Группа физиков из России и США объявила о достижении так называемого квантового превосходства. Это значит, что созданное ими вычислительное устройство, использующее кубиты (минимальная единица информации, «кирпичик» квантового компьютера), впервые превзошло по мощности привычные нам процессоры, работающие на полупроводниках.
Не за горами появление полноценных квантовых компьютеров, способных производить феноменальные вычисления, которые не под силу самым мощным вычислительным машинам. Эксперты полагают, что тот, кто обладает подобными компьютерными системами, получит такое же преимущество, какое в эпоху холодной войны давало ядерное оружие.
И ноль, и единица
Чтобы понять, что такое кубит и в чём его преимущество, вспомним, как хранится информация в электронных устройствах, которыми мы пользуемся ежедневно. Снимаете ли вы фото на смартфон, смотрите ли DVD или слушаете музыку, во всех случаях вы имеете дело с цифровым сигналом, где данные представлены в виде последовательности нолей и единиц. Минимальной ячейкой такой информации является бит: разряд, принимающий одно из двух возможных значений, 0 или 1. Он же используется в вычислительной технике. Но в квантовых компьютерах на смену битам приходят кубиты.
«Кубит — это единица квантовой информации. У него, как и у бита, есть два основных состояния, однако также может реализоваться одна из их суперпозиций, которых бесконечно много, — говорит старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Иван Храпач. — Поэтому и состояний кубита бесконечное множество».
Квантовая физика — наука для понимания архисложная. Как вообразить себе, что частица может одновременно находиться в двух разных состояниях? А ведь в квантовой физике именно так и происходит. Кубит — это кажется невероятным — тоже способен одновременно становиться и нулём, и единицей. А также принимать все промежуточные значения (это и называется суперпозицией). Иначе говоря, два основных его состояния — 0 и 1 — как бы перекрываются, причём в разных пропорциях. Представьте, что вы смешиваете белую и чёрную краску. Сколько оттенков может иметь получающийся серый цвет? Да сколько угодно. То же самое и с кубитом.
Теперь вспомним, как работает классический компьютер, когда имеет дело с очень большим объёмом данных. Он просто перебирает все возможные варианты решения, пока не найдёт нужный. А квантовый компьютер ищет решение не последовательно, а параллельно. Он не сканирует варианты один за другим, а будто бы видит их все сразу, в один момент. Ведь в квантовом мире всё случается одновременно. И это фантастически ускоряет процесс: на громоздкие вычисления уходят секунды.
Именно необычное свойство кубита, его способность одновременно становиться и нулём, и единицей, даёт квантовому компьютеру потрясающую вычислительную мощность. Причём с увеличением числа кубитов она резко возрастает. Если создать устройство ёмкостью 300 кубитов, оно будет эквивалентно классическому компьютеру с числом битов, равному количеству атомов во всей Вселенной.
Такой машине под силу решать самые сложные кибернетические задачи, какие только могут встать перед человечеством. На вычисления, требующие годы и даже десятилетия работы обычного компьютера, она потратит считаные минуты.
Упрямый кубит
Успехи в этой области физики столь стремительны, что впору говорить о квантовом чуде. Ещё каких-то пару лет назад учёные не верили, что можно создать устройство мощностью более 20 кубитов. Трудность в том, что кубиты «упрямы»: с них сложно считывать информацию. А ещё они эгоисты: «не жалуют» совместный труд. Если заставить кубиты работать сообща, в одной системе, они «бунтуют» и сокращают время своей жизни.
Однако в прошлом году на Международной конференции по квантовым технологиям, прошедшей в Москве, было объявлено о создании квантового компьютера на 51 кубит. Он стал самым мощным вычислительным устройством в мире. Авторы разработки — физики из Российского квантового центра и Гарварда (США).
Руководитель этой научной группы, профессор Михаил Лукин, объясняет: технология, которую они использовали, отличается от общепринятой. Вместо сверхпроводников в ход пошли так называемые холодные атомы. Выяснилось, что отдельные атомы (если их охлаждать до сверхнизких температур и удерживать в лазерных ловушках) могут становиться кубитами, демонстрируя необходимые свойства. Это позволило учёным создать самый большой в мире квантовый вычислитель и на этом этапе обойти коллег из других научных групп, в том числе из компаний IBM и Google.
Впрочем, через месяц о создании симулятора чуть большей мощности — на 53 кубита — объявили физики Мэрилендского университета (США). Не отстают и китайцы: они преуспели в обработке сигналов квантового устройства. Очевидно, в мире идёт настоящая «квантовая гонка». И её можно сравнить с космической гонкой ХХ века.
«Думаю, через 5-10 лет во многих областях человеческой деятельности обойтись без квантовых технологий будет невозможно», — убеждён Лукин. Где именно они пригодятся?
Как уже было сказано, квантовый компьютер даёт преимущество при больших вычислениях, когда приходится обрабатывать огромные массивы данных. К примеру, он будет эффективен в разработке новых лекарств. Фармакологи давно применяют для этого компьютерное моделирование: с его помощью находят молекулу, на основе которой создаётся препарат. Квантовые системы помогут быстро сравнивать такие молекулы, выбирать из них наиболее перспективную, анализировать её свойства и предсказывать воздействие на организм. Эксперты считают, что таким способом будут найдены лекарства от болезней Альцгеймера, Паркинсона и даже рака.
Под угрозой все пароли
Другие очевидные применения — моделирование новых материалов с заданными свойствами, создание сверхбыстрого интернета, задачи оптимизации (они есть в любой области), новые принципы связи и шифрования. И вот как раз в сфере криптобезопасности таится главная угроза, которую несёт с собой «квантовая революция».
«В основе всей современной криптографии лежит такое понятие, как факторизация целых чисел, — объясняет Михаил Лукин. — Это разложение числа на простые множители. Умножить два простых числа, даже очень больших, нетрудно. А вот найти, на какие простые множители делится заданное большое число, — это задача невероятно сложная».
Настолько сложная, что с ней не справляются даже суперкомпьютеры. Ну как не справляются: им для этого нужно очень много времени. Скажем, чтобы разложить на простые множители 250-значное число, потребуются тысячи лет. На этом принципе построен алгоритм шифрования с открытым ключом RSA. Считается, что взломать его невозможно: у кого в распоряжении есть несколько лишних тысяч лет?
Однако в 1994 г. американский математик Питер Шор предложил алгоритм разложения числа на простые множители, позже названный его именем. По сути, этот учёный продемонстрировал, как можно взломать надёжную, казалось бы, криптосистему всего за пару минут. Правда, алгоритм Шора был написан для гипотетического квантового компьютера, который в те годы казался несбыточной мечтой. Теперь же, спустя почти четверть века, когда наука вплотную подошла к созданию этого вычислительного устройства, беспокоиться стоит не только учёным-криптографам, но и всем, кто так или иначе связан с шифрованием данных: военным, банкирам, программистам, бизнесменам да и, возможно, простым пользователям интернета. Ведь наши пароли, открывающие доступ к личной переписке и другой приватной информации (в том числе связанной с финансами), могут стать лёгкой добычей для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Перебор возможных вариантов займёт у него всего несколько секунд.
И, конечно, с криптосистемами тесно связаны спецслужбы и военные ведомства. Их повышенное внимание к квантовым технологиям легко объяснимо. В качестве приза в этой научной гонке — не только успехи медицины и фармацевтики, но и обороноспособность государства.