Фундаментальные ограничения квантовых компьютеров
При создании квантовых компьютеров, хранящих информацию в квантовых битах (кубитах, qubit), исследователи натолкнутся на фундаментальные ограничения, не позволяющие построить квантовые компьютеры определенных размеров. Это установили ученые из Института фундаментальных исследований материи, Дания.
Начнем с уточнения термина "квантовый компьютер". Обычно слово "компьютер" связывают с одной из реализаций так называемой архитектуры фон Неймана, предложенной Джоном фон Нейманом (John von Neumann) еще в 1945 году. В этой архитектуре вычисляющая машина состоит из четырех частей: памяти, системы ввода/вывода (I/O), арифметическо-логического блока (ALU) и системы управления. В качестве примеров назовем соответственно: жесткий диск и оперативную память; клавиатуру, дисплей, принтер; процессор; программное обеспечение.
Однако в квантовом случае можно говорить о реализации лишь одной из составляющих фон-неймановской архитектуры - системы ввода-вывода. Остальные составляющие не имеют квантовых аналогов в привычном для нас понимании. Например, память квантового компьютера, работающего с N квантовыми битами, в теории бесконечна и вероятностна, но при этом позволяет считывать только N обычных бит информации, причем чтение информации разрушает саму вычисляющую систему (заодно отметим, что существующие сегодня квантовые компьютеры могут обрабатывать и хранить информацию только в течение долей секунды).
ALU квантового компьютера даже теоретически допускает применение только обратимых операций, а на практике оказывается, что и не любая обратимая операция может быть выполнена за конечное время. Система управления (в традиционном смысле) принципиально не может быть частью квантового вычислителя. В результате от привычного содержания слова "компьютер" в квантовом случае остается лишь условная способность "считывать информацию".
Классические компьютеры существуют в двоичном универсуме, состоящем из нулей и единиц, то есть в мире понятий "выключено" и "включено". Здесь нет места многозначности. В квантовых же компьютерах все будет иначе: свою роль сыграет многообразие состояний атомов и молекул, состояний, которые описываются множеством параметров, одновременно включающих и единички, и нули. А вернее, определяющих такие понятия, для которых недостаточно ни нулей, ни единиц.
Но почему нам нужно ударяться в столь труднопостижимые странности? По единственной причине: квантовые компьютеры могут решать задачи, слишком сложные для двоичных арифмометров. Примерами таких задач является вскрытие зашифрованных данных, разработка новых средств поиска информации в больших базах данных, моделирование природных феноменов на макро- и микроуровнях (скажем, для синтеза лекарственных препаратов) и т. п.
Проблема заключается в том, что тупо проделывать подобную работу бесполезно. Например, используя двоичные вычислители, невозможно за приемлемое время решить задачи факторизации - разложения больших чисел на простые множители. Исследователи работают с элементами, которые могут быть основой квантовых компьютеров: с электронами, фотонами, с ионами в состоянии сверхпроводимости, даже с субстанциями, которые получили название "компьютерные жидкости" (по существу, это группы молекул, находящихся в состоянии сверхпроводимости, когда они обретают свойства, присущие квантовому состоянию вещества, отличающегося одновременным наличием как материальной, так и волновой формы существования).
Одной из особенностей квантовых носителей информации является то, что обращение к ним приводит к изменению состояния системы, что равносильно разрушению информации. Это обстоятельство гарантирует невозможность подслушивания: попытка доступа к зашифрованным данным приведет к их немедленному уничтожению. Другим свойством, ценным с точки зрения защиты информации, является "связность" (entanglement), которая заключается в том, что квантовые объекты - носители информации - в определенных условиях зеркально отражают состояния друг друга, даже будучи сколь угодно далеко разнесенными в пространстве! Этот феномен известен как квантовая телепортация. На самом деле отражается только информация об объекте, а не сам объект. Таким образом, два корреспондента могут обмениваться сообщениями практически мгновенно и абсолютно защищенно.
Единичный квантовый бит, основа всех квантовых вычислений, - это квантовая система, которая может находиться в одном из двух классических состояний, |0> или |1>, или в так называемом смешанном состоянии, a|0> + b|1> (a и b - комплексные числа, называемые амплитудами, такие, что |a|2 + |b|2 = 1). При попытке узнать состояние кубита окажется, что с вероятностью |a|2 измерение даст |0>, а с вероятностью |b|2 - |1>. Каждое последующее измерение даст (уже с вероятностью 1) тот же результат (|0> или |1>), что и первое измерение. В общем случае квантовая система с N кубитами имеет 2N нормированных амплитуд. Эволюция этой системы математически описывается так называемым унитарным оператором. Квантовое вычисление состоит в том, что система кубитов приводится в исходное состояние, кодирующее начальные данные, после чего специальным образом организуется эволюция этой системы. Проведенное в нужный момент измерение дает (вероятностную) информацию о результате вычисления. Интерес к квантовым вычислениям во многом определяется тем, что по такой схеме удается (хотя бы теоретически) решить некоторые задачи, не решаемые на классическом компьютере за приемлемое время.
Для некоторых задач квантовые алгоритмы пока существуют лишь на бумаге, для других они уже реализованы "в железе". Так, компании ID Quantique и MagiQ Technologies недавно выпустили на рынок свои квантовые системы: генератор случайных чисел и дистрибьютор секретного ключа (устройство для обмена секретными ключами, которые используются для шифрования сообщений).
Кубиты-сверхпроводники тоже могут находиться в двух состояниях сразу, только вот при контакте системы с окружающим миром одно состояние исчезает. Поэтому информационная связь между двумя кубитами (когеренция состояний кубитов) тоже пропадает, и информация, содержащаяся в кубитах, теряется.
Рис. 1. Микрофотография квантовых кубитов, университет Делфта, исследовательская группа Ганса Моодж
Квантовые биты в реальности - довольно сложная система частиц, находящихся в пространстве. Так как количество составных частей кубита велико, то и вероятность того, что одна из них будет воздействовать с окружающим пространством, тоже велика. Отсюда следует вывод: чем сложнее система кубита, тем больше вероятность потери информации от воздействия окружающей среды. Джаспер ван Вейзель и Джер ван дер Бринк из Института фундаментальных исследований материи (FOM) исследуют, насколько влияние окружающей среды может ограничить размеры и производительность квантовых компьютеров будущего.
Самое интересное то, что они установили, что когеренция состояний может пропадать иногда внезапно, без каких-либо внешних воздействий. Этот процесс, как они полагают, связан с квантовомеханическим нарушением симметричности состояний. В макромире этот процесс можно сравнить с процессом спонтанной кристаллизации в растворах.
Когеренция состояний кубитов в некоторых случаях пропадала через несколько секунд. Более того, чем меньше по размеру кубиты, тем быстрее происходит процесс потери информации. Теперь ученые заняты серией экспериментов, с помощью которых они хотят количественно изучить этот фундаментальный предел. И, как следствие, построить реалистичную модель квантового компьютера. Возможно, что открытые квантовые эффекты заставят пересмотреть системы квантовых вычислений. |
