Квант - Джим Аль-Халили

условии что нынешний вектор развития технологий останется неизменным. В предыдущей главе я упомянул, что лазеры используются для вырезания крошечных узоров интегральных микросхем на поверхности кремниевых чипов. Повышение компьютерной мощности зависит от постоянной миниатюризации этого процесса. Учитывая современное развитие технологий, это будет без проблем продолжаться еще около двадцати лет, по мере того как длина волны лазера будет становиться все короче и короче. Однако было высказано предположение, что закон Мура резко перестанет действовать через пять-десять лет из-за неизбежной проблемы повышения миниатюризации, которая называется тепловым шумом. Но даже без нее мы в конце концов наткнемся на так называемый «первый» барьер. Это произойдет, когда длина волны лазерного пучка станет такова, что ширина каждого транзистора микрочипа будет составлять всего 0,1 микрона. Это означает, что около одной тысячи транзисторов, расположенных вплотную друг к другу на чипе, можно будет разметить на срезе человеческого волоса. К этому моменту длина волны лазеров будет находиться глубоко в ультрафиолетовом диапазоне и нам придется искать другую технику создания еще более тонких пучков с гораздо более короткими длинами волн. Альтернативой дальнейшей миниатюризации чипов может стать замена кремния арсенидом галлия. Атомное строение этого полупроводящего материала позволит размещенным на его поверхности микросхемам гораздо быстрее проводить электричество.

В итоге мы достигнем другого барьера, называемого критерием Рэлея, который гласит, что минимально разрешимые элементы чипа должны быть не меньше, чем половина длины волны пучка. По достижении этой стадии нам следует начать учитывать квантово-механические эффекты. К примеру, сейчас изучается возможность использования квантовой запутанности фотонов лазерного пучка, чтобы отодвинуть этот барьер, но, скорее всего, ненамного.

Как только мы дойдем до молекулярных масштабов, что произойдет примерно к 2020 году, век полупроводниковых чипов закончится. Исследователи уже ищут альтернативы, и две области кажутся довольно перспективными. Первая связана с использованием биомолекулярных компьютеров, которые основываются на способности молекул ДНК хранить невероятное количество информации, благодаря чему однажды они могут быть применены для создания молекулярных логических схем. Другая заключается в возможности использования квантовых транзисторов, которые полагаются на свойства отдельных электронов, искусственно помещенных в «квантовые колодцы» немногим больше атома. Немного изменяя напряжение в этих колодцах, мы можем контролировать поведение электронов подобным действию транзистора способом.

Все вышеописанные достижения представляют собой не просто спекуляцию и помогут росту компьютерной мощности еще при нашей жизни. Однако все большее число квантовых физиков работает над настоящей проверкой квантовой странности. Они не сомневаются, что в этом веке им удастся создать величайшую квантовую машину – квантовый компьютер.

Кубиты

В начале 1980-х годов, примерно в то время, когда я купил свой ZX81, физик Ричард Фейнман высказал предположение, что определенные проблемы, к примеру вопросы симуляции поведения квантовой системы, разумнее решать при помощи компьютера, который также действует по законам квантовой механики. Такой компьютер должен применять идею суперпозиции для создания совершенно новых типов алгоритмов. Вскоре исследование квантовых компьютеров выделилось в отдельную область науки, когда в 1985 году оксфордский физик Дэвид Дойч опубликовал прорывную статью, в которой показал, каким образом их создание достижимо на практике.

Дойч предложил схему «универсального квантового компьютера», подобно тому как за полвека до этого Алан Тьюринг предложил идею универсального классического компьютера. Машина Дойча работала на основании квантовых принципов и была в состоянии симулировать любой физический процесс. Она требовала ряд квантовых систем, каждая из которых могла существовать только в суперпозиции двух состояний, таких как атомы в суперпозиции пребывания на двух энергетических уровнях. Эти квантовые системы затем запутывались для создания квантовых логических вентилей, которые можно было настроить для выполнения определенных операций.

В основе этого лежала идея о «квантовом бите», или кубите. В обычном цифровом компьютере основным компонентом является «бит» – переключатель, который может находиться в одной из двух позиций: вкл. и выкл., которые обозначаются двоичными символами 0 и 1. Однако при использовании квантовой системы, такой как атом, этот компонент может пребывать в двух состояниях одновременно. Следовательно, кубит может быть одновременно и включен, и выключен, при условии что он остается изолированным от окружающей среды.

Само собой, отдельный кубит не очень полезен. Но если запутать два кубита или более, потенциал такой системы станет очевиден. Представьте информационное содержание трех классических битов. Каждый может принимать значение либо 0, либо 1, поэтому существует восемь различных комбинаций этой тройки (000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111). Но всего три запутанных кубита позволяют нам хранить все восемь комбинаций одновременно! Каждая из трех цифр одновременно принимает значение и 0, и 1.

Добавление четвертого кубита дает нам 16 комбинаций, пятого – 32 и так далее. Объем хранимой информации увеличивается экспоненциально (как 2N, где N – это число кубитов). Теперь представьте осуществление операций тем же способом, который мы применяем к классическим битам. Мы сможем выполнить 2N вычислений одновременно, и это максимально возможная скорость параллельной обработки данных. Определенные проблемы, на решение которых у обычного компьютера ушли бы годы, в результате могут оказаться решены за долю секунды.

Так на что способен квантовый компьютер?

Все это звучит прекрасно, но как именно мы можем все это применить для решения реальной проблемы? В конце концов, если классические компьютеры становятся все быстрее и могут через Интернет связываться для параллельной работы, не сможем ли мы в итоге достичь такой производительности другими средствами? Ответ на эти вопросы был найден в 1994 году, когда Питер Шор, работая в Лабораториях Белла в Нью-Джерси, создал самый первый квантовый алгоритм – набор инструкций для выполнения задачи, справиться с которой под силу только квантовому компьютеру. Задача заключалась в невероятно эффективной факторизации больших чисел, что представляло собой одну из главных проблем компьютерной науки. Сразу стало очевидно, что квантовые компьютеры, если их создание вообще возможно, окажут огромное влияние на торговлю и банковское дело, поскольку безопасные в настоящее время методы шифрования с открытым ключом станут бесполезны и на сцену выйдет квантовая криптография.

Несколькими годами позже коллега Питера Шора математик Лов Гровер открыл другой квантовый алгоритм, который позволяет квантовому компьютеру осуществлять поиск по несортированной базе данных гораздо быстрее обычного поискового движка. Представьте простой пример: если бы я попросил вас найти конкретную карту в хорошо перетасованной колоде, вероятность вытащить ее с первого раза составила бы один к пятидесяти двум. Конечно, вам может повезти, но может и не повезти – и тогда, открывая одну карту за другой, вы найдете нужную лишь на последнем ходе. Попробовав произвести эту процедуру много раз, вы выясните, что в среднем вам понадобится двадцать шесть попыток (что равняется половине колоды).