версия для печатиНа заре микропроцессорной эры компьютеры занимали площади в десятки квадратных метров и работали только в присутствии лучших инженеров. Вряд ли кто-то мог предположить, что сменится пара десятилетий, и вычислительные машины заберутся в квартиры и даже карманы простых граждан.
Очевидно, что компьютеры придумали не для того, чтобы школьники могли на переменах лазать по "Вконтакте" и показывать друг другу фотки. Люди стремились решать вполне взрослые задачи: полет ракеты, распад атомного ядра, конфигурация молекул вакцин. Задачи непростые, и мощности для их решения все время не хватает. К примеру, для того, чтобы смоделировать несколько наносекунд (миллиардные доли секунд) из жизни рибосомы, требуются многие месяцы работы суперкомпьютера. Понятно, что хотелось бы иметь машину попроизводительней.
Как ни парадоксально, но для того, чтобы получить более мощный компьютер, нужно сделать его базовые части - транзисторы - как можно меньше. Легко понять, почему так, если вспомнить, что такое транзистор. Он состоит из слоя полупроводника, над которым располагается металлический электрод. В зависимости от того, подано ли напряжение на электрод, ток по полупроводнику либо течет, либо нет. Таким образом, кодируется бит информации – 0 и 1. Соответственно, скорость, с которой транзистор переключается из положения 1 в положение 0, зависит от того, какое расстояние электромагнитной волне надо пробежать. Чем меньше это расстояние – тем лучше.
Кроме того, необходимо, чтобы разные транзисторы работали синхронно, а значит, важно, чтобы и они поближе располагались. Одно дело, когда ваш напарник сидит за соседним столом, и совсем другое, когда в соседней стране, и самый скоростной способ связи с ним – голубиная почта. Тут вам прийдется изворачиваться и формировать отдельные пакеты заданий заранее. Что, собственно, и происходит в многопроцессорных системах.
Казалось бы, отчего б и не уменьшить? Особых проблем не было до тех пор, пока характерные толщины не начали измеряться считанными атомными слоями. В таких масштабах электрон меньше всего напоминает светящийся шарик, прорывающийся сквозь нагромождения шариков покрупнее, а все больше начинает походить на волновой пакет, который размазан по пространству, может исчезать в одном месте и появляться в другом, проникать под препятствия – словом, обретает свойства, положенные квантовой частице. Вернее сказать, свойства электрона никак не меняются, он всегда был и частицей и волной одновременно, т.е. на самом деле ни то, ни другое, а нечто третье, для чего у нас не хватает слов. Просто частиц становится меньше, они больше не толпа, и каждая получает возможность проявить свою индивидуальность.
Так и в человеческом обществе бывает. Подобно тому, как тщательно отлаженная государственная машина начинает разваливаться, когда ее винтики, болтики и шестеренки осознают себя личностями, так и с транзистором начинаются неприятности. Возникает ток утечки, энергия рассеивается, плата перегревается, ничего не работает.
Отдельную проблему представляет изготовление столько малых структур. В оптике есть понятие дифракционного предела, которое говорит нам, что сфокусировать свет в пятно, существенно меньшее, чем длина волны света, невозможно. А электронные микросхемы изготовляют именно с помощью света. Поэтому каждый раз, когда нужно сделать транзисторы поменьше, возникает необходимость в лазерах с еще более коротковолновым излучением.
# # # #
Но все это было бы еще полбеды. В конце концов, бороться с утечками и шумами в транзисторах можно, заменив один диэлектрик на другой, можно охлаждать весь чип; в конце концов, можно делать платы модульными, где каждый участок включается только по мере необходимости, а дифракционный предел можно преодолеть с помощью таких технологий, как ближнепольная микроскопия. И даже когда всякие ухищрения перестанут помогать, то и тогда все-таки еще останется путь масштабирования, построения многоядерных систем, систем распределенных вычислений и т.д.
Проблема в том, что увеличение мощности не всегда означает такой же прирост скорости вычислений. Есть целый класс задач, ускорение решения которых требует экспоненциального роста ресурсов. Классический пример здесь – задача о коммивояжере. Зная координаты городов, нужно составить кратчайший маршрут таким образом, чтобы коммивояжер побывал в каждом городе только однажды. Для увеличения количества городов в два раза вам нужен не двукратный прирост мощности, а гораздо больший. Другими словами, на каждом следующем этапе эффективность наращивания мощность постоянно снижается.
Еще один пример – уравнение Шредингера, основное уравнение квантовой механики. До сих пор не удается получить точное численное решение для объекта сложнее атома водорода, поэтому приходится использовать приближенные методы. Альтернатива вычислениям – эксперимент. Когда мы каким-то образом воздействуем на квантовую частицу, будь то электрон на орбите иона или фотон, а потом измеряем результат, мы фактически решаем уравнение Шредингера. Причем ответ мы получаем практически мгновенно – с той скоростью, с которой проводится измерение.
Возникает закономерная мысль: если с помощью квантовых объектов дают почти мгновенный ответ, там где не справляются электронные машины, то нельзя ли квантовые частицы положить в основу нового типа компьютеров?
# # # #
В квантовой системе, по аналогии с обычным транзистором, можно выделить два стабильных состояния. Например, электрон в ионе может занимать разные уровни энергии. Припишем двум уровням цифры 0 и 1 и получим аналог бита – квантовый бит или кубит. Отличие состоит в том, что квантовая система может находиться одновременно во всех возможных состояниях, тогда как транзистор – либо в положении 1, либо в положении 0.
Представьте себе двух спортсменов, которым нужно пробежать дистанции из двух отрезков. Первому прийдется пробежать сначала одну, а потом другую. Квантовый спортсмен может бежать по двум дорожкам одновременно. Результат такого соревнования легко предсказать. На языке математики это означает, что функцию квантовой частицы можно вычислять, суммируя все возможные траектории классической – такое открытие сделал на заре своей карьеры американский физик Ричард Фейнман.
Он же на склоне лет, будучи уже лауреатом Нобелевской и прочих премий, академиком многих академий, в 1982 году высказал мысль о квантовых компьютерах. Идея витала в воздухе, но он вероятно первым выразил ее со всей определенностью. Но Фейнмана к ней привела не столько задача об ускорении вычислений, сколько гораздо более фундаментальный вопрос: можно ли, увеличивая мощность электронных машин, двигаясь от одного приближенного метода к другому, достичь такого момента, когда мы сможем находить точное решение квантово-механических уравнений? Т.е. сможем ли мы имея идеальный электронный компьютер моделировать физику в точности, а не приближенно?
Фейнман показал, что нет. Хотя для создания транзисторов и нужна квантовая теория, но описываются они в терминах классической физики, на языке токов, напряжений и сопротивлений. А классическая физика в сущности есть только приближение к квантовой теории, которая описывает мир под максимальном увеличением. Другими словами, сколь угодно совершенная лупа не позволит вам разглядеть отдельные атомы. Для этого понадобится нечто принципиально иное.
Уже через три года после выступления Фейнмана физик-теоретик Дэвид Дойч из Оксфордского университета дал первое строгое описание квантового компьютера. А еще через семь лет, в 1992-м, Дойч в соавторстве с физиком Ричардсом подтвердил оценку скорости квантовых алгоритмов.
Конкретные алгоритмы тоже не заставили себя долго ждать. Пожалуй, самый впечатляющий среди них носит имя американского математика Питера Шора. В 1994 году он произвел настоящую сенсацию, опубликовав алгоритм разложения натурального числа на простые множители, или алгоритм факторизации. Дело в том, что неэффективность алгоритмов факторизации используется в криптографии: разложение числа длиной в 400 знаков потребует миллионы лет работы самого быстрого на данный момент компьютера – никакой хакер столько ждать не сможет. Алгоритм Шора позволяет ускорить процесс на несколько порядков. Полномасштабный квантовый компьютер, если он будет построен, сделает существующие системы криптографии бессильными.
Но это все в теории. Практика, как всегда, привносит свои коррективы.
# # # #
При проектировании квантового компьютера нужно соблюсти ряд требований, часть которых плохо сочетается друг с другом. С одной стороны, необходимо максимально изолировать систему, потому что почти любое взаимодействие с внешним миром разрушает запутанность, квантовая частица переходит в состояние, детерминированное наблюдателем – происходит процесс декогерентизации и вычисления становятся невозможными. С другой стороны, если мы добьемся максимальной изоляции, то не сможем управлять системой. Управление само по себе предполагает воздействие. Поэтому возникает и очень серьезное требование к погрешностям. По некоторым оценкам, управляющие сигналы в квантовом компьютере нужно контролировать с точностью до пятого знака после запятой, что на порядок меньше достигнутых на сегодня значений.
Тем не менее, к настоящему времени ученым удалось создать ряд прототипов.
Более двух веков назад немецкий физик Георг Лихтенберг записал в своем блокноте следующее: "печальная ситуация во всей нашей химии заключается в том, что мы не можем свободно подвесить составные части материи". И действительно, перспективы создания квантовых компьютеров были бы еще печальней, чем есть, если бы через двести лет после него другой немецкий физик Вольфган Пауль не придумал ионные ловушки.
Ионная ловушка представляет собой электрод в форме кольца и еще два колпака-электрода сверху и снизу. Такая конфигурация при приложенном напряжении порождает поле, силовые линии которого складываются в форме седла. Легко заметить, что если на седло положить шарик, то он свободно скатится. Поэтому к электродам прикладывают не постоянное, а переменное напряжение – вращающееся с большой скоростью седло с успехом удерживает шарик. Таким образом решается проблема подвешивания иона в воздухе, а точнее в вакууме.
В качестве базовых состояний кубита выбираются различные электронные уровни иона, управлять которыми можно с помощью лазеров: поглотился фотон – сменилось состояние. Считывание состояния тоже происходит с помощью лазера: если мы светим на кубит, когда он в состоянии 1, то он испускает фотон, если в состоянии 0, то молчит, как партизан. Задача экспериментатора в том, чтобы расставить вокруг иона фотоприемники и внимательно слушать.
Впрочем, на самом деле необязательно физически разделять частицы материи. Вместо этого можно воспользоваться ядерным магнитным резонансом, к примеру. ЯМР - это поглощение электромагнитного излучения ядрами атомов с ненулевым спином во внешнем магнитном поле. Частота, на которой происходит поглощение, зависит от типа ядра и его окружения. Это явление было открыто еще в 1945 году, и с тех пор получило широкое применение в деле изучения химического состава веществ. В том числе и в медицинских целях. МРТ, любимый прибор доктора Хауса из знаменитого сериала, основан именно на этом принципе.
Оказалось, что с помощью ядерного магнитного резонанса можно не только определять химический состав, но и напротив, зная химический состав, управлять квантовым состоянием вещества. Роль квантового вещества в эксперименте, выполненном в 1997 году группой ученых из Гарварда и Массачусетского Технологического института, исполнял обычный хлороформ, колбу с которым помещали рядом с мощным магнитом. Под действием внешнего магнитного поля молекулы выстраивались в начальное состояние. Дальше прикладывалось переменное электромагнитное поле. В зависимости от частоты оно позволяло менять направления спина либо атома углерода, либо атома водорода. Другими словами, совокупность всех атомов водорода в колбе работала как один кубит, а атомы углерода – как второй. Благодаря такому подходу пропадает необходимость в производстве каких-то сложных наноструктур и даже в охлаждении. Достаточно сосуда с жидкостью и хорошо отработанной технологии. Все остальное есть в природе бесплатно.
# # # #
Ионы в ловушках и молекулы в магнитном поле - не единственные кандидаты в элементную базу для компьютеров будущего. Кубиты пробуют делать и на куперовских парах в сверхпроводниках, и на фотонах, и на специально созданных наноструктурах. Что лучше использовать, какую архитектуру выбрать, не очень понятно; у каждого подхода свои ограничения и преимущества. Но независимо от подхода число кубитов, которое пока удается реализовать, не превышает десяти.
Этого достаточно, чтобы сделать не просто логический элемент, но и решать вполне реальные задачи. Так, в прошлом году группе ученых из Англии, США, Франции и Австралии удалось с помощью фотонной квантовой системы рассчитать спектр энергий молекулы водорода. Успех впечатляющий, особенно учитывая то обстоятельство, что использовалось всего два кубита.
Однако полномасштабное устройство, которое действительно совершит революцию в вычислительной технике, должно состоять, по крайней мере, из сотен и даже тысяч кубитов. Достижение таких значений вызывает большие сложности: с увеличением на порядок числа кубитов уменьшается на порядок и время декогерентизации, а вместе с ним падают и шансы выполнить нужный алгоритм.
Для коррекции ошибок, возникающих вследствие декогерентизации и неточности исполнения квантовых операций, можно, по аналогии с классическими компьютерами, вводить дублирующие кубиты. Но такие кубиты сами по себе вносят дополнительные ошибки. Непонятно, возможно ли вообще таким образом стабилизировать систему. Теоретически можно вместо коррекции ошибок просто предотвращать их. Например, если достаточно часто измерять состояние частицы, то ее состояние никогда не изменится – если у вас когда-нибудь возникало ощущение, что мир существует только пока вы на него смотрите, считайте, что вы интуитивно почувствовали квантовый эффект Зенона. На практике же неясно, насколько возможно совмещать регулярные измерения состояния кубита и вычисления. Скорее, такой эффект пригодился бы для квантовой памяти.
Более перспективным кажется не пытаться что-то сделать с ошибками, а организовать вычисления таким образом, чтобы на них мало влияли внешние помехи. Квантовые состояния системы можно представить в виде геометрического пространства с некоторой кривизной. Используя геометрические свойства этого пространства, можно добиться того, что набегающие флуктуации будут усредняться к нулю.
# # # #
Материализуется ли когда-нибудь теория о квантовых вычислениях во что-то большее, чем лабораторные прототипы с десятком кубитов – неизвестно, мнения специалистов расходятся. Одни предсказывают неминуемую квантовую технологическую революцию, другие преисполнены пасмурного скепсиса и называют квантовые вычисления не иначе как "мифом".
В 2007 году мир облетела новость о том, что канадская фирма "D-wave" разработала первый в мире квантовый компьютер на 16-ти кубитах. Канадцы обещали решения всего класса неэффективных задач, провели амбициозную демонстрацию и лихо анонсировали появление системы из 1024 кубитов уже к 2008 году. Журналисты тогда пришли в совершеннейший восторг, а ученые не поверили.
И действительно, демонстрация была проведена удаленно, никаких деталей не раскрывали. И вообще, по меткому замечанию физика Скотта Ааронсона, неизвестно - может, канадцы собрали просто обыкновенный 16-битный компьютер. Смущало и то, что для ряда заявленных задач квантовые алгоритмы неизвестны, и возможно, вовсе не существуют.
К чести руководства "D-wave", они все же сознались, что их устройство – не совсем квантовый компьютер, и решать он может не все и не точно. Что именно канадцы тогда построили, до сих пор толком неизвестно. Как бы то ни было, на дворе уже 2010-й, а машин даже с сотней кубитов пока нет. Но если они и появятся, то скорее всего, это будут только специализированные процессоры, доступные военным и ученым.
Хотя, кто знает. Возможно, в самом деле в скором будущем нас ожидают квантовые чудеса. Не просто в теории, а в ощутимой реальности. По крайней мере, верующих много. Три года назад Клуб научных журналистов провел опрос о технологиях будущего среди посетителей сайтов «Химия и жизнь», «Что нового в науке и технике», «Вокруг света» и «Астронет». Согласно результатам, большинство опрошенных считает, что квантовые компьютеры будут широко применяться уже через 40 лет. Посмотрим.
