерно-спиновой квантовый компьютер может иметь дело с молекулами хлороформа. Они обладают целым спектром резонансных частот, которые можно использовать как кубиты. Какое-то время подобная идея казалась перспективной. Однако сейчас ученые убедились, что таким образом не удается накопить более шести кубитов кряду. Затем из-за декогерентности вся квантовая информация стирается.

Еще одно направление поисков: полупроводниковые кристаллы, покрытые тончайшими структурами, подобно современным микросхемам. При температурах, близких к абсолютному нулю, возникают так называемые квантовые доты — крохотные островки, улавливающие отдельные электроны. Ученые надеются, что эти группки, будучи связаны друг с другом, образуют сложнейшую информационную структуру.

Сегодня квантовый компьютер находится на самой ранней стадии развития. Если сопоставить его теперешние возможности с уровнем развития его конкурентов — кремниевых компьютеров, то можно сказать, что сейчас ученые колдуют над… своего рода «аналитической машиной Бэббиджа», то бишь пребывают в начале XIX века. Ведь результат, достигнутый ими, так мало отвечает истинным возможностям квантового компьютера. Тот же Чарлз Бэббидж прекрасно понимал, что он открыл и какими возможностями будет обладать его аналитическая машина — первая в мире ЦВМ, придуманная еще в 1833 году. Однако построить ее он не имел никаких шансов. Эта машина была не нужна обществу. На страницах журнала «Знание — сила» Юрий Ревич так описывал несвоевременность этого компьютера: «Еще не изобретены фотография и электрические генераторы, и в помине нет телефона и радио, только-только начали прокладывать первые железные дороги и телеграфные линии. На морях еще безраздельно господствует парус, а в передвижении по суше — друг человека, лошадь. А тут — ЦВМ!» Вот уж действительно Бэббидж опередил время!

Совсем не так обстоит дело с квантовым компьютером. Рано или поздно эта машина будет создана. Со временем — стоит ли сомневаться? — появятся квантовые компьютеры размером с пачку сигарет, чья мощь превзойдет ресурс всех компьютеров мира, вместе взятых.

Итак, «пределы роста» современной техники пока не видны. На пути к познанию ученые лишь «пересаживаются из одного транспорта в другой». В XX веке революцию в обществе совершил компьютер. На протяжении столетия мощность «вычислительной машины» возросла в миллиарды раз. В XXI веке с ней произойдут радикальные перемены. Ее потеснит новейшая, более мощная технология обработки информации, а привычный нам компьютер изрядно преобразится.