Есть ли пределы развитию компьютерной индустрии? С учётом темпов этого развития за последние полстолетия поневоле складывается довольно радужное впечатление о перспективах дальнейшего совершенствования информационных технологий. Хотя не далее, как в 2007 году небезызвестный Гордон Мур заявил, что его закон, предсказывающий удвоение числа транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые два года, судя по всему, совсем скоро перестанет действовать по банальной причине атомарной природы вещества и ограничения скорости света…
О возможностях преодоления упомянутой выше скорости спорить пока что не будем, но в отношении атомов очень даже возможно, что дело обстоит далеко не так печально. Ведь как ещё в середине 1980-х, когда персональные ЭВМ только начинали свой триумфальный путь на смену мэйнфрэймам, утверждал ещё более знаменитый американский физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман (1918–1988): «Похоже, что законы физики не представляют никакого предела уменьшению размера компьютеров вплоть до того, что биты станут величиной с атомы и властвовать начнёт квантовое поведение».
Собственно, квантовые компьютеры, которые отчасти преодолевают ограничения атомарной природы вещества и о которых на ITC.UA подробно рассказывалось ещё целое десятилетие назад, существуют на бумаге вот уже лет так тридцать с лишним, благодаря исследованиям всё того же Фейнмана, выдвинувшего идею такого устройства в 1981 году, – хотя даже чуть раньше и независимо от него это сделал уроженец Симферополя математик Юрий Манин. Напомним, что в «обычных» компьютерах носители, от перфокарт и транзисторов, содержат в себе информацию, закодированную в двоичной системе счисления: наличие или отсутствие отверстия, индукция магнитного поля больше или меньше пороговой величины и просто состояния «вкл. / выкл.» переводятся в биты, состоящие из нулей и единиц.
Внутренний вид «квантового компьютера» от IBM.
Квантовые аналоги «битов», именуемые «кубитами» (от quantum bit – что, кстати сказать, во многих языках удачно совпадает по звучанию с древнегреческой и древнеримской единицей измерения длины, аналогом «локтя»), как носители информации компьютера качественного иного типа отличаются способностью к так называемой «суперпозиции» – умению находиться сразу в обоих состояниях (условно говоря, «1» и «0») одновременно, но только до тех пор, пока такое состояние не будет измерено. В теории такая странная особенность субатомных частиц вот уже почти столетие служит предметом многих споров и сложных гипотетических ситуаций, вроде знаменитого (и очень несчастного) «кота Шрёдингера», вынужденного быть одновременно и живым, и мёртвым в коробке с радиоактивным веществом, в котором возможный распад одного из атомов причиняет активизацию смертельного яда. Однако на практике такие малопонятные свойства атомов давно уже используются – и сфера компьютерных технологий тому не исключение.
Хитрость заключается в том, что если в самом начале вычислений перевести систему, состоящую из квантовых носителей информации с внесёнными исходными данными, в состояние суперпозиции, такие вычисления будут производиться для всего полученного набора данных параллельно – то есть, с огромным ускорением в решении задачи. Правда, возникает проблема измерения таких вычислений – поскольку, подобно тому, как и кот Шрёдингера, если открыть коробку и «посмотреть» на его состояние, всегда окажется в результате либо живым, либо мёртвым, так и «кубиты» при измерении их данных смогут дать нам лишь один ответ, не смотря на весь «параллелизм» предшествующих этому измерению вычислений. А потому, при всех достоинствах и невиданных преимуществах такого рода ЭВМ, использовать его получится далеко не для любых расчётов.
В 1990-х годах было предложено сразу несколько возможных схем работы квантового компьютера, названных именами выдвинувших их учёных. Так, алгоритм Питера Шора из Bell Laboratories предусматривает, что нас может интересовать не вся последовательность значений функции, а только её период, куда более доступный для измерения. Зато при помощи этого алгоритма на квантовом компьютере можно с небывалой скоростью – где-то в 100 млн. раз быстрее! – решить задачу факторизации, то есть определения простых множителей больших чисел, что, в свою очередь, позволяет чуть ли не моментально расшифровывать криптографические алгоритмы с открытым ключом, поскольку существующие ныне RSA-криптосистемы как раз и строятся на недоступности этой задачи текущим мощностям обычных ЭВМ.
Элемент квантового компьютера в представлении художника: нанотрубка с фуллеренами – молекулярными соединениями в виде футбольного мяча и с атомами азота внутри, которые и выступают в качестве «кубитов». © 2013 Karl Nyman; OxfordQuantum.org.
Получается, что квантовые компьютеры никак не могут претендовать на место обычных, электронных, – они способны выступать скорее дополнением к ним, организуя помощь в решении особого рода задач. Так что перспектива скорого обзаведения карманными квантовыми ПК для домашних пользователей пока что оказывается весьма отдалённой – тем более что и на пути простого воплощения идеи вычислительных машин на основе кубитов имеется немало препятствий. Во-первых, чтобы «запустить» решение любой задачи на квантовом компьютере, сначала нужно произвести, что называется, «инициализацию» кубитов, приведя их в «нулевое», исходное состояние, – а для этого в свою очередь требуется охлаждение носителей информации до температур, близких к абсолютному нулю. Стало быть, существовать устройства нового типа могут лишь в особых криокамерах с экстремальной заморозкой.
Во-вторых, – и эта проблема намного более сложная, – квантовые биты, – столь же подвержены ошибкам в вычислениях, как и обычные ЭВМ. На середину 1990-х годов уровень ошибок достигал запредельных десяти процентов – тогда как теоретически допустимым значением является 0,0001%. В настоящее время учёным удалось снизить этот показатель до уровня менее одного процента, – и хотя работы предстоит ещё немало, по умеренно оптимистическим прогнозам достичь удовлетворительной работоспособности квантовых компьютеров планируется уже где-то в начале 2020-х годов.
Сотрудница IBM осматривает криостат с новым прототипом коммерческого квантового процессора внутри.
Упомянутые ошибки происходят по причине явления, которое называется «декогерентизация», – или, проще говоря, потеря связи между двумя взаимодействующими частицами. Причём это как раз ещё одна уникальная особенность субатомных элементов, способная принести немало пользы при условии использования кубитов в качестве носителя информации: квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в связанном (или, по выражению всё того же Шрёдингера, «спутанном» – entangled) состоянии, в котором они неким образом зависят друг от друга. Другими словами, квантовое состояние одной частицы не может быть описано отдельно от другой (например, если показатель «спиральности» у первой из них оказывается положительным, то у второй он обязательно будет отрицательным), а значит – измерение одной из частиц будет означать и моментальное прекращение «неопределённости» в отношении её пары.
Теоретически такая «спутанность» сохраняется на любом расстоянии: данное явление передачи квантового состояния от одной частицы к другой получило название «квантовой телепортации» (которая имеет мало общего с телепортацией в смысле обыденного – фантастического – словоупотребления). Последние актуальные эксперименты в этой области были проведены китайскими учёными в июне 2017 года: при помощи специального спутника, передающего фотоны инфракрасного света, был продемонстрирован феномен сохранения взаимодействия связанных квантовых частиц на рекордном расстоянии в 1203 км. Так что если даже между «членами пары» и происходит какое-либо скрытое взаимодействие, то его скорость должна во много раз превышать ту самую скорость света, которая – как принято считать – накладывать непреодолимое ограничение в том числе и на дальнейшее развитие компьютерных технологий! Впрочем, как глубокомысленно советовал по этому поводу уже неоднократно упоминавшийся Р. Фейнман: «Я думаю, можно с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику… По возможности не задавайтесь вопросом: «Но как же так может быть?» – потому что вас «засосёт» в такой тупик, из которого ещё никто не выбирался».
«Мо-цзы» – первый в мире спутник, предназначенный для квантовой передачи информации по каналу связи, гарантированно защищённому от хакеров. В июне 2017 года он смог транслировать «спутанные» фотоны на станции, расположенные в китайских городах Дэлинха и Лицзян, физическое расстояние между которыми составляет 1203 км.
Руководитель китайской группы учёных, специалист по квантовой «связанности» Цзянь-Вэй Пань, настроен весьма оптимистически: по его уверениям, в ближайшие пять лет будет запущено ещё несколько спутников такого рода, а к 2030 году квантовая связь станет международной, так что можно будет говорить и о настоящем «квантовом интернете». Большинство других учёных более осторожны в своих выводах – так, канадский физик Томас Дженневейн считает, что само понятие «квантовый интернет» пусть и звучит красиво, но пока что остаётся не очень-то определённым, да и сама технология пребывает ещё во младенчестве: управлять квантовыми сигналами на достаточном для передачи информации уровне учёные на данный момент не умеют. «Мо-цзы» стоимостью в сотню миллионов долларов способен только транслировать и принимать пучки квантов, но не хранить в памяти информацию, – а поскольку усилению квантовые сигналы, в отличие от обычных электронных, не подлежат, то для намеченного покрытия Земли сетью спутников потребуется не только их радикальное удешевление, но и разработка не существующих ещё репитеров, – и далеко не факт, что все эти гипотетические достижения смогут увидеть ныне живущие поколения.
Собственно, «квантовый интернет» вряд ли способен привнести что-либо принципиально новое в процесс передачи информации по каналам дистанционной связи: для общения между людьми обычных «единиц» и «нулей» вполне достаточно, и привлечение суперпозиции и спутанности ничего к этому не прибавит. Ведь раз уже любое измерение квантовой системы меняет её состояние, «квантовая информация» не может быть скопирована традиционным образом; другое дело, что точно так же, как квантовые компьютеры представляют собой потенциально полезное дополнение к электронным вычислительным устройствам, предназначенное для скоростного выполнения специфических задач, – так и в области связи «квантовый интернет» может выступить специализированной версией «обычного». И прежде всего – более защищённой и безопасной, поскольку не только декодирование, но и зашифровка сообщений оказывается сильной стороной именно квантов.
Фотоснимок кристалла со «спутанными» фотонами. © Félix Bussières; University of Geneva.
Перспективную идею такого использования квантовых компьютеров в области коммуникации подал в 1991 году Артур Экерт, британский учёный (в хорошем смысле этого словосочетания) польского происхождения, специалист по части как квантовой физики, так и криптографии, продемонстрировавший на бумаге, каким именно образом феномен квантовой спутанности может служить для достижения небывалого уровня безопасности в деле шифрования сообщений. Речь идёт, в частности, о том, что один из двух связанных фотонов передаётся на дальнее расстояние, где взаимодействует с третьей частицей, причём состояние этого третьего фотона передаётся не только второму, с которым он непосредственно встречается, но и мгновенно «телепортируется» к его близнецу, фотону №1. Благодаря этому свойству достигается передача секретных сообщений: когда двое людей обмениваются «спутанной» парой частиц, квантовое состояние – своего рода «информация», пусть и не в полноценном смысле этого слова, – передаётся между ними без какого бы то ни было материального носителя и непосредственного взаимодействия, что буквально исключает возможность перехвата таких сведений третьим лицом.
Не самая простая для понимания схема устройства «квантового интернета».
В настоящее время несколько компаний уже предлагают и коммерчески доступные устройства, основанные на применении такого рода криптографии. Например, швейцарская idQuantique ещё в 2007 году обеспечивала технологию кодировки при передаче результатов голосований на выборах из Женевы в Берн, объявив, что полная безопасность и защита транслируемых данных гарантирована железными законами физики. Правда, те особенности поведения квантовых частиц, благодаря которым «подсмотреть» их состояние невозможно, ибо это будет означать изменение такового, а значит, факт «перехвата» сразу же станет известным, – эти особенности делают практически бессмысленной передачу информации таким «самоуничтожающимся» образом, но зато позволяют применить отличный способ обмена ключами для расшифровки закодированной информации, передаваемой уже обычным способом. Данная технология называется «квантовым распределением ключей»: после того, как ключи переданы и подтверждены, – а значит, никто не смог «подсмотреть» их по пути, иначе изменение в состоянии частицы было бы очевидно, – можно приступать к шифрованию информации и её непосредственной трансляции, которая, таким образом, будет сопряжена с минимумом возможных рисков.
Конечно, практикуемый на данный момент вариант квантовой технологии не лишён и ряда недостатков: хакеры даже рапортовали в своё время об успешном взломе «предельно безопасного» канала связи, – хотя учёные и уверяют, что все возможные утечки были связаны с техническими ошибками в реализации теоретически неуязвимого квантового кодирования (которые ими постоянно устраняются по мере совершенствования технологий). Другая проблема несколько менее приятна: текущая версия коммерческой реализации квантового распределения ключей требует дорогостоящего серверного оборудования и оптического кабеля, передаётся по этому последнему в тысячу или даже в десять тысяч раз медленнее обычной информации и не далее, чем на расстояние в 100 км. Так что остаётся только дожидаться гипотетического внедрения квантовых репитеров, чтобы если и не транслировать информацию, то передавать ключи для дешифровки при помощи спутников, подобных «Мо-Цзы».
Прогнозируемое использование квантовых спутников Квантовое распределение ключей.
Как можно увидеть результате этого небольшого обзора, проекты, основанные на закономерностях квантовой механики, – по крайней мере, пока что – далеки от того, чтобы представлять собой новую революцию в области информационных технологий. Квантовые компьютеры и тем более «квантовый интернет» даже в теории и на бумаге не столько заменяют, сколько дополняют собой ныне существующие способы вычисления и передачи данных. Первые оказываются слишком уж сложными в обслуживании специализированными, предназначенными для решения определённых задач, а потому больше подходят для «облачных» вычислений, уже практикуемых некоторыми «пионерами», – а вторые потенциально способны помочь в достижении высочайшего уровня безопасности трансляции информации по сети, но требуют ещё немалого усовершенствования. Тем не менее, как сообщает в своих последних победных рапортах IBM, её проектом тех самых облачных вычислений на сравнительно небольшом квантовом компьютере уже воспользовалось более 60 тысяч пользователей, проведших 1,7 с лишним миллионов квантовых экспериментов. А значит, вполне вероятно, что новые открытия не за горами.