ТЕМА НОМЕРА
оглавление	КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

Считающий атом

Через десять лет будут освоены новые информационные технологии, на фоне которых создание микросхемы или Интернета покажется лишь эпизодом

Дан Медовников, Владислав Тюменев

Не так давно к одному нашему известному ученому, специалисту в области вычислительной техники, пришли за консультацией люди, отвечающие за информационную безопасность страны. Вынужденные по долгу службы знакомиться со всеми новинками в области криптографии, они натолкнулись на сообщение о принципиальной возможности создания устройства, легко взламывающего шифры, которые сегодня не по зубам всем суперкомпьютерам мира вместе взятым. Представителей спецслужбы интересовали ответы на вопросы, правда ли это и насколько быстро такой аппарат может появиться на рынке.

Ученый констатировал, что все это чистая правда, а на вопрос о сроках ответил уклончиво: "У вас в запасе точно есть четыре-пять лет, но вряд ли кто-то из специалистов сможет вам стопроцентно гарантировать спокойную жизнь лет через десять".

Устройство, которое через считанные годы лишит сна военных, банкиров и вообще всех, чье благополучие или безопасность критически зависят от надежности защиты информации, называется квантовым компьютером. Самые надежные из известных сегодня шифров основываются на разбиении достаточно большого числа на простые множители (так называемая задача факторизации). К примеру, взлом системы RSA-129 (факторизация 129-разрядного числа) потребовал в 1994 году восьмимесячной работы 1600 мощных рабочих станций, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе разбиения на простые множители трехсотразрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 миллиардов лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы, а квантовый компьютер, по словам специалистов, справится с такой задачей за несколько недель.

Чудовищные вычислительные способности нового аппарата, если таковой будет создан, перевернут ситуацию не только в криптографии. Как считает один из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института, "то, что задача факторизации считается сегодня особенно важной, - историческая случайность". Поистине уникальные возможности открываются для быстрого поиска в базах данных, моделирования физических процессов на микроуровне, а наиболее радикально настроенные технократы, например профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз, всерьез говорят о решающем вкладе квантового компьютера в создание искусственного интеллекта. Есть о чем задуматься и китам "новой экономики", вкладывающим сегодня миллиарды в традиционные компьютеры в расчете на растущий завтрашний спрос: первый освоивший квантовые информационные технологии поставит конкурентов на колени, а доквантовая компьютерная революция и недавние рекорды NASDAQ будут казаться не более чем забавными историческими деталями.

Схема. Уменьшение числа электронов, необходимых для хранения одного бита информации

Квантовый шум

Что-то подобное квантовому компьютеру человек должен был изобрести неизбежно. Гонка информационных технологий, не сбавлявшая темпы более сорока лет, находится сегодня в зоне финишной прямой. Пресловутый закон Мура, требующий удвоения производительности вычислительных систем каждые восемнадцать месяцев, пока ни разу не нарушался. Фирмы, отступавшие от него, мгновенно оказывались на обочине, но уже виден предел, за которым, оставаясь в рамках нынешней технологической платформы, даже самые успешные компании будут вынуждены этот закон нарушить.

Сам Гордон Мур сформулировал свое правило в середине шестидесятых, просто подсчитав темпы роста числа транзисторов в интегральной микросхеме в зависимости от времени. Оказалось, что в течение предыдущего десятилетия число транзисторов росло экспоненциально (это и соответствует удвоению производительности каждые полтора года), и Мур ничтоже сумняшеся экстраполировал эту тенденцию в будущее. Правда, один из отцов-основателей Intel не учел следующего обстоятельства: экспоненциальный рост числа транзисторов в микросхеме требовал все ускоряющегося уменьшения их размеров (из-за существующих принципиальных технологических ограничений размеры самого чипа, на котором размещаются транзисторы, практически не меняются, и в считанные квадратные сантиметры поверхности монокристалла из кремния вам приходится впихивать все больше и больше конструктивных элементов). Миниатюризация деталей влекла за собой удорожание технологий; инвестиции в разработку каждого нового образца тоже росли экспоненциально. Очевидно, что такой бизнес остается экономически целесообразным до тех пор, пока спрос также растет по экспоненте. До настоящего времени, как это ни странно, и число и размеры транзисторов, и инвестиции, и спрос менялись в хорошем соответствии с муровским правилом. Экономист скептически отнесся бы к возможности довольно долгого существования рынка, спрос на котором экспоненциально растет, - рано или поздно должно наступить насыщение, и не исключено, что нынешняя лихорадка на NASDAQ сигнализирует именно об этом. Но еще большего скептицизма следует ожидать от физика, наблюдающего, как транзистор стремительно теряет в размерах. Прозорливый Ричард Фейнман еще лет двадцать назад заметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вычисляющих устройств до тех пор, "пока биты не достигнут размеров атомов и квантовое поведение не станет доминирующим".

Сегодняшняя стандартная технология работает с размерами в десятую долю микрона (10 ^-7 метра), а чип содержит десятки миллионов транзисторов. Уже разработаны транзисторы, размеры которых составляют сотые доли микрона, а следующий шаг в сторону микромира приведет к нанометрам (10^-9 метра) и миллиардам транзисторов в одном чипе, еще чуть-чуть - и мы попадаем в диапазон атомных размеров, где все начинает подчиняться необычным квантовым правилам, инвестиции в борьбу с которыми бесполезны, даже если они растут по экспоненте. Кстати, согласно самой же муровской закономерности, произойдет это в течение десяти ближайших лет.

Чем страшны атомы для микроэлектроники? Законы квантовой механики принципиально недетерминистичны и нелокальны. Вы не можете, например, говорить об определенных положении и скорости частицы, но только о вероятности обнаружения частицы в некоторой зоне пространства со скоростью из некоторого диапазона скоростей. Бит классического компьютера, всегда находящийся только в одном из двух состояний (0 или 1) на квантовом уровне "размажется" - он как бы будет находиться в обоих состояниях одновременно, и можно говорить лишь о вероятности обнаружения его в одном из них (реально дело обстоит еще сложнее - согласно принципу суперпозиции квантовый бит будет представлять собой линейную комбинацию состояний классического бита). В этой ситуации принятая схема последовательных (детерминированных) вычислений перестанет работать. Но, может быть, можно найти другую?

Российский математик Юрий Манин (в настоящий момент - сотрудник исследовательского центра IBM) еще в 1980 году высказал предположение, что "квантовый шум", который в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превратится в препятствие для их нормальной работы, можно попытаться использовать для конструирования компьютеров нового типа, считающих по новым, "квантовым" алгоритмам. Тогда странная идея молодого ученого не вызвала в научном сообществе особого энтузиазма, но, когда через два года о заманчивых перспективах "квантовых вычислений" заговорил такой авторитет, как Ричард Фейнман, исследователи стали проявлять к новой области повышенный интерес. Фейнман привел достаточно убедительные аргументы в пользу того, что квантовые вычислительные системы не только возможны, но и благодаря принципу суперпозиции состояний битов окажутся гораздо мощнее классических. Грубо говоря, он показал, что один квантовый компьютер (цепочка квантовых битов) сможет работать как комбинация очень большого числа классических компьютеров, производящих вычисления одновременно.

В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета дал определение того, что такое "квантовый алгоритм", и параллельно обнаружил, что для некоторых задач он действительно просто фантастически ускоряет счет. Но пока все это выглядело достаточно умозрительно - ни конкретных алгоритмов, более эффективных, чем классические, ни технологичных вариантов реализации квантового компьютера в "железе" тогда никто ни предложил.

Решающий шаг сделал в 1994 году исследователь из Bell Laboratories Питер Шор, придумав первый квантовый алгоритм, при помощи которого можно взламывать так называемые шифры с открытым ключом (упоминавшаяся выше задача факторизации). Это произвело такое сильное впечатление на американских военных, что DARPA (Агентство перспективных военных исследований США) начало финансировать исследования по этой теме. Вскоре российскому физику Алексею Китаеву (сейчас он работает в Microsoft) удалось обобщить шоровский алгоритм, а уже через два года коллега Шора по Bell Labs Лов Гровер показал, что квантовые вычисления гораздо эффективнее классических не только при взломе шифров, но и при поиске в неупорядоченных базах данных (такая проблема возникает, например, при поиске нужного номера в телефонной книге, где фамилии абонентов расположены совершенно произвольным образом). И хотя оказалось, что есть класс задач, для которых квантовые алгоритмы не дают значительного ускорения вычислений по сравнению с классическими (одним из первых это показал российский исследователь Юрий Ожигов из МГТУ "Станкин", ныне работающий в Bell Labs), уже никто не сомневался, что компьютер, считающий по законам квантовой механики, - необходимый и решающий этап в эволюции вычисляющих устройств. Дело оставалось за малым - создать такой чудо-аппарат.

Компьютер в чашке кофе

Подобно классическому биту информации, квантовый бит, который с легкой руки американского физика Бена Шумахера теперь называют кубитом, теоретически может быть реализован на любой двухуровневой системе, например атоме, который может находиться в двух энергетических состояниях (первый и второй уровень будут соответствовать нулю и единице классического бита). Природа предлагает великое множество таких систем, но главное препятствие на пути построения квантового компьютера - внешняя среда, которая за довольно короткое время (называемое временем декогерентности) разрушает приготовленное квантовое состояние. Поэтому при выборе той или иной технологии hardware прежде всего принимается во внимание число "шагов вычисления", которое можно успеть совершить, пока декогерентность не разрушит процесс (к этому моменту результат вычислений должен быть "снят" и "переброшен" на другой квантовый компьютер). Например, хорошо изученная система на ядерных спинах успевает совершить "всего" десять миллионов шагов вычислений, а для системы с так называемой ионной ловушкой время декогерентности измеряется уже 10¹³ шагами.

Технологию счета на ядерных спинах окрестили "компьютером в чашке кофе", так как первый в истории кубит на ее основе был реализован на молекулах жидкости при комнатной температуре. Процесс вычислений, использующий явление ядерного магнитного резонанса, выглядит примерно так: для приготовления начального состояния включается внешнее постоянное магнитное поле, в результате чего спины атомных ядер занимают определенное по отношению к направлению поля положение (допустим, положение спина "по полю" соответствует значению 1, а обратная ориентация - нулю). Прикладывая теперь дополнительно переменное электромагнитное поле, можно избирательно управлять с его помощью поворотами ядерных спинов в соответствии с алгоритмом, организуя таким образом процесс квантовых вычислений. Модель квантового компьютера из двух кубитов, считающий по этому принципу, был построен в 1997 году на молекуле хлороформа группой исследователей из IBM, Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли. Впрочем, у технологии есть существенный недостаток: построение компьютера хотя бы из десятка таких кубитов потребует охлаждения молекул до температур, всего на тысячные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию).

Атомные или ионные ловушки выглядят более технологично благодаря недавно разработанному методу охлаждения и пленения атомов лазерным лучом (исследователь из Института спектроскопии РАН Владлен Летохов был одним из первопроходцев в этой области, правда, в 1997 году Нобелевский комитет решил почему-то присудить премию не самому Летохову, а его зарубежным последователям). Кубитом здесь служит атом или ион, который помещают в ловушку (изолируют и "подвешивают" с помощью электромагнитного поля или лазерного луча) и обстреливают лазерными импульсами. Управляя частотой и длительностью импульсов, мы организуем переходы пойманного атома из одного состояния в другое, то есть "считаем на энергетических уровнях".

Исследователи работают и над другими технологиями. Юрий Пашкин из ФИАН (сейчас работает в Japan Science and Technology Corporation), Йошико Накамура и Джан Цаи (оба из NEC Fundamental Research Laboratories) изготовили кубит на основе джозефсоновского контакта (тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника и пропускающий ток). Разрабатываются методы квантовых вычислений на основе мессбауэровских ядер, электронных квантовых точек в полупроводнике и Бог знает чего еще. При беглом знакомстве с литературой по этой теме (среди авторов довольно часто встречаются наши соотечественники, что, с одной стороны, радует, но с другой - огорчает, поскольку большинство из них трудится в зарубежных корпорациях) возникает ощущение, что на идею квантового компьютера работает чуть ли не вся современная физика. Какая из технологий станет для нового компьютера такой же общепринятой, как полупроводниковая для старого, пока неясно. Некоторые исследователи считают, что в итоге победит комбинация из нескольких направлений. Так или иначе, для создания полноценного квантового компьютера (хотя бы из сотни кубитов) еще предстоит сделать многое, но главное, по словам академика Камиля Валиева, что принципиальных запретов со стороны природы для достижения этой цели нет. Более того, удивляет, что идея появилась именно тогда (а это редкий случай в истории науки), когда для ее реализации уже сделано так много.

С пригоршней атомов

Один из отцов-основателей советской физики Абрам Федорович Иоффе любил повторять максиму: "Физика сегодня - это промышленность завтра". Однако по завершении национальных атомных проектов и недолгой технократической эйфории 60-х годов физиков все чаще стали упрекать в том, что они просто удовлетворяют праздное любопытство за чужой счет, далеко отойдя от насущных проблем человечества. Еще лет десять назад могло показаться, что инвестиции в исследования свойств атомного ядра, сверхпроводимости, квантовой оптики потрачены впустую. За редким исключением почти все внедренные в уходящем столетии в промышленность технологии имели мало отношения к "высокой" науке. Даже быстрое наступление постиндустриального уклада не изменило ситуацию - информационная революция не нуждалась в использовании странных порядков микромира, ведь сотовый телефон или настольный компьютер работают по вполне классическим законам.

Реальная возможность создания квантового компьютера позволяет взглянуть на дело по-иному: удовлетворяя свое "праздное любопытство", исследователи, может быть, и не задумываясь об этом, подготовили переход к новому технологическому укладу, и далекие от жизни и бизнеса научные результаты вдруг запахли большими деньгами. Уже в самом ближайшем будущем такие лабораторные изыски, как ядерный магнитный резонанс или джозефсоновский контакт, станут производственной рутиной. А потом квантовые компьютеры породят свою, квантовую, всемирную паутину с такими информационными и коммерческими возможностями, что сегодняшний Интернет покажется детской игрушкой. Доминирующее положение "постиндустриального" уклада, делавшего ставку на транзисторы, "классическое" программирование и закон Мура, продлится недолго, ведь для решения задач, ставящих в тупик самые мощные и дорогие машины, новым технологиям будет достаточно пригоршни атомов и лазерного луча.

© Эксперт, #17 (228) от 8 мая 2000