Квантовые компьютеры - новая эра вычислений

// // Интересное в сети //

Совершенствование вычислительных средств всегда стимулируется наукой. Рядовому пользователю вовсе не нужны новые эффекты перехода в интерфейсах, более высокие тактовые частоты и зашкаливающее быстродействие. Если оставить потребителя в покое, он будет с удовольствием пользоваться прежними привычными технологиями. Многоядерные процессоры и изощрённые алгоритмы продвигаются производителями потому, что учёные, потребовав их, создав и потратив на это деньги, тут же стремятся к новой «игрушке». А компенсировать затраты чем-то нужно – вот и приходится повышать денежный оборот и взимать дополнительные налоги с каждой покупки.

Однако ранее особых проблем с этим не возникало – почти любая вычислительная техника относительно легко переделывалась под универсальные офисно-развлекательные задачи. Это было возможно потому, что в компьютерах использовались классические физические объекты, процессы и явления. По сути, каждая программа сводилась к сильно усложнённому счёту на пальцах.

Передовое направление современных информационных технологий – квантовые компьютеры, вычислительные машины, в которых операциям соответствуют действия с элементарными частицами. Появление этого направления можно было ожидать, если вспомнить об экспоненциальном (хотя некоторые утверждают, что всё-таки степенном) характере хода миниатюризации. Мельче ячеек кристаллов, используемых сейчас, только молекулы, атомы и элементарные частицы. На молекулярных масштабах объекты ещё можно считать классическими – по порядку величин размеры молекул одинаковы с размерами кристаллических ячеек. Но вот с началом использования для вычислений атомов и частиц в игру вступают квантовые законы и явления, а это значит, что усложнённым счётом на пальцах работу атомарных и «частичных» компьютеров уже не смоделируешь.

Поэтому такие компьютеры называются квантовыми? Они принципиально отличаются от вычислительных машин прежних поколений – не только «рабочим телом», но и логикой, алгоритмами, областью применения. Например, единицей информации в таких компьютерах будет не бит, а кубит. И если бит может иметь два состояния – 0 или 1, то для кубита ещё существует так называемая суперпозиция этих состояний. Больше того – значение одного кубита нельзя считать непосредственно, не изменив его. Один из законов квантовой механики гласит, что любое взаимодействие с системой меняет её состояние; иначе говоря, посмотрев на кубит, мы заставляем его сменить значение. Может сложиться впечатление, что компьютер с таким «носителем данных» не имеет смысла или просто не может существовать – слишком уж хрупок. Но учёные, занимающиеся квантовыми компьютерами (а такие исследования ведутся во многих странах, в том числе на территории СНГ – в МГУ, МФТИ и т.д.) сумели придумать алгоритмы, которым уязвимость состояний кубитов не только не мешает, но и помогает. Хотя, разумеется, приходится отказываться от любимой программистской практики проверять в случае ошибки буквально каждую ячейку памяти.

Квантовая физика – чрезвычайно специфическая наука. Касательно толкования её законов существует несколько десятков различных мнений, а многие исследователи и вовсе следуют рекомендации, сформулированной физиком Дэвидом Мермином: «Заткнись и вычисляй». Не имея возможности провести точные измерения, а во многих случаях и просто осознать причины некоторых явлений, учёные не просто проектируют квантовые компьютеры, но и используют их на практике. Справедливости ради, они пока имеют малые мощности и размеры (до нескольких десятков кубитов). Но это де-факто поиск вслепую, да ещё и связанный с фундаментальными физическими и философскими вопросами. Так что даже скромные результаты этой работы являются серьёзными достижениями и, возможно, первыми ласточками новой компьютерной эры.