CC BY
291
ашд
УДК 519.67:004
КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, КЛАСС РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
QUANTUM COMPUTER: BASIC CONCEPTS, CLASS OF TASKS, DEVELOPMENT PROSPECTS
Коробченко Елена Витальевна
Korobchenko Elena Vitalevna
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры информационных систем в экономике, Саратовский социально-экономический институт (филиал) РЭУ им. Г. В. Плеханова, Саратов
PhD in Physics and Mathematics, associate professor of the department of information systems in economy, Saratov socio-economic institute (branch) of Plekhanov Russian University of Economics, Saratov
e-mail: [email protected]
Постоянная актуализация информации о последних достижениях и современных разработках позволяет более качественно прогнозировать развитие направлений фундаментальной и прикладной наук, корректировать область научных изысканий и т. д. В статье проводится обобщение информации о новейшей области электронно-вычислительных машин - квантовом компьютере. Рассматриваются основные принципы, отличающие квантовую вычислительную машину от классического компьютера. Приводится пример коммерческого производства квантовых компьютеров. Описываются продолжающиеся фундаментальные исследования в области совершенствования квантовых компьютеров. Анализируются основные проблемы в дальнейших научных разработках по данной тематике и перспективы использования сверхмощностей создающихся вычислительных машин. Материал статьи позволит, не вдаваясь в подробное изучение квантовой физики, составить представление о работе квантового компьютера и проблематике этой области и ознакомиться со всеми последними достижениями в рамках разработки мощнейшей вычислительной машины, в основе работы которой лежат принципы квантовых вычислений.
Ключевые слова: квантовый компьютер, кубит, информационная безопасность.
The article shows that regular study of the information on the latest achievements and technological developments helps to better predict the advancement of fundamental and applied sciences, specify the field of scientific research, etc. The article summarizes available information about the cutting-edge research in the field of electronic computers: a quantum computer. The author examines basic principles that distinguish a quantum computer from a classical computer, considers examples of commercial production of quantum computers, describes current fundamental research in the field of improving quantum computers, analyzes major obstacles in further scientific research, and lays out the prospects for using high-powered quantum computers yet to be created. The information presented in the article will help to form an understanding of the work of a quantum computer and problems in this area of research without going into a detailed study of quantum physics as well as form an idea of the latest achievements in the development of the most powerful computer which is based on the principles of quantum computing.
Keywords: quantum computer, qubit, information security.
Возможности устройств, имеющих в своей основе классические принципы вычислительных машин, в последние годы достигли уровня, при котором большинство задач может быть решено относительно быстро и достаточно точно. Стандартные операции индивидуального пользователя даже портативными устройствами выполняются молниеносно. Однако в различных областях знаний остаются проблемы, решить которые в том числе с использованием лучших суперкомпьютеров мира не представляется возможным до сих
пор. При этом процесс совершенствования существующих компьютеров конечен и описан законом Мура: количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца [4]. Но современные транзисторы уже достигли размера в несколько нанометров, и в будущем полупроводники невозможно будет уменьшать бесконечно, так как их элементы будут состоять из одного атома. Развитие классических компьютеров в виде облачных вычислительных мощностей также ограничено по площади
ШшшяШ
и энергии. Кроме того, не каждый алгоритм поддается распараллеливанию. Решение этой проблемы научное сообщество видит в применении новейших технологий квантовых компьютеров.
В основе создаваемых квантовых вычислительных машин лежат фундаментальные принципы квантовой теории информации. Чтобы понять суть отличия имеющихся компьютеров от проектируемых квантовых, необходимо рассмотреть ключевые моменты теории квантовых вычислений.
Первое свойство квантовой системы заключается в том, что если она не наблюдается, то она находится в суперпозиции всех возможных состояний. Применительно к квантовому компьютеру этот принцип формулируется для элементарных носителей информации - ку-бит. Физически они могут представлять собой элементарные частицы: фотон, электрон и т. д. Квантовый эффект кубита заключается в возможности суперпозиции двух базовых состояний: 0 и 1. Только измерение однозначно определяет значение кубита. Для «классического» бита, который принимает значения только последовательно, такое невозможно. Квантовый компьютер, обладающий таким свойством, открывает возможность для решения задач, на которые вычислительной машине, работающей с «классическим» битом, требуется в тысячи раз больше времени.
Второе свойство - свойство квантовой запутанности, описывает сильные корреляции квантовых частиц, даже в случае если эти частицы достаточно сильно пространственно удалены. Рабочий регистр квантового компьютера представляется набором из некоторым образом связанных, запутанных кубитов. Эта взаимосвязь обеспечивает возможность выполнения операций одновременно над всеми состояниями кубитов, т. к. измерение состояния одного из двух запутанных кубитов мгновенно влияет на состояние второго.
Третье свойство описывает декогеренцию, хрупкость квантовых состояний, обуславливаемую взаимодействием квантовомеханической системы с окружающей средой. Чтобы преодолеть это существенное техническое препятствие на пути создания квантовых компьютеров, разрабатываются специальные методы изоляции квантовой системы от окружающей среды (использование крайне низких температур, вакуума), которые позволяют удерживать кубиты в состоянии суперпозиции. Однако, чем больше система, тем выше её подверженность внешним воздействиям.
Заключительное свойство, демонстрирующее принципиальное отличие классической
теории информации от квантовой - это теорема о запрете клонирования. Если в квантовом мире есть произвольное квантовое состояние, заранее неизвестное, то его нельзя скопировать. Если попытаться измерить текущее состояние и послать такую же информацию, то это можно будет сделать только с ошибкой, что сразу будет заметно [2].
Интеграция описанных выше принципов в работе компьютера открывает возможность для решения задач, которые до настоящего времени не могли быть реализованы даже в рамках мощнейших компьютеров мира. Например, решение класса задач по оптимизации коммерческой деятельности. Это направление развития квантовых вычислений весьма активно стало развиваться, несмотря на необходимость значительных финансовых вложений.
Так, первые экспериментальные модели квантовых компьютеров были созданы в научных лабораториях в начале 2000-х гг. А с 2007 г. канадская компания D-Wave Systems заявила о создании вычислительной машины с квантовым эффектом и с 2011 г. осуществляет коммерческую продажу квантовых компьютеров, наращивая год от года количество кубитов. Динамика роста числа кубитов в компьютерах, в зависимости от года выпуска, представлена в таблице.
Количество кубитов в квантовых компьютерах D-Wave Systems
Год 2007 2011 2012 2015 2017
Количество кубитов 16 и 28 128 512 1000 2000
В научном сообществе не утихают споры, действительно ли данные машины имеют в своей основе принципы квантовых систем, и насколько они быстрее осуществляют вычисления по сравнению с компьютерами, в основе которых лежит классический принцип работы. Тем не менее, проведенные испытания компьютеров D-Wave показывают их эффективность на некоторых алгоритмах. Так, в декабре 2015 г. специалисты компании Google подтвердили, что согласно их исследованию, компьютер D-Wave позволил добиться быстродействия в 100 миллионов раз больше (по сравнению с обычным компьютером) в одном из алгоритмов.
Однако вопрос об «универсальности» компьютеров, создаваемых D-Wave Systems, а именно, о быстродействии на любой произвольной задаче, остается открытым. В связи с этим, разработки в области создания квантовых компьютеров активно продолжаются с привлечением как государственных инве-
стиций, так и частных IT-корпораций: Google, Microsoft, IBM, Intel и т.д. Это объясняется тем, что производительность квантовых компьютеров, а также широта спектра решаемых ими задач обуславливается не только лишь количеством кубитов. Целью исследователей является создание универсального квантового компьютера, способного превзойти скорость работы классической вычислительной машины на любой задаче.
В настоящее время существуют две ведущих группы исследователей. Первая под руководством сотрудника лаборатории Google по квантовому искусственному интеллекту, профе ссора калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джона Мартиниса, анонсировала создание 49-кубитного компьютера до конца 2017 г. Однако до настоящего времени официального подтверждения анонсированных сведений не получено. Вторая под руководством Михаила Лукина, физика из Гарварда и сооснователя Российского квантового центра (РКЦ) в июле 2017 г. заявила о создании 51-кубитного компьютера.
Все исследователи этой области сталкиваются с проблемами свойств квантовых систем. В качестве кубитов используются чрезвычайно малые элементы. Определить универсальную частицу, оптимальную для поставленных задач, пока не удалось. Поэтому квантовые компьютеры разрабатываются на разных кубитах, что безусловно влияет на весь дальнейший процесс. Задание начальных свойств, измерение в процессе работы, сохранение принципа суперпозиции и квантовой запутанности требуют разработки специальных методов: микроволновое излучение, лазерные лучи и т. д. Проблема защиты от внешних воздействий решается за счет дорогостоящих камер охлаждения работающих процессоров практически до абсолютного нуля, что позволяет пока только сократить ошибки в вычислениях [3].
Тестирование разработок также весьма затруднительно. Во-первых, чтобы сравнить два квантовых компьютера, необходимо проверить на них одни и те же алгоритмы, поскольку быстродействие квантового компьютера только для одного узкого класса задач снижает его практическую ценность. Во-вторых, слож-
ность вызывает проверка результатов вычислений на классическом компьютере. Так как некоторые задачи невозможно решить даже на суперкомпьютерах за разумное время.
Исследователи видят первоочередное применение квантового компьютера для расчета свойств новых молекул и материалов. И группа Лукина, и группа Мартиниса проводят расчеты, касающиеся именно этой области. Успех таких изысканий позволит экономить на дорогостоящих натурных экспериментах и заранее просчитывать условия, при которых можно создать новое вещество.
Стоит отметить, что появление универсального квантового компьютера в серийном варианте потребует совершенствования систем защиты информации. Суть в том, что большая часть криптографических технологий, например, для защиты паролей, личной переписки, финансовых транзакций, создана на том принципе, что современный компьютер не может за короткое время решить определенную задачу, а именно, разложить число на простые множители. Квантовый компьютер по алгоритму Шора эту задачу сможет решить за несколько минут. В этом смысле квантовый компьютер представляет угрозу существующей инфраструктуре информационной безопасности. Как только он появится, любую систему, которая базируется на таких задачах, можно будет взломать.
Временные оценки появления универсального квантового компьютера с большим ко -личеством кубитов, достаточно устойчивых к внешнему возмущению, который способен решать любую алгоритмически формулируемую задачу, имеют весьма существенный разброс: от нескольких лет до нескольких десятилетий. Однако все разработчики сходятся во мнении, что для обеспечения информационной безопасности в будущем уже сейчас стоит начинать работать над новыми решениями в области кибербезопасности и кибер-коммуникации [1].
Таким образом, разработка квантового компьютера высоко наукоемкая область исследований, требующая значительных финансовых вложений. Однако результат, в случае успеха, должен оправдать затраченные ресурсы.
Библиографический список
References
1. И да и нет: ответ на главный вопрос о квантовом компьютере // Forbes. URL: http://www.forbes.ru/ tehnologii/347997-i-da-i-net-otvet-na-glavnyy-vopros-o-kvantovom-kompyutere (дата обращения: 25.11.2017).
1. I da i net: otvet na glavnyy vopros o kvantovom komp'yutere [Both yes and no: an answer to the main question about the quantum computer] // Forbes. URL: http:// www.forbes.ru/tehnologii/347997-i-da-i-net-otvet-na-glavnyy-vopros-o-kvantovom-kompyutere (date of access: 25.11.2017).
Ш|л,ц,Я7
2. Риффель Э., Полак В. Основы квантовых вычислений // Квантовый компьютер и квантовые вычисления. 2000. Т. 1. № 1. С. 4-57.
3. Физики из России и США создали первый в мире 51-кубитный квантовый компьютер // Forbes. URL: http:// www.forbes.ru/tehnologii/347885-fiziki-iz-rossii-i-ssha-sozdali-pervyy-v-mire-51-kubitnyy-kvantovyy-kompyuter (дата обращения: 25.11.2017).
4. Denning P.J., Lewis T.G. Exponential Laws of Computing Growth // Communications of the ACM Vol. 60. 2017. № 1. P. 54-65.
2. Riffel' E., Polak V. (2000) Osnovy kvantovykh vy-chisleniy [Basics of quantum computing] // Kvantovyy komp'yuter i kvantovyye vychisleniya. Vol. 1. № 1. P. 4-57.
3. Fiziki iz Rossii i SSHA sozdali pervyy v mire 51-ku-bitnyy kvantovyy komp'yuter [Physicists from Russia and the United States created the world's first 51-qubit quantum computer] // Forbes. URL: http://www.forbes.ru/ tehnologii/347885-fiziki-iz-rossii-i-ssha-sozdali-pervyy-v-mire-51-kubitnyy-kvantovyy-kompyuter (date of access: 25.11.2017).
4. Denning P.J., Lewis T.G. Exponential Laws of Computing Growth // Communications of the ACM Vol. 60. 2017. № 1. P. 54-65.
