Статьи о квантовых компьютерах появляются все чаще и чаще. В них либо провозглашается, что "За квантовыми вычислениями и квантовыми компьютерами будущее!", "Грядет новая компьютерная эра - эра квантовых компьютеров!", либо пугают, что вот-вот вся наши криптография рухнет, а, соответственно, все военные и банковские секреты будут общедоступны, и, заодно, добавляют и прочие восхваления и страшилки.
И, в принципе, так оно и есть в реальности.
Но, есть и несколько маленьких нюансиков...
Уже лет двадцать, как в лабораториях пытаются создать практические модели квантовых компьютеров. И пока успехи более чем скромны: в основном в лабораториях работают десяток - другой кубитов. Это крайне мало для практической деятельности...
Те задачи, которые можно рашать на таких моделях, куда эффективнее решает обычный настольный компьютер, никакой суперкомпьютер из TOP500 здесь не нужен. А если учитывать огромное количество ограничений у нынешних квантовых компьютеров (хотя, скорее, сильно смахивающих на калькуляторы :) ), их стоимость, сложность управления ,обслуживания и ремонт компьютеров (тут, обычно, нужна целая бригада профессоров и аспирантов) и прочие недостатки, то сравнивать просто нечего. Одна случайная молекула воздуха или другой малейший "шум" в системе способны выбивать кубиты из когерентной сцепленности - и все... Как говорит доктор Айзек Чуанг (Isaac Chuang) из Олмейденского исследовательского центра IBM (г.Сан-Хосе) "основная трудность при создании квантового компьютера заключается в том, что вам нужно изолировать его от любых воздействий внешнего мира, и в то же самое время иметь возможность манипулировать им на высокой скорости".
Еще одна огромная трудность – это исправление ошибок, неизбежно возникающих в процессе вычислений. В столь тонком устройстве хранимые состояния могут непреднамеренно воздействовать друг на друга, в результате чего операции могут применяться не к тем квантовым битам.
Что касается разработки квантовых алгоритмов, то здесь все намного радужнее: на бумаге полученные исследователями результаты выглядят очень впечатляюще: алгоритм, способный факторизовать числа в миллиарды раз быстрее, чем нынешние неквантовые методы; поисковая машина, способная обследовать все закоулки Интернета за полчаса; машина тотального перебора криптоключей, способная вскрывать DES-алгоритм за пять минут…
Так, в 1994 году Питер Шор (Peter W. Shor), математик из AT&T Labs, открыл квантовый алгоритм факторизации, позволяющий раскладывать большие числа на простые множители почти с такой же эффективностью, какая свойственна перемножению чисел. Для классического компьютера сложность задач перемножения и факторизации различается самым радикальным образом, на чем и построена стойкость известной криптосхемы RSA.
Еще один интереснейший алгоритм более общего назначения был открыт в 1996 году Ловом Гровером (Lov Grover), исследователем из центра Bell Labs компании AT&T. Алгоритм Гровера использует принципы квантового компьютера для очень быстрого поиска в неупорядоченных базах данных.
Эти два алгоритма, по сути дела, и на сегодняшний день являются наиболее яркими примерами такого рода.
Однако, необходимо отметить, что даже эти зубры квантовых вычислений далеки от обожествления мощи квантовых компьютеров.
Так, например, по мнению д-ра Питера Шора, несмотря на свою потенциальную мощь, квантовые компьютеры вовсе не обязательно будут выполнять все задачи быстрее классических компьютеров. В действительности, по его оценкам, работоспособный квантовый компьютер каждую из операций будет выполнять даже медленнее, чем компьютер обычный. И лишь для некоторых проблем, там, где исследователи обнаружили методы эффективного использования возможностей столь гигантских объемов хранимой информации, научившись выделять нужный ответ за сравнительно небольшое количество шагов (намного меньшее, чем в классических компьютерах) – появляется возможность существенно ускорить вычисления.
Кроме того, сейчас активно исследуются фундаментальные ограничения квантовых вычислений. Например, строго доказано, что время работы алгоритма Гровера для поиска информации в неупорядоченной базе данных равно корню квадратному от того времени, что необходимо для аналогичного поиска компьютеру классическому. Но, более того, квадратный корень – это вообще наилучший результат, который может быть теоретически достигнут.
По мнению Д-р Умеш Вазирани (Umesh Vazirani), профессора компьютерной науки из Университета Беркли, подобные результаты дают основание полагать, что сложнейшие вычислительные проблемы могут так и остаться за пределами досягаемости квантовых компьютеров. С другой стороны, эти пределы дают луч надежды криптографам, поскольку теоретически обосновывают возможность существования таких криптосистем, которые не смогут вскрывать и квантовые компьютеры.
А теперь снова перейдем к практической реализации квантового компьютера: уже существует и даже продается коммерческий 512-кубитный процессор D-Wave !!!
Вот, он, казалось бы, настоящий прорыв!!! И группа солидных ученых в не менее солидном журнале Physical Review убедительно свидетельствует, что в D-Wave действительно обнаружены эффекты квантовой сцепленности.
Соответственно, данное устройство с полным основанием имеет право именоваться настоящим квантовым компьютером, архитектурно вполне допускает дальнейшее наращивание числа кубитов, а, значит, имеет замечательные перспективы на будущее… (T. Lanting et al. Entanglement in a Quantum Annealing Processor. PHYSICAL REVIEW X 4, 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))
Правда, чуть позже, другая группа солидных ученых в не менее солидном журнале Science, изучавшие ту же самую вычислительную систему D-Wave, оценивали ее сугубо практически: насколько хорошо это устройство выполняет свои вычислительные функции. И эта группа ученых столь же обстоятельно и убедительно, как и первая, демонстрирует, что в реальных проверочных тестах, оптимально подходящих для этой конструкции, квантовый компьютер D-Wave не дает никакого выигрыша в скорости по сравнению с компьютерами обычными, классическими. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Defining and detecting quantum speedup. SCIENCE, Jun 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))
По сути дела, для дорогущей, но специализированной "машины будущего" не нашлось задач, где она могла бы продемонстрировать свое квантовое превосходство. Иначе говоря, оказывается под большим сомнением сам смысл весьма недешевых усилий по созданию подобного устройства…
Итоги таковы: сейчас в научном сообществе уже нет никаких сомнений, что в процессоре компьютера D-Wave работа элементов действительно происходит на основе реальных квантовых эффектов между кубитами.
Но (и это чрезвычайно серьезное НО) ключевые особенности в конструкции процессора D-Wave таковы, что при реальной эксплуатации вся его квантовая физика не дает никакого выигрыша в сравнении с обычным мощным компьютером, имеющим специальное программное обеспечение, заточенное под решение задач оптимизации.
Попросту говоря, не только ученые, тестирующие D-Wave, пока не смогли увидеть ни одной реальной задачи, где квантовый компьютер мог бы убедительно продемонстрировать свое вычислительное превосходство, но даже сама компания-изготовитель понятия не имеет, что это может быть за задача…
Все дело в особенностях конструкции 512-кубитного процессора D-Wave, который собирается из групп по 8 кубитов. При этом, внутри этих групп по 8 кубитов они все напрямую сообщаются между собой, а вот между этими группами связи очень слабые (в идеале же ВСЕ кубиты процессора должны напрямую сообщаться между собой). Это, конечно, ОЧЕНЬ существенно снижает сложность построения квантового процессора... НО, отсюда нарастает масса прочих проблем, замыкающихся в финале и на очень недешевую в эксплуатации криогенную аппаратуру, охлаждающую схему до сверхнизких температур.
В общем, то, что грядет новая компьютерная эра, сомнений нет.
Но вот КАК ОНА БУДЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ, это очень большой вопрос...
