Современные технологии развиваются с головокружительной быстротой

Современные технологии развиваются с головокружительной быстротой. Этот прогресс наиболее заметен в области электронных устройств: компьютеров, смартфонов и т.д. Быстродействие и мощность устройств удваиваются чуть ли не ежегодно, вместе с тем уменьшаются их размеры, вес и энергопотребление.

ОДНАКО ЭТОТ ПРОЦЕСС НЕ МОЖЕТ ПРОДОЛЖАТЬСЯ БЕСКОНЕЧНО: уже сейчас на квадратном сантиметре электронных чипов располагаются сотни миллиардов транзисторов. А если размер транзистора становится слишком маленьким, сопоставимым с размерами атома, включается эффект так называемого квантового туннелирования, когда электроны начинают свободно проходить между полюсами транзисторов. Эти эффекты представляют принципиальные ограничения для существующих в настоящий момент компьютерных технологий, и эра кремниевой микроэлектроники, бурно начавшаяся во второй половине XX века, близится к своему завершению.

В ближайшем будущем на смену нанотехнологиям неизбежно придут биотехнологии, оперирующие молекулами ДНК, и квантовые технологии, оперирующие ионами атомов и элементарными частицами. Квантовые технологии, пришедшие на смену классическим технологиям, будут использовать законы квантовой механики. При рассмотрении все более малых масштабов мы сталкиваемся с эффектом, когда наблюдатель вступает во взаимодействие с объектом наблюдения и изменяет его состояние. Квантовая теория утверждает, что каждая система может эволюционировать во времени вдоль множества возможных траекторий, реализуемых с определенной вероятностью.

Однако вернемся к компьютерам. Основным элементом компьютера является триггер – устройство, которое может находиться в двух состояниях: 0 и 1, скажем, ток протекает через участок цепи или нет. Набор битов – регистр используется для хранения и преобразования информации в процессе вычисления. Алгоритм – это инструкция, порядок действий, позволяющих добиться результата за конечное число шагов. Скорость проведения вычислений ограничена максимальной скоростью передачи сигналов, а именно: скоростью света в вакууме.

Однако первоначальный бум интереса столкнулся со сложностями технологического характера по реализации физических носителей основного устройства (триггера) – кубита (квантового бита) и основных действий с ним.

КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ИСХОДИТ ИЗ СЛЕДУЮЩЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ: макроскопическое тело состоит из большого количества отдельных частиц, на которые оно в принципе может распасться, и тогда они разлетятся независимо друг от друга, т.е. классическое состояние всегда чистое. Квантовое состояние необязательно чистое, оно может быть запутанным. Запутанные состояния описывают ситуацию, не имеющую классического аналога. Это требует больших ресурсов для моделирования даже небольшой системы на традиционном компьютере.

Квантовый компьютер является естественным инструментом для решения квантовых задач. Любое квантовое вычисление представляет собой два необратимых процесса (измерения) – изготовление начального и считка конечного состояния, а также цепочку обратимых процессов между ними. Это означает, что на всем протяжении пути нет тупиковых ответвлений: все траектории начинаются в начальном состоянии и завершаются в конечном, т.е. вероятность перехода из начального состояния в конечное равна единице, или 100%.

Благодаря огромной скорости разложения на простые множители квантовый компьютер позволит расшифровывать сообщения, зашифрованные при помощи популярного асимметричного криптографического алгоритма RSA. До сих пор этот алгоритм считается сравнительно надежным, так как эффективный способ разложения чисел на простые множители для классического компьютера в настоящее время неизвестен.

ПРИМЕНЕНИЕ ИДЕЙ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ УЖЕ ОТКРЫЛО НОВУЮ ЭПОХУ в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений. Прототипы систем подобного рода находятся на стадии разработки. Компания Google уже объявила о приобретении достаточно мощного квантового компьютера на 512 кубитах у канадской компании D-Wave Systems.

Другая реализация – создание биокомпьютера, который заточен на решение конкретных задач. В 1997 году Леонард Адлеман продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффективно решать классическую комбинаторную задачу о коммивояжере. Использование метода ДНК позволяет генерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций, а затем быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ. Однако на этом пути также имеются серьезные препятствия: требуется трудоемкая серия реакций, проводимых под тщательным наблюдением.

Однако при всех этих трудностях от описания перспектив и возможностей квантового компьютера захватывает дух, а с учетом головокружительной скорости прогресса в этой области и внедрения инноваций становится понятно, что все эти удивительные перспективы – дело недалекого будущего. Поистине - наука стоит вложений!

Комментарии: