В считанные секунды расшифровать геном человека или предсказать погоду на несколько месяцев вперед со 100-процентной точностью. Все это сможет в будущем квантовый компьютер, разработка которого в России началась не так давно, но наши специалисты уже смогли попасть в группу мировых лидеров в этом направлении. Слова «квант», «кубит» у многих поначалу вызывают легкую оторопь — это что-то из области высокой физики, не для средних умов... Примерно так же многие воспринимали идею создания ПК в 50-х годах. Представим себя в образе тех пользователей-первооткрывателей.
В чем преимущество квантового компьютера по сравнению с традиционным? Где зарождается в России технология будущего и что из себя представляет? Об этом корреспондент «МК» узнал в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС», где недавно было создано и испытано «сердце» самого первого российского квантового компьютера.
Мы в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» МИСиСа, где под руководством профессора Алексея Устинова ведет активную научную работу сплоченный коллектив молодых ученых. Перед нами огромная установка, мало напоминающая компьютер.
-Это не сам компьютер, - словно угадав мои мысли, поясняет лаборант Евгений ГЛУШКОВ, - а его прототип. Точнее, компьютера пока вообще не существует, есть только его ядро, «сердце» под названием кубит.
Справка «МК». Квант — неделимая порция энергии (электрон или фотон), которая не может быть представлена с сотыми или тысячными долями. Квантовые объекты, такие как электроны или фотоны, обладают способностью находиться в нескольких местах одновременно.
Итак, небольшой ликбез. В чем отличие квантового компьютера от обычного? Сердце (или ядро) обычного компьютера — это транзистор — электронный прибор для преобразования электрических колебаний. Эти колебания могут быть разными по напряжению и передаваться в виде битов (разрядов). В знакомом нам ПК бит может принимать значение 1 или 0. Все операции по вычислению проводятся последовательно и логически.
Квантовый же компьютер — это противоположность нашему старому знакомому. В его вычислениях нет последовательности, его бит, то есть q-бит (кубит, или квантовый бит) может одновременно принимать все значения от нуля до единицы, а потому и вычисления могут идти параллельно друг другу в миллионах вариаций. В итоге вычислительные возможности увеличиваются во много раз.
-Получается, в сердце квантового компьютера стоит уже не совсем обычный транзистор? - задаю я вопрос научному сотруднику лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» Кириллу ШУЛЬГЕ — одному из пионеров новой технологии в России.
- Мы используем кубит (в данном случае, имеется в виду физический электронный прибор), который по своему назначению схож с обычным транзистором, но может иметь бесконечное число вариантов представления и хранения квантовой информации.
- Что наделяет его таким свойством?
- На первый взгляд в нем нет ничего особенного — это маленькое плоское алюминиевое кольцо. Но в обычном состоянии, при комнатных температурах, оно ни на что не годится. Весь фокус состоит в том, чтобы переведя его в сверхпроводящее состояние, превратить его в квантовый объект, ток в котором может течь как по часовой, так и против часовой стрелке одновременно. Это и позволяет нашему кубиту принимать одновременно значения нуля и единицы.
Для того, чтобы ввести проводник в «неопределенное» квантовое состояние, которое допускает множество вариантов вычислений, кольца алюминия охлаждают жидким гелем до температуры почти абсолютного нуля. Затем помещают в сверхточно настроенное слабое магнитное поле. Низкая температура подавляет различные шумовые помехи в этом магнитном поле, что позволяет общаться с кубитом посредством микроволн и считывать его ответ. Чтобы превратить кубит в математического гения, его, по словам Кирилла, надо постоянно поддерживать в этом квантовом состоянии, заставляя вести счет в сверхбыстром режиме.
Сложность в том, что в этом почти нереальном мире кубиты «живут» лишь микросекунды, а затем спешат вернуться в обычное «заурядное» состояние. Но и за этот миг они успевают просчитать сотни операций.
Собственно, особые температурные условия, в которых должны находиться кубиты во время работы системы, - это пока один из недостатков квантовых технологий. Для их поддержания необходимы специальные установки, громоздкое оборудование. Но ученые наверняка решат эту проблему в будущем.
Справка «МК». Кубит - квантовый бит или наименьший элемент квантовой информации (атом с двумя энергетическими состояниями, одной из возможных реализаций которого являются сверхпроводящие кольца, по которым ток может течь в 2-х направлениях одновременно).
Теперь о том, что собственно удалось достичь специалистам МИСиСа и Российского квантового центра.
Наши ученые смогли создать кубит-долгожитель, со «временем жизни» около микросекунды, что является одним из лучших результатов в мире для данного класса кубитов, и увидеть его квантовое состояние, то самое, в котором одна ячейка хранения информации сочетает в себе одновременно 1 и 0. Пока такой кубит используется лишь для разработки методов управления квантовыми объектами и исследования их необычных свойств. Однако уже в недалеком будущем квантовый компьютер с сотнями или тысячами подобных кубитов (чем их больше, тем выше скорость вычисления) сможет прогнозировать погоду на несколько месяцев вперед почти со 100-процентной точностью, создать искусственный интеллект и даже «вскрывать» самые сложные шифры, применяемые в защищенных сетях связи и протоколах.
Знаете, сколько требуется времени для того, к примеру, чтобы на самом мощном супер компьютере, какой стоит сегодня на территории МГУ им. Ломоносова, получить шифр к обычной кредитке? Этой машине, проводящей квадриллионы операций в секунду, потребуется на это более 15 миллиардов (!) лет. Это больше чем возраст Вселенной! Квантовому же компьютеру на это понадобятся часы... Но не спешите обвинять разработчиков в злых намерениях, - вероятность быстрого взлома шифра имеет и обратную сторону: кто может хорошо расшифровывать, тот сможет и усилить защиту.
Самая передовая вычислительная квантовая машина, созданная в Канаде под названием D-Wave (Д-Волна) начинена 512-ю кубитами. Ею уже пользуется оборонная компания Lockheed Martin, а в начале 2013 года D-Wave усилил вычислительные мощности Google. В МИСиСе пока создан экспериментальный чип с 7-ю сверхпроводящими кубитами. Но, как говорится, лиха беда - начало. Если бы наши технологии финансировались, как на западе, мы давно могли бы заткнуть всех за пояс. Отгадайте с трех раз, кто был основоположником теории создания квантовых компьютеров? Вы угадали — советский ученый. Математик Юрий Манин еще в 1980 году впервые предложил использовать квантовую систему для вычислений, однако первый прототип компьютера появился в 2001 году в Ванкувере.
