Квантовое превосходство: смогут ли исследователи IBM взламывать коды

Когда-нибудь квантовые компьютеры заменят традиционные. Однако современные квантовые компьютеры не универсальны: им по плечу лишь узкий круг задач. В этом их заметное отличие от привычных компьютеров, которые могут решать любые задачи, но не всегда быстро.

Дело в том, что вычислительные ячейки существующих квантовых компьютеров — кубиты — не идеальны. Чтобы производить вычисление, они должны находиться в состоянии когерентности, то есть, согласно законам квантовой механики, принимать одновременно несколько состояний. Число состояний растет экспоненциально с увеличением количества кубитов, что и позволяет квантовым компьютерам теоретически работать на порядки быстрее традиционных вычислительных машин. Однако состояние когерентности легко нарушается внешними причинами, — например, теплом окружающего мира. В современных квантовых компьютерах кубиты охлаждены до сверхнизких температур, но все равно способны поддерживать когерентность лишь очень короткое время. Временем когерентности ограничивается число выполняемых операций — это называется глубиной вычислений. С помощью квантового компьютера мы можем решать задачи только с малой глубиной, что ограничивает его возможности. Именно по этой причине довольно сложно обнаружить на практике «квантовое преимущество» — ускорение вычисления, обусловленное именно квантовой природой компьютера.

Излюбленный тип задач для современного квантового симулятора — большое число однотипных несложных операций. Такие алгоритмы выполняются, к примеру, при нахождении максимума или минимума сложной функции. Подобные задачи оптимизации нередко возникают на практике, однако это всего лишь один узкий тип вычислений. В таких задачах квантовые симуляторы, специально приспособленные к таким расчетам, гораздо эффективнее классического компьютера уже сейчас, но доказать, что прибавка скорости имеет именно квантовый характер, нелегко.

Эту задачу и решили ученые из IBM совместно с коллегами из европейских университетов. Сергей Бравый из IBM Research, Дэвид Госсет из Института квантовых вычислений Университета Ватерлоо и Роберт Кениг из Института перспективных исследований в Мюнхене опубликовали в престижном научном журнале Science работу, доказывающую, что квантовый компьютер может обогнать классический при определенных условиях.

Ученые доказали, что квантовый компьютер может решать определенные задачи, которые требуют фиксированной глубины вычислений, за фиксированное время независимо от увеличения количества исходных данных. Для сравнения — классическому компьютеру для решения таких же задач требуется увеличение глубины вычислений по мере увеличения количества вводных. Таким образом, начиная с некоторого количества исходных данных квантовый компьютер решит задачу быстрее, реализуя квантовое превосходство. Подробнее об этой математической работе можно прочитать здесь.

Ожидается, что квантовые компьютеры совершат революцию в шифровании. Современные алгоритмы шифрования основываются на разложении на множители больших чисел, причем одно из чисел является ключом шифра. Дело в том, что если операцию умножения классический компьютер выполняет легко — время вычисления растет логарифмически в зависимости от величины множителей — то время обратной операции с ростом числа возрастает гораздо быстрее. Для квантового компьютера прямая и обратная операция одинаково легки. Алгоритм Шора, который осуществляет такой расчет, требует всего сотни кубитов — если, конечно, удастся поддерживать их в когерентном состоянии достаточно долго. Кроме задач шифрования, квантовые компьютеры помогут в развитии технологий, связанных с искусственным интеллектом.

Пока инвестировать в исследование квантовых вычислений без гарантий результата могут позволить себе только такие крупные компании как Google, IBM и некоторые другие. Так, в мае 2016 года IBM подключила прототип 5-кубитного компьютера к Глобальной сети. Это далеко не самая мощная квантовая вычислительная система: в Гарварде научная группа российского ученого Михаила Лукина уже создала 51-кубитную систему. Но и 5 кубитов достаточно для экспериментов. За прошедшие два года более 100 000 человек создали программы для квантовой системы IBM с использованием открытого кода Qiskit.