Чтоб вам жить квантами...

Архив

Классические компьютеры существуют в двоичном универсуме, состоящем из нулей и единиц, то есть в мире понятий "выключено" и "включено". Здесь нет места многозначности. В квантовых же компьютерах все будет иначе: свою роль будет играть многообразие состояний атомов и молекул, состояний, которые описываются множеством параметров, одновременно включающих и единички, и нули. А вернее, определяющих такие понятия, для которых недостаточно ни нулей, ни единичек.

Но почему нам нужно ударяться в столь труднопостижимые странности? По единственной причине: квантовые компьютеры могут решать задачи, которые слишком сложны для двоичных арифмометров. Примерами таких задач является вскрытие зашифрованных данных, разработка новых средств поиска информации в больших базах данных, моделирование природных феноменов на макро- и микроуровнях (скажем для синтеза лекарственных препаратов) и т. п.

Проблема заключается в том, что тупо проделывать подобную работу бесполезно. Например, используя двоичные вычислители, невозможно за приемлемое время решить задачи факторизации - разложения больших чисел на простые множители. Исследователи работают с элементами, которые могут быть основой квантовых компьютеров, - с электронами, фотонами, с ионами в состоянии сверхпроводимости, даже с субстанциями, которые получили название "компьютерные жидкости" (по существу, это группы молекул, находящихся в состоянии сверхпроводимости, когда они обретают свойства, присущие квантовому состоянию вещества, отличающегося одновременным наличием как материальной, так и волновой формы существования).

Одной из особенностей квантовых носителей информации является то, что обращение к ним приводит к изменению состояния системы, что равносильно разрушению информации. Это обстоятельство гарантирует невозможность подслушивания: попытка доступа к зашифрованным данным приведет к их немедленному уничтожению. Другим свойством, ценным с точки зрения защиты информации, является "связность" (entanglement), которая заключается в том, что квантовые объекты - носители информации в определенных условиях зеркально отражают состояния друг друга, даже будучи сколь угодно далеко разнесенными в пространстве! Этот феномен известен как квантовая телепортация. На самом деле отражается только информация об объекте, а не сам объект. Таким образом, два корреспондента могут обмениваться сообщениями практически мгновенно и абсолютно защищенно.

Джон Прескилл (John Preskill), профессор Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), говорит: то, что раньше казалось совершенно нереальным, выглядит вполне возможным с учетом квантовой телепортации. Представим себе три фотона: A, B и C. Задача заключается в передаче информации о поляризации фотона A фотону C. Первым шагом является связывание фотонов B и C. После этого связываются фотоны B и A. Этот второй шаг меняет поляризацию фотона A, но не прежде, чем B воспринимает исходное состояние фотона A. На третьем шаге связанный с B партнер, то есть фотон C, изменяет поляризацию на обратную поляризации фотона B. Таким образом, поляризация фотона С становится идентичной поляризации A.

Исследование, проведенное Дэниелом Готтсманом (Daniel Gottesman) из Microsoft Research и Айзеком Чуанем (Isaak Chuang) из Альмаденского исследовательского центра IBM, позволило наметить пути решения двух принципиальных проблем, стоящих на пути создания квантовых компьютеров: трудности синтеза сложных квантовых систем и подверженности этих систем всякого рода внешним воздействиям.

Готтсман и Чуань сообщили, что они провели логические операции в одной из связанных систем, которые (операции) немедленно отобразились с той же точностью в другой системе. А по существу, это стало созданием самого первого в истории человечества квантового логического вентиля, или же программированием первого кусочка квантового кода.

Вспоминая свой любимый фантастический фильм "Муха" ("The Fly"), в котором исследователь перемещает себя в пространстве с помощью телепортационного устройства и при этом случайно заменяет собственную ДНК на генетический код мухи, Готтсман поясняет, что, учитывая биологические аспекты, такой сюжет невозможен. Но в аспекте квантовых телепортаций все это реально.

Возвращаясь к началу повествования, снова скажу, что должны быть созданы своего рода фабрики по производству квантового программного обеспечения, которое по высокоскоростным каналам будет поступать на исполнительные устройства - поглощающие и разрушающие эти питающие компоненты. Естественно, группы фотонов должны быть сертифицированы и иметь гарантию качества. Придется также задуматься о хранилищах для такого экзотического продукта. Исследователи подчеркивают, что сложные компоненты не должны подвергаться износу - их резервные копии (не квантовой природы!) должны храниться в архивах, откуда они будут поступать для обработки. В конце концов, обещает Прескилл, такие компьютерные системы будут представлять собой удаленные фотонные фабрики, изготовляющие рабочие продукты для компьютеров и подающие их, возможно, к вам на дом.

Как уже говорилось, в квантовом мире всякий факт чтения информации приводит к ее разрушению. Это значит, что после использования каждый бит данных будет безвозвратно утерян, то есть всякий раз придется снова и снова восстанавливать данные. А значит, понадобится создать механизмы многократного восстановления использованных данных. По словам Прескилла, эта потребность породит огромную, многомиллиардную отрасль индустрии.

Чтобы удовлетворить гигантский спрос на сохранность приватных данных, компаниям, работающим на рынке программных средств, придется создавать продукты, которые будут обеспечивать сохранность персональной информации - без утраты ее аутентичности и искажений. Тем не менее, в итоге квантовые компьютеры должны оказаться не более сложны и дороги, нежели обычные персоналки.