123
Выбор редакции Новости Энергетика и экология

Алексей Устинов: Квантовый компьютер уже фактически строится

Вчера в Москве в рамках 3-ей Международной конференции по квантовым технологиям состоялась лекция руководителя научной группы Российского квантового центра (РКЦ), профессора института Карлсруэ, заведующего лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС Алексея Устинова «Квантовый компьютер: все еще миф или уже реальность?», во время которой ученый рассказал о квантовых технологиях, современных компьютерах и технологиях будущего.

Руководитель научной группы Российского квантового центра Алексей Устинов во время лекции «Квантовый компьютер: все еще миф или уже реальность?»

Руководитель научной группы Российского квантового центра Алексей Устинов во время лекции «Квантовый компьютер: все еще миф или уже реальность?»

В ходе лекции ученый в теории демонстрировал возможности квантовых частиц и их преимущества перед классическим способом получения и кодирования информации: «Совсем простой пример одного из квантовых алгоритмов. Задача: как определить, является монета настоящей или фальшивой. Такую задачу в свое время предложил решить Дэвид Дойч и алгоритм, который я хочу вам представить, называется алгоритмом Дойча или Дойча – Йожи. У нас имеется обычная монета: с одной стороны орел, с другой – решка. Если монета фальшивая, то у нее по ошибке может быть сделано две стороны одинаковые. Как мы можем определить, является монета настоящей или фальшивой? Классический способ — мы смотрим на монету с одной стороны, переворачиваем — смотрим с другой стороны. То есть смотрим ее два раза. Квантово-механический — мы можем создать суперпозицию, то есть наложение двух сторон при помощи создания вот такого квантового состояния, и фактически посмотреть на это квантовое состояние один раз. Оказывается, этого достаточно, чтобы определить является эта монета настоящей или фальшивой. Если одна монета – это непринципиально. Однако если монет много, то выигрыш в данном случае колоссальный. И данный алгоритм Дойче — Йожа обобщает эту идею на n кубитов. При этом алгоритм, который возникает, становится в 2 степени n раз более эффективным, чем классический. Если кубитов число имеется 10, то выигрыш, по крайней мере, получается в 1024 раза», — говорит Устинов.

Также была затронута тема безопасности передачи данных. Современные протоколы передачи данных — встроенные платежи, e-mail — используют единый классический способ шифрования под названием RSA – алгоритм шифрования с открытым ключом. Суть шифрования заключается в разложении какого-либо произведения чисел на множители с последующим применением одного из множетелей для осуществления всевозможных операций. Например, манипуляции с банковской картой: для того, чтобы использовать карту в банкомате, необходимо знать PIN-код, который является одним из множителей, а нужное нам произведение уже зашифровано в магнитной ленте. Так, правильно введенный PIN-код фактически дает доступ к информации благодаря второму множителю. В свою очередь неправильно введенный код (неправильный множитель) приведет к блокировке карты для обеспечения безопасности. Чтобы воспользоваться картой, необходимо подобрать правильный набор цифр, однако это долго и часто безрезультатно, поэтому в данном случае удобнее воспользоваться квантовым методом вычисления. «Существует алгоритм, который позволяет раскладывать большие числа на простые сомножетели намного эффективнее, чем это возможно на классическом компьютере. Этот метод позволяет выполнять разложение таких чисел не перебором, а другим методом, основанным на квантовом преобразовании Фурье, и за счет этого метода достигается увеличение быстродействия. То есть, если мы возьмем обычный компьютер и поставим перед ним задачу разложить 400-значное число, то, взяв даже самый мощный компьютер, для выполнения ему понадобится 10 млрд лет. При этом возраст вселенной примерно равен такому сроку. То есть задача является не решаемой на таком компьютере. Если поставить квантовый компьютер, то он должен это сделать за гораздо меньшее время, по оценке получается где-то 3 года. Конечно, он для этого должен иметь определенную мощность, однако в теории это возможно», — утверждает Устинов.

В целом, вопрос безопасности и ряд подобных проблем являлись и являются основными факторами на пути создания квантового компьютера.

Далее ученый рассказал о некоторых возможных вариантах реализации таких проектов, как создание квантового компьютера на основе фотонов или на квантовых точках (полупроводниковые структуры, на которые нанесены полоски металла, способные создавать элементарные возбуждения и состояния), использование квантовых симуляторов или дефектов в кристаллах. Но для разработки подобного устройства важен не только способ его реализации, но и уверенность в том, что, в конечном итоге, можно будет управлять и считывать информацию с этого устройства.

«Если бы лет 5 назад вы меня спросили, возможно ли построить квантовый компьютер, я, наверное, пожал плечами и сказал бы, что, наверное, удастся, – говорит ученый, — но есть столько интересной физики, что нам пока не до этого. Сейчас это все двигается в сторону инженерной деятельности, а вопросов фундаментальных по физике остается все меньше и меньше. Хотя, это все равно такая область, в которой вопросы всегда возникали и будут возникать».

В мире созданием самого мощного процессора на основе теоретических моделей помимо университетов и лабораторий занимаются и некоторые компании, например, Google. И, по мнению ученых, дело остается за технической частью реализации.

Кроме этого, существует компания D-Wave Systems, которая в мае 2011 года продала квантовый компьютер за $11 млн.

Фотография 128-кубитного чипа, сконструированного D-Wave Systems

Фотография 128-кубитного чипа, сконструированного D-Wave Systems

Но, по мнению Устинова, то, что построила компания D-Wave, вызывает много споров, поэтому ученые по всему миру тестируют возможности устройства в поисках их предела. Проблема, о которой говорят исследователи, – это неуверенность в том, что устройство полностью работает на квантовой энергии, так как создатели использовали неалгоритмический способ вычисления, в отличие от ведущих исследователей. Тем не менее, обладателями подобных устройств уже стали NASA, Google, Facebook и многие другие компании.

В России первые эксперименты с кубитами стали возможны после создания лаборатории в МИСиС в 2011 году. Годом позже была построена лаборатория РКЦ совместно с Институтом физики твердого тела (ИФТТ) РАН в Черноголовке.

Оборудование, на котором был получен первый в России сверхпроводящий кубит

Оборудование, на котором был получен первый в России сверхпроводящий кубит

«И вот буквально 2 месяца назад в сотрудничестве с группой МФТИ был изготовлен кубит и произведены измерения такого кубита, и это, на самом деле, большой шаг, потому что теперь мы можем изготовлять более сложные схемы для кубитов, что, конечно, активирует всю нашу молодежь, которая только пришла и с нами работает, — говорит Устинов. — Ответ на мой вопрос, миф или реальность, однозначный – это реальность, поэтому сейчас физикам пора идти домой, а инженерам прийти и строить такие устройства. Квантовый компьютер будет построен. Он уже фактически строится».

Об авторе

Валерия Щеголевская

Валерия Щеголевская

Главный редактор Russian IT World