Квантующие в темноте

Тренды
Москва, 21.02.2008
«Русский репортер» №6 (36)
Квантовые компьютеры, устройства с нетрадиционной логикой и непривычным быстродействием, могут совсем скоро сделать ненужными суперкомпьютеры. Не из-за избытка памяти или сверхмощных процес­соров, а просто потому, что мыслят совсем иначе. Возможно, даже так, как мы сами

В конце января научные сайты переписывали друг у друга новость: небольшая канадская компания D-Wave Systems получит $17 млн, чтобы в очередной раз перевернуть цифровой мир.

Всего год назад в Силиконовой долине D-Wave впервые показала публике квантовый компьютер Orion — прибор без оперативной памяти, жестких дисков и всего того, с чем обычно ассоциируется само слово «компьютер». Новый гаджет не отличается ни удобством, ни дизайном: это вытянутая трубка с микрочипами, которую к тому же приходится охлаждать жидким гелием.

Трубка, которая может взорвать мир

Если оценивать компьютерные достоинства терагерцами и гигабайтами, трубка, представленная D-Wave, выглядит и вовсе неубедительно: Orion, как было заявлено с самого начала, способен обрабатывать всего 16 единиц информации. Столько места занимают в компьютерной памяти две буквы.

И все-таки экспертам, собравшимся в Музее компьютерной истории, было на что посмотреть. В присутствии 400 человек трубка сыграла в логическую игру судоку, решила математическую головоломку о рассаживании гостей и подобрала молекулу с нужными свойствами в базе данных. Обычные компьютеры, несмотря на гигагерцы и терабайты, проделывают все это с трудом.

Одними головоломками удивить кого-либо сложно, но Orion — всего-навсего экспериментальная установка. Полноценный образец, говорят разработчики, сможет соревноваться с суперкомпьютерами уже через год.

Правда, многие их энтузиазма не разделяют. «В этом году в Калифорнии показали фильм, как в Канаде работает модель квантового компьютера. В Голливуде уже полвека снимают фильмы о звездных войнах», — говорит Михаил Вялый, специалист по теоретической информатике и соавтор первой книги про квантовые компьютеры на русском языке.

Получается, что эксперты спорят не о важности открытия, а о том, было ли оно действительно сделано. Ведь если было, результаты могут оказаться и интереснее, и опаснее звездолетов и бластеров вместе взятых.

Компьютерное инакомыслие

«Think different!» — этот слоган, придуманный фирмой Apple по совершенно другому поводу, подходит квантовому компьютеру как нельзя лучше. Он действительно думает иначе, чем все остальные вычислительные устройства — от изобретенной в позапрошлом веке счетной машины Чарльза Бэббиджа до Deep Fritz, сумевшего обыграть Крамника и Каспарова.

Самой идее больше 30 лет. Нескольких ученых (среди которых были нобелевский лауреат физик Ричард Фейнман и российский математик Юрий Манин) тогда посетила «пифагорейская» мысль, что простейшие процессы, происходящие в природе, — не что иное, как разновидность расчета. И яблоко не просто падает с дерева, а тем самым решает уравнение Ньютона.

Но квантовый компьютер работает в микромире, где яблоки падают совсем по другим законам. Новая физика началась с догадки, что свойства частиц меняются скачком — от уровня к уровню. Это не значит, что промежуточных состояний нет, просто приборы (из «большого», неквантового мира) регистрируют только старт и финиш. И это напоминает не столько падение, сколько езду на лифте с первого этажа в подвал: выйти в промежутке нельзя, а на табло в это время либо единица, либо ноль.

Но если лифт меняет положение со временем, то квантовая частица «размазана» по двум уровням одновременно. Физики называют такое состояние смешанным. Пара таких уровней — готовая ячейка для хранения информации. В терминах кибернетиков — бит. Точнее, кубит — квантовый бит. И с его квантовыми свойствами связано самое любопытное. Внутри одного кубита записан «вклад» обоих уровней в состояние частицы. Следовательно, кубит намного содержательнее бита.

Когда в дело включается измерительный прибор, от состава «смеси» зависит только вероятность оказаться «наверху» или «в подвале». Что появится на табло — ноль или единица, — в этом случае предсказать заранее нельзя. Измерение, говорят физики, приводит к коллапсу: из двух чисел получается всего один двоичный знак. И тот случайный, так что большая часть информации пропадает. Но пока коллапса нет, с этими числами можно поступать как угодно — разумеется, не выходя за рамки квантовых операций.

Специальные алгоритмы позволяют и сам коллапс сделать не таким разрушительным, но правильный ответ все равно не гарантирован. Иными словами, квантовый компьютер думает много и охотно, однако отвечает отрывисто и наугад.

Мысль в чистом виде

Ошибаться и рассуждать нечетко — слишком человеческое свойство. Так же, впрочем, как и умение с легкостью решать задачи, чрезмерно творческие для кремниевых машин. Математика Роджера Пенроуза и профессора-медика Стюарта Хамероффа это побудило искать сходство между квантовыми вычислениями и человеческим сознанием. Чтобы свести второе к первому, то есть доказать, что мозг мыслит «квантово», Хамерофф и Пенроуз придумали теорию оркестрованной объективной редукции (Orch OR).

По Пенроузу и Хамероффу, мышление сосредоточено в мик­роскопических квантовых компьютерах — белковых микротрубках внутри отдельных нейронов (а нейронные сети — просто вспомогательный механизм). Более того, Пенроуз даже выдвинул гипотезу, что несчитываемое приборами квантовое состояние и есть мысль в чистом виде. Ее «измерение», как уже было сказано, это коллапс. Так что тютчевское «Мысль изреченная есть ложь» — это в общем тоже про квантовую механику.

Пока у этих взглядов больше критиков, чем сторонников — и среди физиологов, и среди физиков. Первые замечают, что белковые микротрубки со всей своей вычислительной мощью вполне умещаются в организме бактерии, и в таком случае сознанием обладали бы все живые существа. Физики, в свою очередь, считают мозг слишком «теплым» и неподходящим для квантовых расчетов местом, потому что тепловое движение микрочастиц создает очень много помех.

Атомы об атомах

Фейнман и его единомышленники надеялись, что кубиты сумеют лучше ламп или транзисторов (на которых основаны традиционные ЭВМ) рассказать о других событиях микромира. Например, помогут выяснить оптимальные структуры лекарств или конформации белков. До сих пор на это уходили (и уходят) тысячи часов машинного времени в университетах.

Ожидания перешли в уверенность, после того как в 2005 году в американской Национальной лаборатории Беркли на эмуляторе квантового компьютера сумели рассчитать свойства двух простейших молекул — водорода и гидрида лития. Хотя эмулятор выполнялся на обычных компьютерах и даже работал в десятки раз медленнее стандартных программ, количество шагов расчета было рекордно малым.

Если бы круг задач ограничивался только этим, стоило бы рассчитывать на очередной «инженерный калькулятор» для пары десятков лабораторий. Вдобавок сами ученые-практики осваивать новую технику откровенно не готовы. «Есть, разумеется, десяток методов, где квантовые компьютеры могли бы что-то ускорить, — объясняет Александр Мос­ковский из лаборатории вычислительных методов химфака МГУ. — Но программы — даже для привычных компьютеров — пишутся долго, и ждать переворота со дня на день не стоит».

Точно так же рассуждали до появления первых вычислительных машин. Однако уже знаменитый ENIAC, предназначенный (формально) всего-навсего для составления баллистических таблиц, почти сразу пригодился разработчикам водородной бомбы.

 «В то время как ENIAC содержит 18 тыс. ламп и весит 30 тонн, компьютер будущего будет иметь не более 1000 ламп и весить только полторы тонны», — сообщал журнал Popular Mechanics в марте 1949 года. Представить себе Word, Excel, Photoshop и пасьянс-косынку разработчики первой ЭВМ, похоже, были не готовы.

В цифровом мире есть своя «водородная бомба». Это криптоанализ, то есть методы взлома шифров. Шифрами пользуются все. Быть радисткой Кэт для этого вовсе не обязательно — криптография встроена и в системы электронных платежей, и в львиную долю других программ. Сами того не зная, мы во многих случаях прибегаем к шифрованию, когда работаем с электронной почтой или заходим на какой-нибудь сайт.

С криптографией связан один из самых эффектных квантовых алгоритмов. В 1994 году математик Питер Шор придумал быстрый способ раскладывать числа на множители — фактически программу для квантового компьютера. Шифровальщики восприняли это как прямую угрозу своему ремеслу: теорема Шора позволяла взламывать за рекордно короткое время сообщения, закодированные методом RSA, который до сих пор остается самым распространенным в интернете.

Дело Питера Шора по сочинению программ для несущест­вующей ЭВМ продолжил американский физик Лов Гровер. Разрекламированный как пропуск в мир большого бизнеса для квантовых вычислений, алгоритм Гровера — это прежде всего универсальный «метод перебора», способный сверхбыстро обрабатывать базы данных. Например, если бы из всего человечества нужно было отобрать только говорящих на суахили блондинок определенного роста и возраста, квантовому компьютеру для этого потребовалось бы порядка 100 тыс. шагов (это примерно квадратный корень из количества людей на планете). Обычному — как минимум 7 млрд.

Такой алгоритм быстро нашел бы себе применение в обычной жизни. Проблема только в том, что нужное количество кубитов сумеют объединить в одном устройстве еще очень нескоро.

Кванты на стол

Все три десятилетия, прошедших с момента выхода статей Фейнмана и Манина, дело оставалось за малым — квантовый компьютер надо было изобрести. С одной стороны, квантовых систем в природе сколько угодно (а квантовой механике, отметим, подчиняется большинство объектов на Земле, включая изобретателей кубита и автора этой статьи). С другой — легкоуправляемые системы найти среди них очень трудно. Прежде всего потому, что «управлять» квантовой системой, то есть фактически вносить помехи, способны все остальные тела.

Изолировать кубиты от лишних воздействий пытались десятками способов — например, «подвешивая» отдельные атомы (точнее, ионы) в вакуумных магнитных ловушках и охлаждая приборы почти до абсолютного нуля.

В московском Физико-технологическом институте РАН для работы по этой теме выделена отдельная лаборатория. Детали для квантового компьютера производят в «чистой комнате». Здесь пятиметровые потолки и мощная вытяжка, а при входе надеваешь бахилы — такие же, какие выдают в больницах и музеях. «Это, конечно, не идеал стерильности, — говорит Владимир Лукичев, заместитель директора института по науке, — но все еще только в процессе создания».

Перед нами немецкий электронный литограф — приземистый куб с герметичной массивной дверью. На кремниевые пластины, помещенные внутрь куба, наносится слой окисла. Затем специальными способами «пробивают» в этом слое маленькие дырочки — такие, чтобы внутрь каждой мог лечь один ион фосфора. Каждый такой ион и будет кубитом — вычислительным элементом квантового компьютера.

Магнитные ловушки, куда собираются загонять ионы кальция, — второе направление. Ловушка будет выглядеть как микроскопическая канавка в кремниевой пластине, а вокруг расположатся электроды, генерирующие электромагнитное поле.

Лаборатория, объясняют нам, в одиночку не может сделать всю работу по созданию даже прототипа квантового компьютера: «Мы работаем со многими институтами. Да вот, в три часа как раз Камиль Валиев семинар собирает — придут, пожалуй, все, кто в Москве занимается этими вопросами». Сам академик Валиев, который разрабатывал еще первые советские компьютеры, при этом признает, что до российского квантового компьютера еще далеко. Пока не изготовлены даже отдельные кубиты — словом, все впереди.

В США, где всех специалистов по квантовой информации вряд ли соберешь на один семинар, продвинулись чуть дальше. Однако самое большее, чего там пока сумели добиться, — это по методу Шора разложить число 15 на сомножители. О результате в 2001 году рапортовали сотрудники IBM. Их  квантовый компьютер был 7-кубитным — и ничего более серьезного у корпорации нет до сих пор.

Тем удивительнее, что D-Wave, совсем недавно изготовившая 16-кубитный образец, в прошлом ноябре уже показала 28-кубитный. 512 и 1024 кубита обещают уже в 2008 году. Эти системы компания намерена продавать.

Правда, сами представители D-Wave признались в интервью, что «не уверены, является ли их компьютер по-настоящему квантовым». Как поясняет профессор Дейв Бэкон из Вашингтонского университета, для «образцовых» вычислений достаточно отдельных квантовых эффектов, которым не слишком сильно будут мешать посторонние шумы. А по-настоящему сложные задачи потребуют специальных шумоподавляющих приемов, которые в D-Wave, возможно, еще не успели придумать.

В любом случае обвинять компанию в сознательной фальсификации поводов нет. Те, кто способен объяснить другим, не менее компетентным физикам и математикам принципы работы своего прибора в терминах сверхпроводимости, вряд ли стали бы рисковать научной репутацией ради одной громкой акции с последующим разоблачением.

Непонятно другое: как небольшая группа ученых могла опередить корпорации-гиганты и просто университеты, чьи исследования на тему квантовой информации активно поддерживает, например, Министерство обороны США. Как всегда, ответ на этот вопрос есть у сторонников теории заговора: именно потому, что технология уже разработана и секретна, о ней не готовы заявить во всеуслышание. Тем более что наверняка те, чьи шифры собираются взламывать, перестанут в таком случае ими пользоваться.

Почем кванты для народа?

Как бы ни обстояли дела с «секретными ЭВМ», о которых любят говорить конспирологи, практически все признают: идея квантовых вычислений слишком разумна, чтобы рано или поздно не стать действительной. Еще год назад пессимисты преобладали: из 700 экспертов, опрошенных Институтом будущего (IFTF) и журналом IEEE Spectrum, 78% заявили, что на разработку коммерческого квантового компьютера потребуется больше полувека. Изобретение D-Wave по крайней мере дает повод надеяться на иной исход. В конце концов, если Пенроуз и Хамерофф правы, внутри каждого из нас квантовый компьютер уже есть. Осталось подобрать правильную программу.

Фото: архив пресс-службы; Akg/East News; Spl/East News; Spl/East News;

Кошка Шредингера

Мысленный эксперимент, демонстрирующий странности кубитов (точнее, гипотезы, что квантовое состояние «коллапсирует» только в момент наблюдения) придумал еще в 1934 году Эрвин Шредингер. Запрем, предлагал он, в черном ящике кошку, ампулу синильной кислоты и атом изотопа с 50-про­центными шансами распасться.

Если распад произойдет, ампула разбивается и кошка гибнет. Но пока ящик не вскроют (то есть не вмешается наблюдатель), кошку необходимо считать «ни живой, ни мертвой» — дру­гими словами, размазанной по двум состояниям, как и атом.

Ионная ловушка — своего рода «одиночная камера» для частицы. Электромагнитное поле в вакууме позволяет ей не сближаться с остальными: двигаться по замк­нутой траектории или вовсе висеть неподвижно. Так, по словам физиков, квантовое состояние можно какое-то время поддерживать неизменным. Иначе оно «испортится» от взаимодействия с окружающей средой — случится декогеренция.

Волновая функция — то, что заменяет квантовым объектам привычное описание: координату, энергию, импульс. В смешанных состояниях они просто не определены. А волновая функция задает вероятность, с которой замер этих характеристик окончится так или иначе. Так, «пики» на картинке соответствуют местам, где частица «скорее всего» объявится перед наблюдателем.

Кубиты и топология

На рисунке – фрагмент кубита, каким его представляют математики. Для них это сложный топологический объект — расслоение Хопфа. Пропорции в «смеси» уровней описывают парой комплексных чисел, а этой паре отвечает точка на трехмерной сфере в четырех измерениях. (Поэтому «квантовый коллапс» можно воображать как хлопок, с которым в четырехмерной Вселенной лопается мыльный пузырь.) Сфера «расслоена» на окружности, и каждой отвечает свое физическое состояние. Если «стянуть» окружности в точки, то «бублики» превратятся в параллели на обычной, двумерной сфере.

У партнеров

    «Русский репортер»
    №6 (36) 21 февраля 2008
    Лекарства
    Содержание:
    Фотография
    Вехи
    Путешествие
    Фотополигон
    Реклама