Как квантовая механика может изменить компьютеры в будущем
Привет. Недавно компания Google объявила, что будет расширять свои коммерчески доступные услуги облачных вычислений, включая квантовые вычисления. Аналогичная услуга была представлена компанией IBM с мая. Доступ к квантовым компьютерам будет полезен, чтобы правительственные, научные и корпоративные исследовательские группы по всему миру продолжали изучать возможности квантовых вычислений.
Понимание того, как работают эти системы, требует изучения другой области физики, чем той, с которой знакомо большинство обывателей. Из повседневного опыта мы знакомы с тем, что физики называют «классической механикой», которая управляет большей частью мира, которую мы можем видеть собственными глазами, например, что происходит, когда автомобиль врезается в здание и как будет двигаться брошенный мяч.
Квантовая механика, в свою очередь, описывает субатомную область - поведение протонов, электронов и фотонов. Законы квантовой механики сильно отличаются от законов классической механики и могут привести к неожиданным и противоречивым результатам, таким как идея о том, что объект может иметь отрицательную массу.
Физики всего мира - в академических и корпоративных исследовательских группах - продолжают изучать возможности использования технологий на основе квантовой механики в реальном мире. Сегодня исследователи компьютерщики пытаются понять, как эти технологии могут использоваться в целях развития вычислений и криптографии.
Краткое введение в квантовую физику
В нашей обычной жизни мы привыкли к вещам, существующим в четко определенном состоянии: например, лампа накаливания может быть либо включена, либо выключена. Но в квантовом мире объекты могут существовать в так называемой суперпозиции: гипотетическая лампочка в атомном мире может одновременно находится в обоих состояниях. Эта необычная функция может оказать серьезное влияние на вычисления.
Самая маленькая единица информации в классической механике - и, следовательно, классических компьютерах - это бит, который может содержать значение 0 или 1, но не оба значения одновременно. В результате каждый бит может содержать только одну часть информации. Такие биты, которые могут быть представлены в виде электрических импульсов, изменения в магнитных полях или даже как физический переключатель в режиме включено-выключено, составляют основу для всех вычислений, хранения и связи в современных компьютерах и информационных сетях.
Кубит (Qubits) - квантовый бит - это квантовый эквивалент классического бита. Фундаментальное отличие состоит в том, что из-за суперпозиции кубиты могут одновременно удерживать значения как 0, так и 1. По своей природе кубиты должны быть реализованы в атомном масштабе: например, при вращении электрона или поляризации фотона.
Вычисления и кубиты
Другое отличие состоит в том, что классические биты могут работать независимо друг от друга: изменение состояния бита в одном месте не влияет на биты в других местах. Однако кубиты можно настроить с помощью квантовомеханического свойства, называемого "квантовое запутывание", так что они зависят друг от друга - даже когда они находятся далеко друг от друга. Это означает, что операции, выполняемые квантовым компьютером с одним кубитом, могут влиять одновременно на несколько других кубитов. Это свойство, похожее на параллельную обработку, может сделать вычисления намного быстрее, чем в классических системах.
Крупномасштабные квантовые компьютеры, то есть квантовые компьютеры с сотнями кубитов, еще не существуют, и их сложно построить, поскольку они требуют, чтобы операции и измерения выполнялись в атомном масштабе. Квантовый компьютер IBM, например, в настоящее время имеет 16 кубитов, компания Google обещает создать 49-кубитный квантовый компьютер к концу года, что было бы поразительным успехом. Для примера сложности создания квантового конкурента классическим компьютерам можно сказать, что ноутбуки в настоящее время имеют несколько гигабайт оперативной памяти, а гигабайт - это восемь миллиардов классических бит.
Мощный инструмент
Несмотря на трудности построения рабочих квантовых компьютеров, исследователи продолжают изучать возможности развития этой технологии. В 1994 году учеными было показано, что квантовые компьютеры могут быстро решать сложные математические проблемы, лежащие в основе всех широко используемых криптографических систем с открытым ключом, таких, как те, которые обеспечивают безопасные соединения для веб-браузеров. Крупномасштабный квантовый компьютер полностью поставил бы под угрозу безопасность Интернета, какой мы ее знаем. Криптографы тоже активно изучают новые подходы с открытым ключом, которые будут «квантоворезистентными», по крайней мере, насколько это возможно в настоящее время.
Интересно, что законы квантовой механики могут быть эффективно использованы и для разработки криптосистем, которые, в некотором смысле, будут более безопасны, чем их классические аналоги. Например, квантовое распределение ключей позволяет двум сторонам делиться конфиденциальной информацией, которая не может быть раскрыта при использовании классических или квантовых компьютеров. Такие системы, основанные на квантовых компьютерных технологиях, могут стать очень полезными в будущем в различных широко или узконаправленных приложениях. Но сегодня ключевой задачей является разработка аналогичных систем, способных работать в реальном мире и на очень больших расстояниях.