Квантовые вычисления: существует ли квантовый компьютер на самом деле?

В конце октября со слов Google (формально - материнской компании Alphabet), где построен 54-кубитовый квантовый вычислитель, многие вслед за WSJ опубликовали новость, что задача, для которой традиционному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 тыс. лет, решена этим вычислителем за минуты.Утверждение Google опротестовали конкуренты из IBM: никакие не 10 тыс. лет, суперкомпьютер справится за пару дней. WSJ добавила, опираясь на собственных экспертов, что практического значения (читай: перспективы продажи технологии) событие не имеет вне зависимости от того, правду или нет сообщает миру Google.У Google есть оппоненты и в России. Директор по технологиям IBM в России и СНГ, кандидат технических наук Николай Марин объясняет: "Распространено мнение, будто квантовые компьютеры - новое явление в индустрии, но ученые уже более 100 лет изучают и тестируют практические свойства и принципы, лежащие в основе квантовых вычислений. IBM разрабатывает универсальный квантовый компьютер с 1981 года. Когда мы три года назад впервые предоставили открытый доступ к квантовому компьютеру через публичное облако, мы не знали точно, каких результатов ожидать. Для чего его будут использовать? Для развлечений? Для научных исследований? Возможно, для чего-то еще, о чем мы вообще не думали? Теперь мы точно знаем, что для всего сразу. Бесплатный сервис IBM Q Experience быстро собрал более 150 тыс. активных пользователей по всему миру, уже две сотни научных статей опубликованы благодаря его использованию. Видно, что квантовые компьютеры открывают бескрайние возможности для поиска и применения креативных решений. Человечество скоро сможет по-новому взглянуть на проблемы, которые раньше казались нам неприступными. Вот тогда и наступит время удивительных свершений".Это тоже квантовая пропаганда. Квантовые вычисления ни в Google, ни в IBM не вылупились из лабораторной стадии. Теоретически ясно, что обработку данных действительно можно вести иначе, чем это происходит в обычных компьютерах, и что квантовые вычисления для нескольких - буквально нескольких - задач несопоставимо эффективнее возможностей традиционных компьютеров.Задачи эти, однако, настолько важны для государств, что сомневаться в концентрации ресурсов, достаточных для практической реализации квантовых вычислений, не приходится. Оценить необходимое для практических результатов время, правда, нельзя. Не исключено, что они уже и достигнуты, но используются спецслужбами тайно.ТеорияКвантовый компьютер использует привычную вычислительным машинам двоичную систему счисления, "внутри" у него только нули и единицы. Однако термин "кубит" (q-bit, "бит" квантового компьютера) обозначает принципиальное отличие от бита: про состояние кубита в каждый момент времени нельзя сказать, что у него внутри - ноль или единица. Чтобы выяснить это, надо "снять" данные - открыть коробку с котом Шредингера и понять, жив кубит ("1") или мертв ("0").Аналогию "кубит как кот Шредингера" можно (и нужно) заменить несколько более сложной (хотя тоже примитивной) аналогией "кубит как электронное облако", то есть сфера, в каждой точке которой может находиться размазанный по орбите электрон. Эту сферу мысленно разрезаем (как пилой, пополам), чтобы "выловить" электрон в одной из двух получившихся полусфер. Практический смысл для конструктора квантового компьютера: если электрон в одной полусфере, значит, кубит на момент измерения находится в состоянии "1", если в другой - "0". До измерения кубит находится в так называемой суперпозиции: оба его возможных состояния смешаны (однако сумма вероятностей состояний равна 1). Едва измерение состояние кубита произошло - все кончено, как в детской игре "Замри!". Информация о предыдущей "жизни" кубита разрушается, как коробка, в которой сидел кот.Квантовые вычисления обеспечиваются возможностью зафиксировать взаимосвязь совокупности (регистра) кубитов, находящихся в суперпозиции. Кубиты можно ввести в так называемое запутанное (общее, единое) состояние, когда измерение одного кубита фиксирует не только его состояние, но и состояние всех N-кубитов в регистре. Если N-кубиты в регистре запутаны, тогда одной операцией квантовый компьютер может сразу, одновременно, обработать 2N бит данных.Это дает, во-первых, грандиозный рост размерности обрабатываемых данных: при N=50 регистр запутанных кубитов эквивалентен по объему хранимых данных 10 в 18-й степени бит. Во-вторых, позволяет решать упомянутые выше задачи, недостижимые для классических компьютеров.ПрактикаК числу таких задач, в частности, относятся:- поиск в массивах неструктурированных данных (радикальное ускорение обработки больших данных);- разложение чисел на простые множители (алгоритм Шора, важен для преодоления криптозащиты данных - квантовый компьютер за секунды способен сделать то, на что у суперкомпьютера уйдут миллиарды лет);- быстрое генерирование последовательности подлинно случайных чисел (практическое применение - одноразовые ключи для гарантированно защищенной передачи данных по открытому каналу связи; очевидно, о решении именно этой задачи и сообщил Google);- моделирование квантовых систем - молекул и материалов (практическое применение - фармакология, средства защиты от биологического оружия), причем для решения таких задач достаточен "маломощный" квантовый компьютер с регистром до 100 кубит.Но пока это лишь теоретические возможности. Физическая реализация квантовых компьютеров находится в стадии исследований и экспериментов, а развитие алгоритмов квантовых вычислений обеспечивается имитацией квантовых компьютеров с помощью устройств, лишенных квантовой природы.Программное обеспечение квантовых вычислений - системы программирования и отладки программ - только предстоит создать. Это нетривиальная задача. Она не решена даже для традиционных суперкомпьютеров, мощность которых эффективно используется только для ограниченного круга задач.Андрей Анненков, кандидат технических наук* Функция квантовых коммуникаций (технологически они совершенно самостоятельны по отношению к квантовым вычислениям, это другая предметная область) состоит в обеспечении абсолютно защищенных от хищения данных каналов связи, и в отличие от квантовых вычислений технологии квантовых коммуникаций уже готовы к практическому применению.В августе 2019 года в Австрии, в Университете Инсбрука и Австрийской академии наук, успешно испытана передача запутанного квантового сигнала на 50 км по обычной волоконно-оптической линии связи. Попытка перехвата данных моментально становится известной участникам обмена - прочтение сигнала разрушает передаваемые данные.Абсолютная надежность криптозащиты квантовых коммуникаций математически доказана: определенные алгоритмы криптозащиты с использованием "шифроблокнотов", то есть одноразовых паролей (ключей), нельзя вскрыть. Условия - длина ключа не может быть меньше длины сообщения, а также абсолютная, подлинная случайность последовательности символов, составляющих пароль,- генерация псевдослучайных чисел с помощью обычных компьютеров не годится.Проблема передачи одноразового ключа по открытому каналу связи в квантовых коммуникациях решается так: информацию об одноразовом ключе несет фотон, содержащиеся в нем данные (они записываются фазовой модуляцией, поляризацией, возможно, иными технологическими приемами) приемник и передатчик "видят" одновременно, после чего в канал поступает закодированная этим - одноразовым, напомним - ключом порция данных. Перехват фотона разрушает его и тем демаскирует внешнего наблюдателя: в этом случае участники сеанса связи немедленно узнают, что их подслушивают.

Также по теме: