«Черный ящик» квантового компьютера все еще остается загадкой

Одним из важнейших научных направлений нашего времени без сомнений является квантовый компьютер. И пусть он существует пока только гипотетически, а до практической реализации идеи пройдут годы, но ценность этого устройства для будущего науки трудно переоценить.

В отличие от классической физики, на квантовом уровне все объекты имеют параметры, кратные фиксированным величинам. Минимальной неделимой единицей электромагнитного поля является квант, обладающий (как и большинство обитателей микромира) свойствами волны и частицы одновременно.

Одно из проявлений таких свойств – возможность кванта находиться одновременно в нескольких местах. Точнее говоря, факт существования кванта в любом месте пространства обладает определенной вероятностью.

Спрогнозировать и смоделировать поведение такой частицы – задача нетривиальная. И когда в 1958 году американский физик Ричард Фейнман столкнулся с невозможностью классического решения этой проблемы, он предположил, что расчетами квантовых состояний должен заниматься квантовый компьютер.

Однако это сугубо теоретическое предположение долгое время оставалось красивой задачкой без ответа для ученых-теоретиков. Прорыв в сторону квантового компьютера случился лишь в 1995 году, когда математик Питер Шор переложил на правила квантовых вычислений задачу по нахождению простых множителей больших чисел. Элегантное решение Шора произвело настоящий фурор – криптография давно нуждалась в подобных формулах для создания стойких систем защиты.

С этого момента началась история развития квантового компьютера. От первых теоретических выкладок ученые постепенно приближаются к практической реализации отдельных компонентов устройства. И, хотя говорить о квантовом компьютере как целостном устройстве пока не приходится, не вызывает сомнения тот факт, что эта задача будет доведена до конца.

В основе идеи квантового компьютера лежат квантовомеханические эффекты – «параллелизм», «суперпозиция» и «запутанность». рассмотрим каждый из этих эффектов, чтобы объяснить принцип квантовых вычислений.

Современные вычислительные системы позволяют совершать миллиарды операций в секунду, однако каждое из действий выполняется последовательно – одно за другим, а каждый элемент принимает лишь два состояния - логические «0» и «1». Квантовый параллелизм позволяет рассматривать всю систему целиком как совокупность спутанных квантов и учитывать все нюансы состояний.

Таким образом, квантовый бит (Q-бит или кубит) содержит только же количество данных, как и классическая система, однако изменение состояний можно производить для всей системы одновременно, что сокращает время обработки данных и позволяет производить сразу несколько операций над ними одновременно.

«Суперпозиция» заключается в способности квантовой системы находиться в нескольких неопределенных состояниях, причем сказать – в каком состоянии она находится в настоящее время – невозможно.

Классическим примером этого эффекта является «кот Шредингера». В закрытый ящик помещается кот, ядовитый газ и радиоактивный элемент. Система построена таким образом, что после завершения ядерного распада выпускается газ, и кот погибает. Вероятность распада радиоактивного вещества через час равна 50%, т.е. кот с той же вероятностью погибает.

С точки зрения квантовой механики кот пребывает в неопределенном состоянии, узнать которое можно, лишь открыв ящик. До той поры, пока система остается замкнутой кот может быть «то ли жив, то ли мертв», а может «ни жив, ни мертв», или находиться в еще каком-нибудь неизвестном состоянии. Это и есть «суперпозиция».

С вышеописанными эффектами напрямую связана и квантовая «запутанность». Если состояние двух квантовых систем можно описать во взаимосвязи, то это правило сохраняется вне зависимости от расстояния между ними. Таким образом, зная состояние одной системы, можно рассчитать и состояние другой.

Пока задача построение квантового компьютера находится в самом начале поиска решений. Первые квантовые вычисления произвели в 2001 году Стэнфордский университет и компания IBM, разложив число 15 на простые множители на 7-ми кубитном квантовом компьютере.

Подобную операцию достижением назвать вроде бы нельзя, но исследователи преследовали и добились другой цели. В классической математике для данной операции потребовалось бы произвести 4 действия и 4 проверки. Квантовый компьютер справился с задачей за 1 действие и 1 проверку.

Кроме решения сложных задач на квантовые компьютер возлагаются огромные надеждыв передаче данных. Удачный эксперимент,

поставленный на днях исследователя Калифорнийского университета, показал, что квантовые состояния можно передать на расстояние до 1000 километров за 7,2 микросекунды.

Но, пока ученые рапортуются о очередном прорыве в теории, практическая реализация простаивает на месте. Представленные канадской компанией D-wave 16-кубитный (февраль 2007 года) и 28-кубитный (ноябрь 2007 года) компьютеры приняты научной публикой с большим скепсисом. Устройства, работающие по принципу «черного ящика» и не имеющие доступной посторонним документации, были восприняты как подделка.

Тем не менее, даже самые пессимистичные прогнозы говорят о возможности практической реализации квантовых компьютеров уже в первой четверти этого века.