http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=364c71c8-e1a1-41df-8937-5bffd3e811cc&print=1© 2024 Российская академия наук
На прошлой неделе канадская компания D-Wave Systems продемонстрировала первый работающий квантовый компьютер Orion, который, по ее заявлению, способен произвести революцию в мире электронно-вычислительной техники. Несмотря на то, что этот компьютер в тысячу раз медленнее обычного настольного ПК, появление первого работоспособного образца позволяет ученым делать оптимистические прогнозы по поводу дальнейшего развития компьютерных систем. Заявляется, что с их помощью можно будет за минуты справляться с задачами, над решением которых современные суперкомпьютеры трудились бы около тысячи лет. Между тем некоторые скептики уже успели усомниться в работоспособности устройства от D-Wave.
Презентация возможностей компьютера проходила в США, в самом сердце Силиконовой долины, в Музее компьютерной истории. Правда, из-за трудностей транспортировки сам прототип находился в Канаде, близ Ванкувера. А управление им осуществлялось оператором дистанционно. Квантовый компьютер успешно справился с тремя предложенными ему задачами - поиском молекулярной структуры, соответствующей конкретной молекуле-мишени, составлением сложного плана размещения гостей за столом и решением головоломки Sudoku.
"Созданная система имеет разрядность всего 16 кубитов, что не превышает возможностей компьютеров обычной архитектуры, но это еще только первый прототип, лишь демонстрирующий возможности будущего квантового компьютера, - заявил глава компании D-Wave Херб Мартин. - В будущем сотрудники компании будут работать над повышением мощности квантовых процессоров, которую уже в ближайшие несколько лет можно довести до 1000 квантовых разрядов. После чего у нас есть планы выпустить такие процессоры на коммерческий рынок".
Некоторые специалисты уверены, что если это действительно произойдет, мир компьютерной техники ждет настоящая революция. "Квантовые компьютеры очень важны, потому как способны решать ряд задач, не поддающихся никаким другим ЭВМ, - рассказал РБК daily ученый секретарь отделения информационных технологий и вычислительных систем Российской академии наук (РАН) Станислав Власов. - Мы ждем от квантовых процессоров решения задач моделирования в ядерной физике, энергетике, материаловедении, нанотехнологиях. Это океан проблем, к которым очень трудно подступиться без таких вычислительных систем".
Неудивительно, что работы над созданием квантовых компьютеров ведутся не только в Канаде, но и других странах мира. Впервые о возможности спроектировать компьютер на иных физических принципах ученые заговорили в начале 80-х годов прошлого века. Теоретически эту возможность обосновал русский математик Юрий Манин. А в 1994 году его американский коллега - математик Питер Шор - предложил квантовый алгоритм, позволяющий проводить быструю факторизацию (разложение на множители) больших чисел. Этот алгоритм позволял построить программы для квантового компьютера, способные взломать шифр любой сложности. И если современным суперЭВМ для разложения 250-значного числа потребуется примерно от 800-1000 лет, то квантовый компьютер справился бы с этой задачей за полчаса. Эта операция открыла бы перед спецслужбами практически неограниченные возможности. Любой сложный код взламывался бы за считанные минуты, а вся телефонная и радиосвязь, а также конфиденциальная переписка читались не сложнее, чем детская азбука. За идею быстрой расшифровки практически любых шифров тут же ухватились представители спецслужб, и разработка квантовых компьютеров стала одним из перспективных направлений науки и техники последующих десятилетий.
Дело в том, что архитектура квантового компьютера принципиально отличается от обычного кремниевого прародителя, программируемого и работающего в двоичной системе исчислений, где есть всего два базисных состояния - 1 и 0 (есть электросигнал или нет его). В квантовом процессоре возникает намного более богатая ситуация. Благодаря квантовой природе частицы в один и тот же момент времени кубит (квантовый бит информации) может принимать значения не только 0 или 1, но и третье, пограничное, значение - некую их суперпозицию. К примеру, манипулируя энергетическими уровнями электронов в атоме при помощи магнитного поля, можно менять его состояние. А изменение состояния и есть та самая пресловутая третья позиция, позволяющая производить квантовые вычисления (1 - есть электросигнал, 0 - нет его и третье - изменение заряда). Именно это условие и позволяет в разы увеличить производительность ЭВМ. Программирование же квантового компьютера производится на совершенно иных логических принципах.
Существует несколько подходов к реализации идеи такого устройства. Российскими исследователями из Института теоретической физики им. Ландау РАН было предложено собирать квантовые регистры из миниатюрных сверхпроводниковых колец. Каждое кольцо выполняет роль кубита, а состояниям 0 и 1 соответствуют направления электрического тока в кольце. Переключать такие кубиты можно магнитным полем. В Физико-технологическом институте РАН группа под руководством академика Валиева предложила использовать ядро атома фосфора, внедренного в определенную точку полупроводника. Состояния 0 и 1 - это направления спина ядра. Управление ведется с помощью совместного действия магнитных импульсов резонансной частоты и импульсов напряжения. До недавнего времени экспериментально удавалось собирать лишь небольшие регистры, состоящие всего из нескольких квантовых битов. К сожалению, они еще не способны обеспечить надежные вычисления, так как подвержены влиянию помех. Дальнейшее развитие квантовых процессоров требует для своего построения очень чистых веществ, точной имплантации отдельных атомов, сверхточной системы измерений и иных технологий, которые пока еще не существуют.
"Разработка квантовых компьютеров - очень и очень трудная задача, - рассказывает РБК daily директор Физико-технологического института РАН, академик РАН Александр Орликовский. - Мы движемся сразу по нескольким направлениям исследований, разрабатываем разные архитектуры квантовых процессоров и смотрим, какие из них будут наиболее эффективными. Кроме того, мы следим и за творчеством коллег из-за океана. Так вот, та информация, что имеется, склоняет нас к мысли, что устройство, представленное D-Wave, не является полноценным квантовым компьютером. Канадцы поспешили объявить миру, что совершили революцию, но на деле это всего лишь преувеличение. Возможно, они столь громогласными заявлениями пытаются решить свои финансовые проблемы, выбрасывая на продажу акции фирмы. Вероятно, они хотят, чтобы их вместе с устройством купила одна из крупных корпораций по примеру IBM. Так что о полноценном рабочем варианте квантового компьютера еще нет и речи. По нашим предположениям, такой компьютер может появиться примерно к 2030 году. И пока рано рисовать радужные картины".
Но даже если он и появится, то простым пользователям несколько десятилетий от этого не будет никакой выгоды. Первые квантовые компьютеры будут громоздкими и дорогими устройствами, обслуживаемыми большим штатом программистов и наладчиков оборудования. "Появление квантовых компьютеров минимально отразится на старых двоичных компьютерных системах, - рассказывает РБК daily директор по архитектуре процессоров подразделения программных решений фирмы Intel, член-корреспондент РАН Борис Бабаян. - На столах простых пользователей квантовые компьютеры не появятся еще очень долго. Потому как рассчитываются они только для строго специфических задач. И работают только в этом одном направлении. В других же областях применения они могут проигрывать по скорости и производительности старым архитектурам процессоров. Чтобы решить эти проблемы, возможно, появятся некие гибриды, включающие два компьютера в одном. Но это уже совсем отдаленная перспектива".