Квантовое превосходство... журналистов над здравым смыслом

Квантовые компьютеры – следующее поколение вычислительной техники, квантовый технологический уклад, квантовое превосходство, квантовое всё! Сколько же чуши и бреда понаписали журналисты на тему квантовых компьютеров! Сколько учёных было изнасиловано!

Путаница в определениях

Для начала давайте вообще разберёмся в определении – что мы будем называть квантовым компьютером? Оказывается, здесь тоже не всё так однозначно. С одной стороны мы читаем про 5-кубитовый IBM-Q и Google с аж 53 кубитами, вот гугловский компьютер на фото:

А с другой – вполне коммерческое решение под названием D-Wave, в котором насчитывается где более 1000 кубит.

D-wave считается производителем «квантовым компьютером», однако даже в документах самого производителя он значится не как компьютер, а «квантовый отжигатель» (квантовым отжигом называют общий метод нахождения глобального минимума заданной функции среди решений-кандидатов). То есть, если и называть его компьютером, то уж во всяком случае – не компьютером общего назначения. Но зато в этой узкоспециализированной области он «уделывает» по скорости симуляции на обычном цифровом компьютере в сотни миллионов раз (ссылка).

Универсальный же квантовый компьютер должен позволять составлять алгоритмы произвольной сложности при помощи основных логических операций. Такие гиганты, как Microsoft, IBM и Google сейчас строят такие компьютеры. Вы даже можете с ними поиграться онлайн: IBM Q Experience и Google Quantum Computing Playground

Инженерные сложности

Наверное, самая большая проблема, которая стоит сейчас – декогеренция. Собственно, вся «фантастика» в квантовых компьютерах зависит от состояния квантовой спутанности (entanglement) кубитов. Как можно прочитать в тысяче и одной статье, написанных журналистами, насилующих учёных, кубит может одновременно удерживать все возможные состояния между нулём и единицей, находясь в суперпозиции. Но суперпозиция – хрупкая вещь, волновая функция системы коллапсирует даже от косого взгляда (буквально!), необратимо переходя в детерминированное состояние (условно 0 или 1).

Главная инженерная задача – изоляция кубитов от окружающей среды. Обычно это достигается крайне низкими, близкими к абсолютному нулю температурами и очень высоким вакуумом. Отсюда вытекает вторая проблема – проблема миниатюризации. Холодильники и вакуумные установки, необходимые для работы квантовых компьютеров, своими габаритами могут посоперничать с габаритами первых компьютеров образца 50-х годов 20 века.

Если спутанную систему полностью изолировать от внешних воздействий, то она будет поддерживать своё состояние неограниченно долго. Но тогда мы не сможем, ни наблюдать, ни производить манипуляции с ней, и, тем более, использовать её для вычислений, поэтому инженерам и физикам приходится находить компромиссы – жертвовать частью информации (а именно это и происходит при коллапсе – часть информации превращается в тепло), чтобы воспользоваться тем, что осталось.

Соответственно, поскольку никто не может предсказать, когда произойдёт декогеренция, состояние логического кубита (задействованного в алгоритме) кодируется состоянием нескольких связанных физических кубитов. То есть, квантовый компьютер, где физически реализовано, скажем, 50 кубитов, на самом деле не сможет выполнить алгоритм, где должно быть использовано 50 логических кубитов, поэтому количество физических кубитов, как характеристика квантового компьютера, далеко не однозначно определяет его вычислительную мощность.

В силу того, что квантовый компьютер по своей квантовой природе не может быть полностью детерминистским, для проверки его состояния на каждом такте вычислений необходимо, чтобы к нему был подключён мощный классический компьютер. Кубиты живут недолго, и для проверки их состояния требуется обычная двоичная логика. А для обеспечения высокой скорости вычислений, естественно, что тактовые генераторы обоих сопряжённых компьютеров должны иметь одну и ту же частоту, что накладывает дополнительное ограничение на скорость, с которой практически может работать квантовый компьютер.

Кроме того, проблема декогеренции очень сильно влияет и на масштабируемость системы. Если состояние, скажем, двух фотонов или даже атомов физики научились удерживать на протяжении значительных периодов времени, то с ростом размеров системы экспоненциально растут и риски случайного внешнего взаимодействия. Именно поэтому мы и не можем наблюдать квантовые эффекты на макро-объектах, так как их декогеренция происходит практически мгновенно.

Ещё к чисто инженерным проблемам можно отнести проблему межкубитовых соединений. Квантовые биты должны быть соединены как между собой, так и иметь выходы для подключения внешнего оборудования, что в силу требований к рабочей температуре около абсолютного нуля сильно затрудняет и усложняет конструкцию. Разработка сложных алгоритмов требует всё большего числа кубит, что приводит к растущей стоимости исследований. Кстати, об алгоритмах и логике…

Логика

В квантовом мире всё квантовое. Алгоритмы тоже. Если алгоритм классический использует двоичную логику (см. Как заставить машину считать при помощи транзисторов?), то квантовый компьютер использует другой набор логических вентилей (да, «тёплые ламповые» OR, AND, NOT и XOR придётся забыть). С квантовыми вентилями, конечно, можно «сконструировать» аналоги, но смысла в этом большого нет, так как гораздо проще и дешевле для этих же целей использовать обычный цифровой компьютер.

Хорошо, будем разрабатывать квантовые алгоритмы. Они же будут «круче» обычных? Возможно. Знаете, сколько сейчас в мире разработано квантовых алгоритмов? Всего около 50 (полный их список здесь). И если приглядеться, то все эти алгоритмы можно условно разделить на две категории: первая – это алгебра и теория чисел, вторая – аппроксимация и оптимизация.

Не так уж и густо. Разумеется, в будущем будут появляться новые квантовые алгоритмы, но надо понять, квантовый алгоритм нужен там, где обычный цифровой алгоритм будет работать слишком долго (самый классический пример – разложение числа на простые множители или факторизация – на сложности решения этой задачи построено несколько криптографических алгоритмов). С одной стороны, квантовые компьютеры в будущем смогут помочь в решении суперсложных задач, требующих колоссальных вычислительных мощностей на обычных цифровых компьютерах, но с другой – сфера их применения будет далеко не универсальной, и говорить о том, что квантовые компьютеры полностью вытеснят электронные, я бы поостерёгся.

Далее я перечислю некоторые мифы и заблуждения насчёт квантовых компьютеров:

В 1 кубите может храниться более 1 бита информации?

(Якобы, это следует из его суперпозиции). Это заблуждение. Из-за различий между квантовыми и классическими битами рост количества хранимых состояний с их количеством происходит по-разному. В квантовых вычислениях всегда будет разница между количеством информации, которая хранится в системе, и количеством информации, которую можно из неё извлечь. Если в «классическом» цифровом компьютере информацию в N бит можно в точности закодировать при помощи N классических бит, в квантовом компьютере это соответствие не соблюдается.

Наш соотечественник, Александр Холево ещё в 1973 году опубликовал свою теорему, описывающую предел (названный его именем - Предел Холево) информации, которую можно извлечь из квантовой системы, следствием которой вытекает принцип: один кубит может содержать не более одного бита полезной информации. Так что никаких чудес.

Квантовый компьютер может проверить все возможные решения сразу?

Обычно это говорят об уязвимости алгоритма шифрования RSA перед квантовым компьютером, но на самом деле каждый из известных нам квантовых алгоритмов, работает по-разному, но ни один из них не проверяет сразу всё сразу. Да, и пароли компьютер не подбирает – он находит всего лишь период функции f(x) = m^x (mod N). Если бы это было правдой, то проблема P = NP была бы уже решена.

Квантовые компьютеры производительнее обычных, скоро у всех будут только квантовые компьютеры?

Учитывая то, что квантовый компьютер может в теории эмулировать классический компьютер, действительно сложно придумать задачу, где классический компьютер окажется производительнее (если брать только вычислительную мощность). Тем не менее, как я уже показал, во-первых, квантовый компьютер не может функционировать без сопряжения с обычным компьютером, а во-вторых, для решения бытовых повседневных задач у электронного компьютера есть одно неоспоримое преимущество – он на несколько порядков дешевле и настолько же более энергоэффективен. Квантовый компьютер весьма прожорлив, когда дело доходит до электроэнергии и тепловыделения. Квантовый компьютер никогда не сможет соперничать с электронным в части энергоэффективности.

Кроме этого, электроника гораздо компактнее. В 1 кубометр объёма можно впихнуть гораздо более мощный электронный компьютер, чем квантовый.

Так что, квантовые компьютеры действительно будут распространяться всё шире, но использовать их будут лишь для некоторых задач, где вычисления на электронном компьютере потребуют либо огромных мощностей, либо огромного времени.

На квантовых компьютерах можно будет запускать программы, написанные для классических компьютеров?

В теории, да, на квантовом компьютере, как я уже написал, можно эмулировать компьютер классический, но зачем? Это дорого и крайне неэффективно по энергозатратам. Мощь квантовых компьютеров приходит с применением квантовых алгоритмов, а запускать обычную программу по-прежнему гораздо лучше будет на компьютере обычном.

Квантовые компьютеры разрушат кибербезопасность

И да, и нет. Действительно, есть один класс криптосистем, самым ярким представителем которых является алгоритм RSA, основан на постулируемой сложности разложения больших чисел на составляющие их множители из простых чисел (к слову, возвращаясь к проблеме P = NP, эта сложность ещё и не доказана толком). И вот как раз эту задачу квантовый компьютер способен решить очень быстро. В теории – квантовый компьютер со 100000 кубит найдёт 2048-битный ключ за пару секунд. Но во-первых, максимум, что мы имеем, это 53 кубита, а во-вторых, далеко не все криптоалгоритмы уязвимы.

По своей природе, ассиметричные криптоалгоритмы стали более уязвимы перед квантовыми компьютерами. Например, эллиптические кривые оказались так же под угрозой, но криптография на решётках (NTRU) или на основе алгебраического кодирования (McEliece) вполне надёжна.

Что же касается симметричных шифров (тот же AES), то они вполне надёжны даже в пост-квантовом мире.

Кроме того, квантовые компьютеры не только не положат конец криптографии, но и поднимут её на прежде недостижимый уровень, так, квантовое распределение ключей может полностью заменить протокол Диффи-Хэллмана и исключить даже теоретическую возможность прослушки.

Заключение

Безусловно, квантовые компьютеры ознаменуют новую веху в компьютерной технике. Они найдут своё практическое применение в химии, медицине, логистике, метеорологии, криптографии и ещё во многих прикладных областях, но они никогда не смогут до конца вытеснить компьютеры, работающие на обычной двоичной логике. Скорее, в будущем мы увидим гибриды – машины, работающие как обычные компьютеры, но оснащённые квантовыми чипами для решения тех задач, с которыми двоичному компьютеру будет сложно справляться.

Несмотря на заметный прогресс в этой области, особо надеяться на появление квантовых персоналок и смартфонов в ближайшие пару десятилетий я бы не стал.

Комментарии: pikabu.ru/link/a7099476

Источник: m.vk.com

Комментарии: