Об эксперте: Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Что такое квантовые вычисления
Сначала — пара слов о классических вычислениях.
В классических вычислениях информация представляется в виде последовательности нулей и единиц — битов. С их помощью классический компьютер проводит операции, а алгоритмы — это преобразования битовых строк.
Квантовый компьютер работает иначе. Он кодирует информацию в виде кубитов — квантовых аналогов битов. А квантовые вычисления — это манипуляции с набором кубитов.
В 1982 году Ричард фон Нейман предложил использовать идеи квантовой физики, чтобы создать квантовый компьютер. Однако он должен был стать не вычислительным устройством общего вида, а устройством для моделирования физических систем.
Квантовые системы сложно моделировать на классическом компьютере. Мощности не хватает, чтобы просчитать взаимодействие большого числа частиц между собой. Не хватает и памяти, чтобы хранить информацию о квантовом состоянии таких систем.
Так возникла идея одной квантовой системой моделировать другую.
В квантовой механике есть принцип суперпозиции. Это значит, что если есть физическая система, у которой два состояния — логический ноль и логическая единица, то существуют и произвольные суперпозиции — квантовое состояние физической системы в так называемом гильбертовом пространстве.
Когда проводятся измерения с квантовой системой, то есть манипуляции с кубитами, в качестве памяти выступает некий набор квантовых двухуровневых систем. Они могут быть разной физической природы, важно, чтобы можно было четко выделить единицу и ноль, и как раз их преобразует квантовый компьютер. Важно отметить, что суперпозиции в опыте недоступны, наблюдать можно только два исхода — ноль и единицу. А коэффициент суперпозиции определяет вероятность того, что мы получим в результате. То есть результат измерения всегда становится принципиальной вероятностью — это одно из свойств квантовой теории, которое так занимает умы ученых. Как говорил Альберт Эйнштейн: «Бог неустанно играет в кости по законам, которые он сам предписал».
Какие задачи решают квантовые вычисления
Одно из важных применений квантовых компьютеров — физическое моделирование.
Например, надо рассчитать свойство молекул, из которых можно сделать неорганические светодиоды для новых дисплеев. Это сложная и кропотливая работа: потребуются расчеты, эксперименты, а еще много времени и денег. При этом может оказаться, что этот тип соединений не подходит, а ресурсы уже потрачены впустую.
Применение квантовых вычислений сокращает издержки — эксперименты можно провести виртуально. Правда, современные квантовые компьютеры пока способны моделировать только несложные молекулы, но увеличение возможностей квантовых компьютеров для физического, химического и даже биологического моделирования — безусловный тренд.
Мифы о квантовой теории
- Квантовую теорию никто не понимает.
Это не так: профессионалы давно успешно работают с квантовой теорией, описывают результаты экспериментов. Теория доказанно работает в самых разных масштабах, а инженеры используют ее для создания новых устройств.
- Квантовая запутанность позволит мгновенно влиять одним объектом на другой.
Никто не отменял законы релятивистской причинности и теории относительности.
Квантовая запутанность — это когда частицы объединяются в одну систему, при этом неважно, насколько далеко они находятся друг от друга. Наблюдения за одной из частиц могут автоматически предоставлять информацию о других запутанных частицах, независимо от расстояния между ними.
Например, для квантовой телепортации нужны классические линии связи, по которым передается информация об исходе измерений. И только тогда возможно перевести одну из частиц запутанной пары в нужное квантовое состояние. Кроме того, сама запутанная пара должна быть изначально распределена.
- Квантовый компьютер — новое поколение вычислительной техники. Он произведет революцию и ускорит все вычисления.
Это одновременно и правда, и миф.
Некоторые квантовые алгоритмы действительно ускоряют вычисления, иногда экспоненциально. Алгоритмы Шора для разложения чисел на простые множители часто приводят как пример квантового алгоритма. В нем ускорение настолько радикальное, что, начиная с некоторого размера чисел, классический компьютер с квантовым тягаться не может.
Но квантовый компьютер — это довольно специфическое устройство, которое полезно только для решения определенных задач, — и далеко не с любой вычислительной задачей квантовый компьютер справится лучше классического.
- С помощью квантового компьютера можно будет взломать любой шифр
Большая часть существующих криптосистем — с открытым ключом: их криптостойкость завязана либо на разложении большого числа на простые множители, либо на похожей задаче с дискретными логогрифами больших чисел. На то есть две причины:
- Неизвестны хорошие классических алгоритмов для шифрование.
- Это простое шифрование: для него уже разработаны алгоритмы и они не требуют большой мощности.
Задача о разложении чисел на простые множители действительно легко решается на квантовом компьютере через тот же алгоритм Шора, и это может быть опасно для того же биткоина. Но если мы перейдем на квантовый компьютер, появится другая система шифрования, которая решит проблему. Например, можно использовать шифр, который будет основан не на разложении чисел на простые множители, а на более сложных задачах. И этот шифр не получится взломать с помощью квантового компьютера.
Уже известны протоколы шифрования с открытым ключом — постквантовые протоколы — которые устойчивы к попыткам взлома с помощью квантового компьютера.