Вселенную смогут "расшифровать" только большие квантовые компьютеры

Моделирование процессов в черных дырах – это суперматематика. Фото NASA

Последние 15–20 лет физики ряда стран Северной Америки, Западной Европы, Китая и Японии активно работают над созданием квантовых компьютеров. По своим параметрам эти устройства должны многократно превышать возможности самых мощных современных компьютеров. Правда, эти усилия пока ограничиваются исследованиями и экспериментами в лабораториях.

Об одном из этих направлений – создание больших квантовых компьютеров – опубликована статья в первом номере за 2017 год журнала Science Advances. Речь идет о международном проекте с участием представителей Англии, Германии, Дании, Японии. Базовая лаборатория находится в британском Университете Суссекса.

Руководитель проекта, профессор Винфред Хензингер в интервью научному редактору Би-би-си Полу Ринкону заметил: «Наша цель – создание вполне крупного образца квантового компьютера, способного в будущем решать сложнейшие научные и практические задачи, поскольку пока почти во всех лабораториях ученые работали над созданием первоначально маломощных квантовых компьютеров около 10–15 кубит».

Как известно, в классических компьютерах объем информации измеряется битами, связанными с последовательным прохождением двух цифр – единицы и нуля. А в квантовых компьютерах эта единица измерения называется кубит (квантовый бит), что одновременно связано как с единицей, так и с нулем. Этот феномен открывает возможности для проведения массовых параллельных вычислений.

«Наш проект, – подчеркивает Винфред Хензингер, – предусматривает использование заряженных атомов (ионов), загнанных в ловушку, что позволит нам в отличие от альтернативных проектов, основанных на использовании сверхпроводимости, работать с нашими квантовыми компьютерами в условиях комнатной температуры. Здесь главная проблема заключается в том, каким образом поддерживать «возбуждение» каждого иона под воздействием лазерного излучения».

По словам профессора Хензингера, создание экспериментального модуля квантового компьютера, основанного на вышеупомянутых принципах, обойдется в сумму около 2 млн фунтов стерлингов, а создание большого действующего квантового компьютера потребует десятки и сотни миллионов фунтов стерлингов. Для разработки совершенно новых материалов и новейших медицинских препаратов, а также для понимания сущности Вселенной нужно иметь квантовые компьютеры примерно от одного до десятков миллиардов кубит.

Характеризуя усилия различных групп ученых, работающих в сфере квантового компьютинга, Хензингер отметил, что их усилия в основном были направлены на создание маломощных компьютеров с объемом примерно 10–15 кубит, что напоминает начальный этап создания классических компьютеров. Прорывным достижением, пожалуй, можно считать успех канадской компании D-Wave в Бэрнебе, которая в 2016 году объявила о создании квантового процессора в 2 тыс. кубит.

«Необходимо особо отметить, – заявил Хензингер, – в создании этого процессора в Канаде в течение ряда лет непосредственное участие приняли такие организации и компании, как NASA, Google, «Локхид Мартин» и, наконец, сверхсекретная американская корпорация Temporal Defence Sуstems, которая сочла нужным подключиться в эту сферу в последний момент. В то же время, по оценкам ряда крупных физиков, вряд ли канадской компании в ближайшей перспективе удастся превысить мощности современных классических компьютеров, так как многие проблемы на этом пути остаются абсолютно нерешенными.

Надо подчеркнуть, что крупнейшие компании, такие как Microsoft и Google, проводят автономные исследования и эксперименты по созданию квантовых компьютеров. Такой размах исследований внушает определенную надежду, что уже во второй половине текущего столетия квантовые компьютеры могут стать главным компонентом новой информационной цивилизации.

В нашей стране основоположником фундаментальных исследований квантового компьютинга считается выдающийся ученый с мировым именем академик РАН и ряда иностранных академий Камиль Валиев (1931–2010). В 1965–1977 годах он работал директором Научно-исследовательского института молекулярной электроники в Зеленограде. Тогда этот центр был нашей кремниевой зоной, где были разработаны и созданы десятки миллионов интегральных устройств, прежде всего для оборонной и космической промышленности. Сейчас нечто подобное пытаются повторить в «Сколково», но пока результаты явно не оправдывают ожиданий и средств, вложенных в проект «Сколково».

В последние 20 лет своей жизни академик Валиев занимался разработкой теоретических основ квантовых ЭВМ, издал в соавторстве со своим учеником и коллегой Александром Кокиным интересную монографию – «Квантовые компьютеры: надежды и реальность». Под его руководством в Физико-технологическом институте РАН работала лаборатория физики квантовых компьютеров. По его же инициативе в МГУ им. М.В. Ломоносова была создана кафедра квантовой информатики, которую он же возглавлял вплоть до своей кончины.

В одной из последних бесед с Валиевым я поинтересовался его мнением относительно возможностей квантовых компьютеров. «Они в принципе способны решать огромное количество задач, которые считаются практически неразрешимыми на любых современных компьютерах, – заявил мэтр квантовой информатики. – Крупные математики уже работают над созданием алгоритмов для будущих квантовых компьютеров. Среди них есть такие суперматематические задачи, для решения которых даже самым мощным современным компьютерам (около 19–20 терафлоп) потребуются тысячи лет».

Как раз такие сверхпроблемные задачи смогут решать будущие квантовые компьютеры за какие-то 10–15 часов. То есть речь идет о совершенно новом уровне информационных технологий. Их назначение будет совершенно иное – криптография, высокоточный контроль над атомными и термоядерными объектами и многое другое.