Архивная публикация 2002 года: "Гиперкостяшки"
Если, работая за самым современным и "навороченным" компьютером, вы думаете, что он гораздо лучше счетов с костяшками, то вы ошибаетесь. Компьютерная эра еще не началась, а ваш "комп" -- просто убогий арифмометр по сравнению с машиной, появления которой осталось ждать всего-то 10 лет.В основе любого, даже самого сложного агрегата лежит какой-то один очень простой принцип. "Двигатель" современных компьютеров -- электрический ток, точнее -- наличие или отсутствие электрического напряжения. И именно это кладет пределы быстродействию нынешних компьютеров. Для ускорения работы "умных" машин им нужен другой двигатель. Замену ученые уже нашли: место электрического напряжения займет управление колебаниями частиц (атомов, электронов) -- то, что ученые называют квантовым состоянием.
Пишите письма
Идея создания квантового вычислительного устройства появилась у целого ряда ученых еще в 50-е годы. Так что сейчас невозможно установить, кому здесь принадлежит первенство. Но доподлинно известно, что лишь к середине 90-х теория квантовых компьютеров и вычислений утвердилась в качестве новой области науки.
Глубокое погружение в подробности этого сверхсложного предмета в задачи нашей статьи не входит. Попробуем отразить лишь самые общие принципы, на основе которых ведется разработка квантового компьютера.
Работа обычного компьютера базируется на двоичной системе вычислений -- 0 и 1, которые соответствуют двум устойчивым, управляемым физическим состояниям: наличию (1) и отсутствию (0) напряжения тока. Например, каждая клавиша клавиатуры закодирована определенной последовательностью нулей и единиц (электрических сигналов), которые после нажатия обрабатываются процессором.
По существу, закодировать 0 и 1 можно разными способами. В 60-е годы разрабатывались идеи создания пневматического компьютера, где единицей должно было служить наличие давления, а нулем, соответственно, его отсутствие. Поскольку использование для этих целей электрического сигнала сулило более высокую производительность и компактность устройства, электрическое направление и победило.
Работа квантового компьютера строится на том же двоичном принципе. Только в этом случае 0 и 1 кодируются не при помощи электрического напряжения, а квантовыми состояниями атомных ядер или электронов. С точки зрения квантовой физики электрон имеет множество внутренних состояний. В частности, состояние, которое условно можно назвать вращением. Соответственно открывается возможность кодировать 1 и 0 как вращение в одну или другую сторону. Управлять этим процессом можно с помощью электромагнитного поля.
Но, пожалуй, самое главное и принципиальное значение имеет то, что управление одним состоянием одной частицы параллельно изменяет состояния других частиц. Если сделать эту зависимость управляемой, "скорострельность" компьютера сильно увеличится. Ведь задачу, которую классический компьютер решает последовательно в несколько циклов, квантовый компьютер решает в один цикл. Если представить классический компьютер в виде почтальона, доставляющего одно за другим письма по 10 адресам, то "квантовый почтальон" доставляет письма по всем 10 адресам одновременно. Отсюда -- возможность добиться феноменальной скорости работы.
Разницу в производительности классической и квантовой "машин" наглядно демонстрирует следующий пример. Для того чтобы разложить на простые множители (от 1 до 9) 250-значное число, самому мощному из сегодняшних компьютеров (10 млрд. операций в секунду) потребуется 800 тыс. лет, 1000-значное -- 10 в 25-й степени лет (для сравнения: возраст Вселенной оценивается в несколько миллиардов -- то есть меньше 10 в 10-й степени -- лет). А квантовый компьютер справится с этой задачей всего за несколько часов. Проблема заключается лишь в том, что ученые пока не научились должным образом управлять состояниями частиц. По различным прогнозам, массовое производство квантовых компьютеров должно начаться только через 10--20 лет.
Лидерами в области квантовой информатики на сегодняшний день являются США и Австралия, где работы в этой сфере масштабно финансируются как правительством, так и частными компаниями. Например, в Америке на исследования в области квантовых компьютеров Минобороны США и Агентство национальной безопасности ежегодно отчисляют около $100 млн. В России аналогичные исследования проводит несколько институтов, в частности Физико-технологический институт РАН (ФТИАН), Институт физики твердого тела РАН, Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и др. Наше правительство тоже финансирует такие работы, но, по понятным причинам, значительно скромнее. В целом на исследования в подобных областях -- квантовый компьютер, квантовая связь и нанотехнологии -- из бюджета запланировано выделить на 5 лет $100 млн.
Но следует отметить, что работы по созданию "архикомпьютера" носят международный характер. Например, ФТИАН участвует в соответствующих совместных проектах с Еврокомиссией по технологиям и франкфуртским Институтом физики. Постоянно идет обмен информацией с "компьютерными монстрами" -- IBM и Hewlett Packard.
Катастрофа по расчету
Главное, что привнесет внедрение квантовых компьютеров в нашу жизнь, -- колоссальное ускорение обработки информации.
По словам Юрия Ожигова, ведущего научного сотрудника Лаборатории физики квантового компьютера ФТИАН, доктора физико-математических наук, квантовая информатика сначала начнет менять сферу телекоммуникаций, в частности связь. Дело в том, что квантовые системы связи смогут обеспечить абсолютную защиту передающейся по ним информации от подслушивания, копирования и т.д.
Не вдаваясь в сложную терминологию, можно сказать, что одновременное применение разных состояний частиц даже теоретически исключает возможность подслушивания "квантового разговора". Наибольших успехов в области квантовой связи на сегодня добились английские ученые. В Великобритании уже сконструирована спутниковая система квантовой связи, способная передавать сигналы на расстоянии 60--65 километров в атмосфере. В настоящее время проводятся ее испытания.
Квантовые компьютеры в первую очередь будут занимать все те "рабочие места", на которых сегодняшние мощные компьютеры работают с информацией "особо крупных размеров". Например, одной из первых задач для квантового компьютера наверняка станет наиподробнейшее исследование генома человека, что позволит победить массу болезней. Вообще, в медицинской сфере у квантового компьютера будет много работы: моделирование живой клетки, ДНК, различных процессов из области биотехнологии и, как следствие, создание эффективных лекарств от неизлечимых ныне болезней.
Для решения инженерно-конструкторских задач будут востребованы такие качества квантовых компьютеров, как умение быстро выбирать оптимальное значение из гигантского количества вариантов, распознавание образов и многое другое. Появится возможность существенно уменьшать губительные последствия природных катаклизмов -- землетрясений, наводнений, тайфунов и т.д. Ведь квантовый компьютер сможет мгновенно обсчитать и проанализировать колоссальное количество мелких фактов и данных, сведение которых воедино и поможет предсказывать время и место наступления такие катастроф.
Десять лет спустя
Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня, но их работа пока похожа на заколачивание гвоздей логарифмической линейкой. Ввиду того, что современные технологии не позволяют полностью управлять состоянием частиц, надежных вычислений эти прототипы обеспечить пока не могут.
Одну из самых сложных разработок на текущий момент осуществила корпорация IBM. Впрочем, максимум на что способен IBM-овский образец, -- это разложить на множители число 15: на 2 и 3. Но, как говорится, лиха беда начало. По словам Юрия Ожигова, в последнее время результаты, достигнутые в области создания квантового компьютера, удваиваются каждые 3 года. И близок момент, когда должна появиться прорывная технология. Как только метод эффективного управления частицами будет открыт, начнется "квантовая экспансия". В Hewlett-Packard считают, что это случится буквально в ближайшие годы и уже через 10 лет квантовые информационные системы сменят ныне существующие.
Впрочем, останется место для подвига и "классическим" компьютерам. Никто не будет менять обычный ПК на квантовый, если требуется использовать машину для выполнения простых операций. В конце концов, как показывают исследования, около 90% находящихся в частном пользовании компьютеров используются как пишущие машинки или как игровые видеоприставки.
Если, работая за самым современным и "навороченным" компьютером, вы думаете, что он гораздо лучше счетов с костяшками, то вы ошибаетесь. Компьютерная эра еще не началась, а ваш "комп" -- просто убогий арифмометр по сравнению с машиной, появления которой осталось ждать всего-то 10 лет.В основе любого, даже самого сложного агрегата лежит какой-то один очень простой принцип. "Двигатель" современных компьютеров -- электрический ток, точнее -- наличие или отсутствие электрического напряжения. И именно это кладет пределы быстродействию нынешних компьютеров. Для ускорения работы "умных" машин им нужен другой двигатель. Замену ученые уже нашли: место электрического напряжения займет управление колебаниями частиц (атомов, электронов) -- то, что ученые называют квантовым состоянием.
Пишите письма
Идея создания квантового вычислительного устройства появилась у целого ряда ученых еще в 50-е годы. Так что сейчас невозможно установить, кому здесь принадлежит первенство. Но доподлинно известно, что лишь к середине 90-х теория квантовых компьютеров и вычислений утвердилась в качестве новой области науки.
Глубокое погружение в подробности этого сверхсложного предмета в задачи нашей статьи не входит. Попробуем отразить лишь самые общие принципы, на основе которых ведется разработка квантового компьютера.
Работа обычного компьютера базируется на двоичной системе вычислений -- 0 и 1, которые соответствуют двум устойчивым, управляемым физическим состояниям: наличию (1) и отсутствию (0) напряжения тока. Например, каждая клавиша клавиатуры закодирована определенной последовательностью нулей и единиц (электрических сигналов), которые после нажатия обрабатываются процессором.
По существу, закодировать 0 и 1 можно разными способами. В 60-е годы разрабатывались идеи создания пневматического компьютера, где единицей должно было служить наличие давления, а нулем, соответственно, его отсутствие. Поскольку использование для этих целей электрического сигнала сулило более высокую производительность и компактность устройства, электрическое направление и победило.
Работа квантового компьютера строится на том же двоичном принципе. Только в этом случае 0 и 1 кодируются не при помощи электрического напряжения, а квантовыми состояниями атомных ядер или электронов. С точки зрения квантовой физики электрон имеет множество внутренних состояний. В частности, состояние, которое условно можно назвать вращением. Соответственно открывается возможность кодировать 1 и 0 как вращение в одну или другую сторону. Управлять этим процессом можно с помощью электромагнитного поля.
Но, пожалуй, самое главное и принципиальное значение имеет то, что управление одним состоянием одной частицы параллельно изменяет состояния других частиц. Если сделать эту зависимость управляемой, "скорострельность" компьютера сильно увеличится. Ведь задачу, которую классический компьютер решает последовательно в несколько циклов, квантовый компьютер решает в один цикл. Если представить классический компьютер в виде почтальона, доставляющего одно за другим письма по 10 адресам, то "квантовый почтальон" доставляет письма по всем 10 адресам одновременно. Отсюда -- возможность добиться феноменальной скорости работы.
Разницу в производительности классической и квантовой "машин" наглядно демонстрирует следующий пример. Для того чтобы разложить на простые множители (от 1 до 9) 250-значное число, самому мощному из сегодняшних компьютеров (10 млрд. операций в секунду) потребуется 800 тыс. лет, 1000-значное -- 10 в 25-й степени лет (для сравнения: возраст Вселенной оценивается в несколько миллиардов -- то есть меньше 10 в 10-й степени -- лет). А квантовый компьютер справится с этой задачей всего за несколько часов. Проблема заключается лишь в том, что ученые пока не научились должным образом управлять состояниями частиц. По различным прогнозам, массовое производство квантовых компьютеров должно начаться только через 10--20 лет.
Лидерами в области квантовой информатики на сегодняшний день являются США и Австралия, где работы в этой сфере масштабно финансируются как правительством, так и частными компаниями. Например, в Америке на исследования в области квантовых компьютеров Минобороны США и Агентство национальной безопасности ежегодно отчисляют около $100 млн. В России аналогичные исследования проводит несколько институтов, в частности Физико-технологический институт РАН (ФТИАН), Институт физики твердого тела РАН, Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и др. Наше правительство тоже финансирует такие работы, но, по понятным причинам, значительно скромнее. В целом на исследования в подобных областях -- квантовый компьютер, квантовая связь и нанотехнологии -- из бюджета запланировано выделить на 5 лет $100 млн.
Но следует отметить, что работы по созданию "архикомпьютера" носят международный характер. Например, ФТИАН участвует в соответствующих совместных проектах с Еврокомиссией по технологиям и франкфуртским Институтом физики. Постоянно идет обмен информацией с "компьютерными монстрами" -- IBM и Hewlett Packard.
Катастрофа по расчету
Главное, что привнесет внедрение квантовых компьютеров в нашу жизнь, -- колоссальное ускорение обработки информации.
По словам Юрия Ожигова, ведущего научного сотрудника Лаборатории физики квантового компьютера ФТИАН, доктора физико-математических наук, квантовая информатика сначала начнет менять сферу телекоммуникаций, в частности связь. Дело в том, что квантовые системы связи смогут обеспечить абсолютную защиту передающейся по ним информации от подслушивания, копирования и т.д.
Не вдаваясь в сложную терминологию, можно сказать, что одновременное применение разных состояний частиц даже теоретически исключает возможность подслушивания "квантового разговора". Наибольших успехов в области квантовой связи на сегодня добились английские ученые. В Великобритании уже сконструирована спутниковая система квантовой связи, способная передавать сигналы на расстоянии 60--65 километров в атмосфере. В настоящее время проводятся ее испытания.
Квантовые компьютеры в первую очередь будут занимать все те "рабочие места", на которых сегодняшние мощные компьютеры работают с информацией "особо крупных размеров". Например, одной из первых задач для квантового компьютера наверняка станет наиподробнейшее исследование генома человека, что позволит победить массу болезней. Вообще, в медицинской сфере у квантового компьютера будет много работы: моделирование живой клетки, ДНК, различных процессов из области биотехнологии и, как следствие, создание эффективных лекарств от неизлечимых ныне болезней.
Для решения инженерно-конструкторских задач будут востребованы такие качества квантовых компьютеров, как умение быстро выбирать оптимальное значение из гигантского количества вариантов, распознавание образов и многое другое. Появится возможность существенно уменьшать губительные последствия природных катаклизмов -- землетрясений, наводнений, тайфунов и т.д. Ведь квантовый компьютер сможет мгновенно обсчитать и проанализировать колоссальное количество мелких фактов и данных, сведение которых воедино и поможет предсказывать время и место наступления такие катастроф.
Десять лет спустя
Прототипы квантовых компьютеров существуют уже сегодня, но их работа пока похожа на заколачивание гвоздей логарифмической линейкой. Ввиду того, что современные технологии не позволяют полностью управлять состоянием частиц, надежных вычислений эти прототипы обеспечить пока не могут.
Одну из самых сложных разработок на текущий момент осуществила корпорация IBM. Впрочем, максимум на что способен IBM-овский образец, -- это разложить на множители число 15: на 2 и 3. Но, как говорится, лиха беда начало. По словам Юрия Ожигова, в последнее время результаты, достигнутые в области создания квантового компьютера, удваиваются каждые 3 года. И близок момент, когда должна появиться прорывная технология. Как только метод эффективного управления частицами будет открыт, начнется "квантовая экспансия". В Hewlett-Packard считают, что это случится буквально в ближайшие годы и уже через 10 лет квантовые информационные системы сменят ныне существующие.
Впрочем, останется место для подвига и "классическим" компьютерам. Никто не будет менять обычный ПК на квантовый, если требуется использовать машину для выполнения простых операций. В конце концов, как показывают исследования, около 90% находящихся в частном пользовании компьютеров используются как пишущие машинки или как игровые видеоприставки.
МИХАИЛ СИДОРОВ
Подписывайтесь на PROFILE.RU в Яндекс.Новости или в Яндекс.Дзен. Все важные новости — в telegram-канале «PROFILE-NEWS».
