Знание - сила, 2003 № 06 (912)
Шрифт:
Физики обратили внимание на важность квантовой механики для компьютинга и на преимущество квантовых компьютеров над классическими уже в начале 80-х годов, после работ нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана. Он показал, что ни один классический компьютер не может нормально моделировать квантовую систему. В принципе может, но будет существенно запаздывать. Основываясь на этом, Фейнман сделал вывод о том, что для успешного моделирования квантовой системы нужен принципиально новый компьютер, и предложил одну из теоретических моделей квантовых компьютеров[*Подробно отмеченные аспекты квантового компьютинга рассмотрены в статье К.А. Валиева и А.А. Кокина «От кванта к квантовым компьютерам» («Природа», 2002, N° 12). В ней авторы прослеживают историю развития физики, техники и технологий от открытия кванта и изобретения транзистора
Таким образом, в настоящее время имеются две принципиально разные модели компьютеров: классический, основанный на машине Тьюринга, и квантовый (для его описания можно ввести понятие квантовой машины Тьюринга, как показал Дэвид Дойч из Англии), к которому проявляется очень мошны й интерес во всем мире; сегодня практически все ведущие компьютерные лаборатории серьезно занимаются проектами, связанными с квантовыми компьютерами.
Новости из Интернета. Квантовомеханическая природа атомов, особенноярко проявляющаяся при температурах, близких к абсолютному нулю, дает возможность создавать «атомные чипы». Сотрудники Имперского колледжа и Саутгемптонского университета (Великобритания) создали из таких атомов «строительные блоки» и приступили к сборке цепей для будущих квантовых компьютеров.
Облако из атомов лития, натрия, калия, рубидия и цезия удалось сформировать в колонку толщиной в один атом, то есть одномерный газ. Охлажденный до одной двадцатипятимиллионной градуса выше абсолютного нуля, он превращается в конденсат Бозе — Эйнштейна и перемещается по проводнику в магнитном поле без каких-либо вибраций. Следующая задана — построение квантовой цепи, в которой перемещаются цепочки атомов, контролируемые магнитными полями.
Экспериментальное создание квантовых цепей — важнейший шаг на пути построения компьютера, основанного на квантовой механике.
Другим важным направлением исследований в области квантовых вычислений является разработка алгоритмов, основанных на особом механизме квантовых вычислений. Как показали исследования последних 10 —15 лет, квантовый компьютер способен решать отдельные задачи успешнее классического. Самый яркий пример — алгоритм 1994 года Питера Шора (США). Известно, что современная криптография, обеспечивающая защиту информации, основана на простом факте: чтобы «вскрыть» секретный код, подобрать ключ, необходимо знать разложение очень длинного (на практике составляющего сто и более цифр) десятичного числа на два множителя. Оказывается, при использовании классических алгоритмов разложения эта задача является «не решаемой». Другими словами, на классическом компьютере на «вскрытие» кода, то есть на разложение на множители длинного числа, скажем, со 150-ю цифрами, потребуется непомерно много времени, а квантовый компьютер, эквивалентный по производительности современному персональному компьютеру, сможет решить такую задачу за секунды. А это очень большая разница. Американский ученый Умеш Вазирани привел такой пример: представьте себе, что каждая элементарная частица нашей Вселенной является современным классическим компьютером.
Тогда, чтобы разложить на множители дветысячизначное число с помощью всех таких компьютеров, одновременно работающих на полную мощность, не хватит всего времени жизни Вселенной! Для алгоритма Шора это займет менее часа на одном квантовом компьютере.
Когда Шор показал, что квантовый компьютер способен легко взломать любые, ныне «безопасные» коды за короткое время, то фирмы, занятые компьютерной безопасностью, криптографией, начали серьезно воспринимать и финансировать исследования по квантовым вычислениям. Существуют и другие квантовые алгоритмы, хотя их пока еще очень мало, которые существенно лучше классических.
Говорить о самой квантовой машине как таковой пока рано, когда она будет создана — непонятно. Тем не менее лаборатории строят экспериментальные модели квантовых компьютеров, основанные на ядерно- магнитном резонансе и ионных ловушках. Уже созданы системы из нескольких квантовых битов.
Владимир
Новости из Интернета. IBM продемонстрировала использование созданного в лабораториях компании семикубитового квантового компьютера. Хотя решенная им задана вряд ли способна поразить воображение (компьютер верно определил, что делителями числа 15 являются числа 3 и 5), это самое сложное вычисление за всю историю квантовых компьютеров. Компьютер, созданный группой ученых из IBM и Стэнфордского университета, представляет собой пробирку с миллионами молекул, имеющих семь ядерных спинов. Он может быть «запрограммирован» при помощи электромагнитных импульсов разной частоты, а для получения результатов работы устройства используется ЯМР-сканер.
Исследователи Висконсинского университета (США) добились успеха в моделировании архитектуры квантового компьютера и утверждают, что современный уровень технологий позволяет воплотить идеи в железе. В качестве квантового бита будут использоваться электроны, находящиеся в квантовых зонах полупроводников. В зависимости от спина электрона определяется значение бита — 0 ши I. Проблемы квантовых операций — высокая чувствительность к повышению входного напряжения и требование однородности структуры, ведь для нормальной работы квантового процессора потребуется свыше миллиона битов электронов. Но, по мнению исследователей, существующее оборудование для кремниевого производства можно использовать для производства квантовых компьютеров.
Квантовый компьютер является по самой своей природе вероятностным, не детерминистским, как классический компьютер. Сам процесс квантовых вычислений — временная эволюция состояний кубитов — описывается уравнением Шредингера, а вывод результата представляет собой физический процесс «измерения».
При этом разработка квантовых алгоритмов опирается на совсем иные математические методы и интуицию, чем разработка классических алгоритмов. Пока же в учебных курсах по информатике квантовую механику не только не рассматривают, но даже и не осознают потенциальной необходимости такого рассмотрения. Однако в любом случае, даже безотносительно к судьбе квантовых компьютеров, уже сама дальнейшая миниатюризация элементной базы классических компьютеров заставит включить в курсы компьютерных специальностей достаточно серьезное изучение квантовой механики, и, на мой взгляд, чем раньше это будет сделано, тем лучше.
Говоря о современном компьютерном образовании во всем мире, я хотел бы отметить, что, на мой взгляд, математика и особенно логика изучаются весьма поверхностно. В мире создаются очень сложные программы и системы, которые требуются для обработки колоссальных массивов данных, интернет-технологий, распределенных вычислений, создания больших программных комплексов управления сложнейшими объектами, моделирования приборов и диспетчеров в авиаперелетах и так далее. Для создателей этих программ главное — надежность. Она всегда основывалась на верном следовании хорошим эмпирическим правилам. Сбой в работе таких программных комплексов — это катастрофа. Как проверить правильность их работы?
С точки зрения современных технологий, для правильной проверки необходимо использовать математическую логику. При отладке, верификации сложнейших программных систем логика И1рает фундаментальную роль. В конце октября прошлого года в Линце проходил конгресс «Логика. Компьютинг. Математика», посвященный юбилею одного из крупнейших современных специалистов во всех трех областях — австрийского ученого Бруно Бухбергера, который неоднократно бывал у нас в Дубне. Там отмечалось возникновение глубокого кризиса: разрабатываются огромные программные комплексы, а при этом у специалистов, занимающихся их отладкой, отсутствуют глубокие знания по математической логике. Именно только логический анализ всей совокупности программ и подпрограмм, знание логики всего хода вычислений позволят реально создать надежный программный продукт. Остальное — эффект опыта. Но если работать на одном опыте, на тестах, тогда вам ничего не будет гарантировано, особенно при постоянном все большем усложнении программного обеспечения.