Квантовые компьютеры: будущее высокопроизводительных вычислений?

Квантовый процессор Rainier компании D-Wave

Прогресс в вычислительной технике не сводится только к бесконечному росту тактовой частоты, количества ядер, разрядности, объёма памяти и так далее. Иногда случаются и настоящие революции. Квантовые вычисления, без всякого сомнения, можно отнести именно к этой категории.

История квантовых компьютеров началась ещё в прошлом веке, когда знаменитый физик Ричард Фейнман (известный публике в основном по «Фейнмановским лекциям» и книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман») пытался заниматься компьютерным моделированием квантовых систем. У него не получилось использовать для этого классическую вычислительную машину (почему — будет объяснено ниже). В результате в 1981 году Фейнман предложил, практически одновременно с советским математиком Юрием Маниным, возможность использования для этих целей квантового компьютера. Более подробная теория квантовых вычислений была разработана Полом Бениоффом, а в 1989 году Дэвид Дойч — блестящий физик и автор великолепной книги «Структура реальности» — предложил общепринятую ныне концепцию квантового процессора и квантовых логических вентилей.

Что такое квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это устройство, построенное на основе так называемых «квантовых битов», или кубитов. Что это такое и чем он отличается от обычных битов в классическом компьютере?

В «обычном» компьютере один бит может иметь два состояния (0 или 1), таким образом, n бит позволяют записать 2ⁿ состояний. Иными словами, 8 бит позволяют нам записать диапазон из 256 значений.

Кубит, как и обычный бит, имеет два собственных состояния, но кроме того, он ещё может находиться в суперпозиции этих двух состояний (то есть своего рода их сумме). Система из n кубитов (квантовый регистр) позволяет записать 2ⁿ базисных состояний, плюс бесконечное количество состояний, представляющих собой суперпозицию этих базисных состояний. По сути пространство состояний системы кубитов является гильбертовым пространством, а вычислительные операции соответствуют повороту вектора состояния регистра в этом пространстве. При этом квантовый вычислительный процесс изменяет сразу все коэффициенты в суперпозиции, что обеспечивает невиданный доселе параллелизм квантовых вычислений.

В упрощённом виде вычисления на квантовом компьютере выглядят следующим образом: мы записываем на набор кубитов начальное состояние, которое затем изменяется при помощи математических преобразований, известных как «унитарные операции». После этого измеряется состояние системы, и результат измерения является результатом работы компьютера.

В роли физического воплощение кубита может выступать любой объект, имеющий два квантовых состояния. Например, электронные состояния ионов, поляризационные состояния фотонов, спины атомов и т.п.

Зачем это нужно?

Сразу скажем, что квантовый компьютер вряд ли сможет заменить обычный, да он и не предназначен для этого. Его удел — решение вполне определённых задач. Например, при помощи так называемого алгоритма Шора квантовый компьютер может очень быстро раскладывать числа на простые множители, что позволяет щёлкать как орешки многие современные криптографические системы. Это обстоятельство уже привело к появлению такого направления, как квантовая криптография. А квантовый алгоритм Гровера показывает квадратичный прирост скорости при поиске в базе данных. Наконец, квантовый компьютер будет весьма полезен при моделировании квантовых систем: если взять квантовую систему всего лишь из 100 элементов, то для её моделирования на классическом компьютере нам понадобятся 2¹⁰⁰ переменных и соответствующее количество памяти для их хранения (для сравнения, один терабайт — это всего лишь 2⁴⁰ степени байт). Именно поэтому у Фейнмана в своё время возникли определённые проблемы. Однако такая система может быть смоделирована на 100-кубитном квантовом компьютере.

Современные реализации

Стоит отметить, что задача построения квантового компьютера в настоящее время не решена, существуют только ограниченные его варианты (до 512 кубит). Первые квантовые компьютеры (7-кубитные) были построены в лабораториях IBM и использовали принцип ядерного магнитного резонанса для воздействия на спин отдельных атомов. Сейчас наиболее перспективным считается использование сверхпроводящих элементов или твердотельных квантовых точек на полупроводниках.

Самым громким именем в области квантовых вычислений сейчас является компания D-Wave. Стоит сказать, что её изделия не являются «настоящими» квантовыми компьютерами, так как они используют не универсальные логические блоки, а принцип квантовой нормализации, который подходит для решения только крайне ограниченного количества задач. В частности, упомянутый выше алгоритм Шора к их числу не относится.

Мнения независимых экспертов о квантовых компьютерах D-Wave крайне противоречивы. С одной стороны, было продемонстрировано, что на определённых задачах они заметно (иногда — на три порядка) быстрее, чем классические вычислительные машины. С другой — на многих задачах классические компьютеры, использующие алгоритмы симуляции квантовой нормализации, способны значительно обогнать 128-кубитный D-Wave One. Не слишком впечатляющий результат, особенно если учесть, что D-Wave One является специализированной машиной, «заточенной» конкретно под решение задач дискретного программирования (например, комбинаторной оптимизации), в то время как обычный компьютер можно использовать для чего угодно. Более того, исследователи из IBM и Калифорнийского университета в Беркли утверждают, что машины D-Wave вообще не являются квантовыми компьютерами. В общем, всё как у классика: кто на ком стоял — непонятно.

В сухом остатке

Квантовые вычисления — это, безусловно, крайне интересное направление развития компьютерных технологий. Не стоит ожидать, что они смогут полностью заменить «обычные» компьютеры на наших рабочих столах, но применение им, безусловно, найдётся, и в первую очередь — в лабораториях, где они помогут в решении научных задач, которые в настоящее время не по зубам компьютерам обычным.