Компьютер, работающий тогда, когда он не работает

Автор: Олег Нечай
Опубликовано: 02 марта 2006 года
Источник: "Компьютерра"

В причудливом мире квантовой механики, области физики, приводившей в замешательство самого Альберта Эйнштейна, такие объекты, как электроны или фотоны, могут одновременно находиться в двух различных местах, как бы странно это не звучало, а квантовый компьютер может в одно и то же время работать и не работать. Благодаря этому парадоксу учёным из американского Университета Иллинойса удалось построить компьютер, который способен выдавать результат работы программы без запуска самой этой программы.

С точки зрения обычной логики создать такую вычислительную машину просто невозможно, однако подобные явления, свойственные для квантовой механики, начинают играть столь важную роль в высоких технологиях ближайшего будущего, что нам впору пересматривать свои представления о том, что считать нормальным, а что - странным. Таковы законы природы, и нам придётся к этому привыкать.

Квантовая механика - теоретическая область физической науки, которая изучает явления на уровне атомов, где процессы протекают во многом иначе, чем в нашем "большом" мире, с которым имеет дело человек. Современная наука приходит к выводу, что невозможно получить полные сведения о любой из элементарных частиц, включая её свойства местоположение, и любая информация о них лишь с некоторой долей вероятности является достоверной. Проще говоря, о некоей частице нам известно лишь то, что она как может находиться в некотором месте, так и может в нём не находиться. Такая поначалу пугающая неопределённость в действительности порождает самые смелые идеи, некоторые из которых подтверждаются опытным путём.

Эксперимент, проведённый учёными из Университета Иллинойса, потенциально способен дать новый толчок исследования в направлении создания квантового компьютера. Описание этого эксперимента появилось в журнале Nature, и немедленно вызвало море откликов, ведь теоретически квантовые компьютеры позволят осуществлять вычисления таких объёмов, которые потребовали бы миллиардов лет работы обычных полупроводниковых компьютеров, с которыми знаком сегодня каждый. Среди таких вычислений могли бы быть сложнейшие медицинские задачи, к примеру, приложения, точно симулирующие работу протеинов в теле человека. Кроме того, некоторые исследования показали теоретическую возможность создания практически невзламываемых шифров. Наконец, группа учёных из IBM под руководством Чарльза Беннетта обнаружила явление так называемой "квантовой телепортации", при помощи которого возможно воспроизводить характеристики световых частиц на расстоянии порядка мили (около 1,6 км) от их физического пребывания.

Многие физики для обозначения таких эффектов используют не слишком научное определение "квантовые пророчества". Несмотря на то, что квантовая теория с момента описания её основных положений Максом Планком столетие назад стала одним из наиболее удачных и точных направлением науки, многие великие физики заявляли, что эту теорию практически невозможно примирить со здравым смыслом. Тот же Эйнштейн не мог примириться с тем, что квантовая механика имеет дело лишь с вероятностью тех или иных явлений и фактов: "Бог не играет со Вселенной в кости", - заявлял он.

Профессор электроники, компьютерной техники и физики Университета Иллинойса Пол Квят, соавтор исследования в области квантовых вычислений, говорит, что его любимое изречение о квантовой механике принадлежит нобелевскому лауреату физику Мюррею Гелл-Манну: "Мы знаем как её (квантовую механику) использовать и как применять её для решения задач, и мы научились жить с тем, что никто не может её понять".

Квантовые компьютеры в силу своей природы непохожи на привычные нам ПК, которые обрабатывают информацию, закодированную в битах, каждый из которым может нести в себе либо 0 либо 1 двоичного кода. В "пророческой" машине каждый бит может одновременно означать и 0, и 1 - для этого используются такое свойство световых частиц фотонов или других элементарных частиц, как способность в одно и то же время находиться в различных физических состояниях. С ростом числа квантовых битов, компьютер может единовременно рассматривать больше комбинаций данных. По словам Квята, это открывает путь к созданию "квантового гения", который способен найти решения задач, которые не поддаются другим методам решения.

Благодаря квантовым компьютерам появится возможность молниеносных вычислений с очень большими числами, что, с одной стороны, позволяет создавать шифры, не поддающиеся дешифровке обычными способами, но, с другой стороны, даёт в руки злоумышленников, владеющих квантовым компьютером, ключи от любых кодов. Однако преимущества всё-таки перевешивают недостатки, поскольку появляется возможность создания таких шифров, разгадать которые в разумные сроки будет не по силам даже самим квантовым машинам.

Один из соавторов Квята по статье в журнале Nature, аспирант Университета Иллинойса Онур Хостен, говорит, что его всегда восхищали возможности использования "квантовых пророчеств" в обычном мире: "я много думал о том, насколько далеко могут нас привести эти явления", - заявляет он. В частности, благодаря явлению, которое Беннетт из IBM назывет "квантовой интуицией", и появилась возможность получения ответа на запрос даже без необходимости запуска соответствующей программы на квантовом компьютере.

Учёные отталкивались от того факта, что законы физики, позволяющие квантовым битам одновременно принимать значения 0 и 1, допускают создание компьютера, который в одно и то же время может и работать, и не работать. Это состояние двойственности называется суперпозицией, и оно лежит в основе теорий о сверхмалом.

Построенный для проведения эксперимента квантовый компьютер должен выполнять простую программу при помощи одного фотона. В специальной установке свет проходит через систему линз и зеркал и даёт ответ посредством отправки фотона к одному из нескольких световых датчиков. Однако в случае, если бы установка позволяла фотону ускользать в результате многочисленных отражений из поля зрения датчиков, то никакого ответа получить было бы невозможно. Тем не менее, Квяту и Хостену удалось выявлять закономерности потенциального взаимодействия компьютера и фотона даже в тех случаях, когда окончательные изменения показывали, что фотон вообще не перемещался по предполагаемому маршруту.

Квантовый запрос, который иногда называют измерением без взаимодействия, - это методика, которая позволяет использовать эту двойственную природу волновых частиц, которая именуется корпускулярно-волновым дуализмом, для поиска в определенном пространстве без необходимости доступа к этому пространству. Как показал эксперимент, два оптических интерферометра, расположенных в третьем, позволяют с успехом осуществлять поиск в четырёхэлементной базе данных с использованием так называемого Гроверовского алгоритма квантового поиска. При этом поиск осуществляется одновременно во всех элементах базы данных. На рисунке, позаимствованном нами из опубликованной в Nature работы, изображена схема оптической цепи, в которой реализован алгоритм поиска в базе данных из четырёх элементов.

Благодаря использованию системы зеркал и линз фотоны были приведены в состояние суперпозиции, занимая одновременно два положения. При том реально фотон находится лишь в одном месте, и это его положение определяет тот путь, который он мог бы пройти.

Согласно законам квантовой механики фотон существует одновременно в двух состояниях: в одном он прошёл через компьютер, а в другом - выскользнул из него. Два альтернативных пути даже влияют друг на друга, что в конечном итоге влияет на то, какой из датчиков света сработает. Именно это свойство позволяет получить информацию о результате вычислений, даже если, как показывают измерения, заданная программа вообще не выполнялась. Точнее, мы получим один из возможных ответов. По словам Хостена, ответ нам позволяет получить возможность работы такого компьютера.

На следующей схеме изображена оптическая система, позволяющая проводить поиск одновременно во всех четырёх элементах базы данных.

Хостен и его соавторы развили эту идею, представив более сложную установку с большим количеством оптических устройств, в которой фотон проходит через систему, напоминающую восьмёрку, и которая выдаёт ряд возможных ответов. В работе, опубликованной в Nature, доказывается, что такая установка позволяет сузить спектр возможных результатов к одному, при этом фотону, может, даже и не потребоваться выполнять написанную для него программу.

Согласитесь, даже общее описание предложенной учёными Университета Иллинойса установки звучит весьма необычно, и наш здравый смысл сопротивляется принятию таких положений. Как же так, компьютер даёт нам ответ на вопрос, который мы ещё даже не задавали? Сам Квят считает, что он не обязан понимать, что именно квантовая теория означает с точки зрения философского описания мира, однако квантовые явления позволили ему создать поистине сверхъестественный компьютер, способный в каждый отдельный промежуток времени выполнять огромное количество операций. Тем не менее, физики верят в то, что через какое-то время "квантовые предсказания" будут восприниматься даже школьниками как что-то настолько же естественное, как таблица умножения.

К сожалению, разработанная в Университете Иллинойса установка не поддаётся масштабированию, то есть, на её базе невозможно построить полноценный квантовый компьютер, однако положенная в её основу идея даёт возможность избавиться от самой главной проблемы квантовой механики - неопределённости. Благодаря достижениям группы Квята и Хостена появляется возможность свести к минимуму ошибки в квантовых вычислений, что делает реальным создание полнофункциональных квантовых компьютеров.

Мы не можем не поздравить американских физиков с успехом, поскольку их достижение имеет чрезвычайно большое значение для будущего высокопроизводительных вычислений. Очень может быть, что благодаря использованию квантовой механики, человек сможет носить в кармане компьютер, по производительности сравнимый с миллионами самых мощных современных суперкомпьютеров. Разумеется, для производства таких устройств будут использоваться нанотехнологии, недоступные сегодня. Наконец, столь высокая мощность позволит, наконец, создать искусственный интеллект, близкий по своим характеристикам и возможностям к человеческому.