Цивилизация своим развитием обязана постоянному поиску людьми новых способов использования различных ресурсов и энергии. В двадцатом веке к числу наиболее значимых ресурсов добавилась и информация: изобретение компьютеров позволило выполнять ее сложную обработку уже не только при помощи человеческих мыслей.
Передовые технологии сегодня позволяют создавать чипы едва ли не микронных размеров: это даст возможность процессорным гигантам объединять в одном чипе до 80 ядер, что в итоге должно повысить мощность процессоров до уровня, не вообразимого на сегодняшний день.
Вся история компьютерных технологий представляет собой последовательность перехода от одного типа их физической реализации к другому. Некогда транзисторы заменили вакуумную трубку — значительный шаг в компьютерной индустрии! Дальнейшее совершенствование процесса привело в конечном счете к интегральным схемам, на которых основаны современные вычислительные машины. И они улучшаются.
Процесс совершенствования компьютерных чипов укладывается в рамки знаменитого закона, сформулированного еще в 1965 г. одним из основателей Intel Гордоном Муром и ныне носящим его имя. Суть закона заключается в том, что каждые два года число транзисторов, размещаемых в интегральной схеме прежнего размера, увеличивается вдвое.
И если бы не физика, то все было бы очень радужно. Однако у процесса миниатюризации транзисторов есть свои физические пределы — квантовый порог, ниже которого они не смогут функционировать, так как электроны в таком случае преодолеют барьер, ныне вынуждающий их двигаться в соответствии с определенной траекторией. Потому можно предположить, что в будущем нынешнее поколение транзисторов будет сменено, но не еще более миниатюрным, а совершенно новым. Речь идет о квантовых компьютерных технологиях.
Для того чтобы более или менее полноценно раскрыть их суть, коснемся сперва истории квантовой теории. Зародилась она благодаря двум ученым, чьи результаты исследований были удостоены Нобелевских премий: открытие М. Планком кванта энергии в 1918 г. и А. Эйнштейном фотона в 1921 г.
В 1956 г. Нобелевской премией награждено открытие транзистора Браттейном и Шокли, ставшее важнейшей вехой в создании современных компьютеров. Годом зарождения идеи квантового компьютера стал 1980 г., когда Беньофу удалось успешно продемонстрировать на практике правоту квантовой теории. А в 1982 г. Фейнман первым смог доказать, что классический компьютер не в состоянии моделировать квантовые процессы. Гровер создал свой знаменитый алгоритм в 1996 г., алгоритм, позволивший ему говорить о колоссальном превосходстве квантовых компьютеров над полупроводниковыми: поиск, например, собственного имени в библиотеке Конгресса США у классического компьютера может отнять порядка 100 лет, в то время как квантовый осуществит эту задачу менее чем за 0,5 с.
Ну а первый прототип квантового компьютера был создан Гершенфельдом и Чуангом в 1998 г. в Массачусетском технологическом институте (MTI). Этой же группой исследователей созданы в два последующих года более совершенные модели.
В области квантовых технологий в прошлом уже были достигнуты успехи и частными компаниями, в том числе IBM и DWays. О новейших достижениях в этой области они регулярно сообщают и сегодня. В основном исследования выполняются японскими и американскими учеными. Япония в стремлении к мировому лидерству в области аппаратного и программного обеспечения расходует огромные средства на разработки в данной области. По сообщениям вице-президента Hewlett-Packard, до 70% всех исследований выполнены в стране восходящего солнца. Квантовые компьютеры являются одним из шагов их целенаправленной компании по завладению лидерством на мировом рынке.
Чем объясняется стремление к овладению этими технологиями? Их бесспорными весомыми преимуществами над полупроводниковыми компьютерами!
Речь идет о значительном уменьшении размеров чипов, а это тем самым сделает намного более экономичным создание суперкомпьютеров, и тогда возможным станет выполнение приложений, о которых и не мечтается за привычным ПК. К тому же теоретически такие машины способны работать вообще без потребления энергии. Важное их отличие — суперпозиция: наложение двух вещей друг на друга без их пересечения, а такое невозможно в отношении электронов, но возможно для волн, благодаря чему квантовый бит (кубит) одновременно может иметь значение и 0, и 1.
Все эти факторы служат неоспоримыми причинами, заставляющими нас отказаться от полупроводниковых машин, несмотря на то что нынешние темпы миниатюризации чипов и снижения потребления энергии сделают компьютер 2020 г., если он все еще будет основан на транзисторном чипе, очень мощной машиной, работающей на базе процессора с частотой до 40 ГГц, 160 Гб оперативной памяти и энергопотреблением до 40 Вт. Впечатляет?
Согласно некоторым прогнозам, исходя из закона Мура, к 2020 г. бит информации будет представлен одним атомом, а это приведет нас к микромиру квантовых эффектов, где прежние правила уже действовать не будут. Здесь определенными успехами могут похвастаться инженеры IBM. Связаны они прежде всего с углубленным изучением явления магнитной анизотропии (неодинаковости свойств тел по различным направлениям), до сих пор не находившего должного применения в компьютеростроении. Магнитная анизотропия с точки зрения фундаментальной науки и с технологической позиции — наиважнейшая особенность магнитных материалов. Со слов ученых, в зависимости от цели применения материалы с высокой, средней или низкой магнитной анизотропией будут необходимы для построения постоянных магнитов, носителей данных и магнитных записывающих головок.
Специалисты IBM долгое время работали над тем, чтобы раскрыть тайну возможностей магнитной анизотропии, так как были убеждены, что именно она является ключом к созданию структур атомного и субатомного уровней, которые станут в дальнейшем, например, компонентами невероятно миниатюрных, но колоссально вместительных устройств хранения данных. А потому их усилия были сосредоточены на измерении магнитной анизотропии индивидуальных атомов — том, что ранее считалось невозможным, но необходимым для изолирования отдельного атома и предоставления ему возможности хранения информации.
В 1959 г. гениальный физик Ричард Фейнман предположил, что все слова, написанные на протяжении истории человечества, могут содержаться в кубе материала с гранью шириной всего 1,2 мм. Это станет осуществимо, когда они будут в состоянии храниться отдельными атомами. Ученым на сегодняшний день удалось подтвердить частичную правоту предположений Фейнмана: уже установлено, что 32 атома задействованы для хранения информации нуклеотидами, пары которых образуют ДНК и составляют тем самым фундаментальную единицу хранения генетической информации.
Дальнейшие разработки могут сделать осуществимым построение устройств, состоящих из малых групп или даже индивидуальных атомов, которые могли бы надежно хранить магнитную информацию. Такие возможности позволили бы разместить почти 30 000 полноразмерных кинофильмов или все содержимое YouTube — миллионы видеороликов, оцениваемых в более чем 1 000 триллионов битов данных — в устройстве, сопоставимом по размеру с iPod (!). Возможно, подобный прорыв мог бы привести к созданию новых видов устройств, настолько миниатюрных, что они могли бы стать применимыми в совершенно новых областях, напрочь выходящих за пределы возможностей современной вычислительной техники.
Джиан-Лука Бона, менеджер по науке и технологии компании IBM в Калифорнийском исследовательском центре Almaden, так сформулировал главную задачу IT-индустрии на сегодняшний день: уменьшение размера бита, используемого для хранения данных, до минимально возможного, и при этом увеличение емкости устройств. Он отметил, что компания сейчас работает с самыми передовыми технологиями и они в шаге от решения проблемы хранения данных на атомном уровне. Понимание магнитных свойств атомов — краеугольный камень прогресса, ключ к новому эффективному способу хранения данных. В связи с этим еще одно важное сообщение было опубликовано исследователями IBM: был создан первый переключатель, представленный одной молекулой, способный абсолютно корректно работать без нарушения внешней ее структуры. А это, согласитесь, значительный скачок вперед, в направлении создания элементов молекулярного уровня, которые значительно меньше, быстрее и экономичнее по сравнению с современными чипами и устройствами памяти.
В дополнение к переключению в пределах одной молекулы исследователи также продемонстрировали, что атомы в одной молекуле могут использоваться в качестве переключателей для атомов смежных молекул, а такая система уже представляет собой зачаточный логический элемент. Эти молекулярные переключатели могут однажды поспособствовать созданию чипов с мощностью сегодняшних суперкомпьютеров, но намного меньших в размере: сопоставимых даже с частичкой пыли или кончиком иголки (!).
Вернемся к преимуществам квантовых чипов.
Термодинамика
Полупроводниковые чипы становятся все меньше и быстрей. Но более быстрые, плотно и близко расположенные транзисторы подвергаются возникающим неблагоприятным термодинамическим воздействиям. Разработки более совершенного энергообеспечения должны позволить избежать расплавления чипов во время работы. Такие решения уже найдены: энергоснабжение улучшается и потому термодинамические проблемы нивелируются, но эти продвижения опять-таки ведут физику чипов в квантовый мир.
Энергосбережение
Квантовые компьютеры реверсивны, а потому теоретически нет необходимости в обеспечении их энергией. Их реверсивность означает, что работа заключается не в «выполнении» программ, а их постепенном «развитии», малыми шагами, наподобие того, как молекулы парфюма распространяются в воздухе, испаряясь из пузырька.
Помимо экономичности на микроуровне есть намного более масштабные причины для выбора именно квантовых компьютеров. В развитых странах до 5% вырабатываемой энергии тратится на снабжение компьютеров. Затраты электроэнергии, вырабатываемой засчет потребления природного топлива, становятся все более значительными.
Каждые три года стоимость строительства завода полупроводников удваивается. Если такая тенденция сохранится, к 2020 г. необходимая для этих целей сумма будет равна примерно $1 трлн, что, к примеру, составляет 5% валового национального продукта США! По данным о продажах компании Motorola, подобная организация будет нуждаться в $10 трлн (!), вырученных с продаж, для поддержания подобного рода строительства.
Технологии кодировки
Квантовые компьютеры ставят под вопрос эффективность схем кодирования и шифровки, которые ранее считались безопасными из-за бесконечно длительного процесса их расшифровки. Решение схем, на нахождение которого предположительно необходимо затратить миллионы лет, теперь может быть найдено квантовыми компьютерами за год. Упомянутые схемы кодирования применяются многими правительствами в целях национальной безопасности, потому многие из них вкладывают огромные средства для поиска их слабых сторон и нахождения путей их простейшего устранения.
В качестве наглядного примера приведем самую продаваемую в мире программу производства фирмы RSA Data Security, спрос на которую значительно превосходит даже таковой на Windows. Программа реализует алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов — американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана. Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное — за 1025(!) лет (для сравнения, возраст Вселенной равен примерно 1010 лет.) Между тем, согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!
Супербезопасность и суперплотность данных
Благодаря квантовой телепортации — одному из квантовых эффектов — исключается возможность перехвата информации. Безопасность коммуникаций поддерживается благодаря суперплотной кодировке. Квантовые биты позволяют передать намного большее количество информации, чем классические.
Улучшенное способность обнаружения и исправление ошибок
Процессы, которые обеспечивают безопасность и высокую плотность передаваемых данных, способствуют высокой устойчивости информационных потоков к ошибкам, что способствует большей их сохранности. Восстановление информации из потоков с помехами, вполне осуществимое при помощи квантовых технологий, также станет весьма полезной практикой.
Возможности моделирования
В 1982 г. Фейнман доказал, что классические компьютеры не могут быть использованы для моделирования квантовых эффектов: их замедление происходит по экспоненте. А квантовый компьютер способен в реальном времени моделировать такие эффекты. Станут возможными моделирование химических взаимодействий на молекулярном уровне, что позволит химикам и фармацевтам узнать больше о воздействии компонентов реакции друг на друга, в том числе о влиянии лекарственных препаратов на обмен веществ пациента и течение болезни в целом. Фармацевтические компании готовы тратить колоссальные деньги на подобные разработки.
Истинные случайные последовательности
Классические транзисторные компьютеры имеют свойство псевдослучайности, поэтому они не способны безошибочно производить истинные случайные последовательности чисел для некоторых приложений и тем самым воспроизводить случайные эффекты. А это необходимо для того, чтобы результаты некоторых программ, требующих истинной случайной последовательности при их выполнении, были достоверны. Случайные последовательности играют важную роль для программ, в значительной степени опирающихся на статистический метод: для симуляции процессов, создания кодов, случайных алгоритмов решения задач, с целью предсказания тенденций на фондовом рынке и прочих.
Для создания аппаратного обеспечения квантового компьютера необходима разработка тех же ключевых элементов, что и в классическом, но, разумеется, значительно от них отличающихся: квантового процессора, устройств для хранения информации — квантовой памяти, квантовой шины для обмена информацией.
Наибольшее внимание ученых приковано, конечно, к созданию центрального элемента — квантового процессора. В качестве возможных его вариантов рассматриваются несколько схем построения, но уже представленные прототипы были созданы с использованием в качестве центрального элемента органической жидкости. В данном случае ядра отдельных атомов и будут представлять собой кубиты. Все молекулы органической жидкости в пробирке ведут себя одинаково при осуществлении необходимых взаимодействий. Благодаря этому появляется возможность применения методики и техники ядерного магнитного резонанса (избирательного поглощения веществом электромагнитного излучения, обусловленного переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле). В такой модели отсутствует индивидуальное обращение к отдельным кубитам, оно осуществляется одновременно ко всему ансамблю имеющихся кубитов. Потому компьютер с процессором такого рода и получил название ансамблевого квантового компьютера (bulk-ensemble quantum computer).
Такой прототип, вопреки предсказаниям, утверждавшим о появлении подобных машин не ранее 2020–2025 гг., был создан в 1998 г. и был лишь двухкубитным. В последующем он совершенствовался разработчиками: в 1999 г. появился 3-кубитный компьютер, способный с использованием алгоритма Гровера совершать поиск в базе данных, в 2000 г. — 5-кубитный. Цифры совсем не впечатляющие, но, учитывая прогресс создателей (а ими уже создан 7-битный компьютер) и то, что число n-кубитов равно 2n обычных битов, темпы взяты достойные. В Национальной лаборатории Лос Аламос (Los Alamos National Laboratory) в 2000 г. было подсчитано, что 30-кубитный квантовый компьютер эквивалентен полупроводниковому компьютеру, способному выполнять порядка 10 трлн операций в секунду (!), а такими возможностями обладают только современные суперкомпьютеры, оснащенные тысячами процессоров.
Таким образом, прежде чем ученые всерьез смогут заявить о создании полноценных квантовых компьютеров, им предстоит решить ряд серьезных проблем: выбрать способ реализации кубитов, т.е. из чего их лучше изготавливать; определить физический механизм взаимодействия между кубитами, найти способ селективного управления ими и измерения их квантового состояния на выходе системы. Сложности есть и с контролем над кубитами: коммуникации между ними должны возникать лишь в нужный момент времени, а это весьма сложно осуществить.
Некоторые компании смело заявляют о том, что ими найдены успешные решения этих проблем. Так утверждает D-Wave Systems, хотя из материалов пресс-релиза и другой информации на сайте компании можно уяснить лишь выбор способа реализации кубитов, для которого использовались сверхпроводящие материалы на основе ниобия. О процессоре стало известно, что это новый тип аналогового, с масштабируемой архитектурой и что он основан на квантовомеханических принципах. Компания обещает в скором времени представить на своем сайте самую подробную информацию об изделии.
Таким образом, превосходство в вычислительной мощи, изменяющаяся термодинамика полупроводниковых чипов на фоне их уменьшения, предполагаемое колоссальное снижение энергозатрат, новый уровень технологии кодировки и передачи информации — все это неизменно ведет нас в мир квантовых компьютеров. Пока ни с одним представителем этого интересного мира мы не знакомы, но активные разработки ученых планеты все ближе приближают нас к заветной цели.
