Демиург N 2 2021

В.С. Заборовский

О квантовых вычислениях         Прогресс развивается одновременно по многим направлениям. Но какие-то из тем выступают на первый план и некоторое время сильнее всего прочего будоражат воображение. Например, в 1920-30-е годы такими были химия и радио. В 1950-60-е – ядерная физика и космос. Сегодня это цифровые технологии, и одна из самых горячих тем здесь – квантовые компьютеры. В лентах информационных агентств то и дело мелькают сообщения о достижениях различных фирм и организаций в их разработке и описываются светлые перспективы их применения. Со времен создания первых компьютеров, вначале электромеханических, действующих как система реле, переключателей (в сущности, таких же, как те, что тогда использовались на телефонных станциях), вычислители (так переводится на русский слово «компьютер») работали на принципах двоичного счисления. Все данные в задачах представлялись в виде череды нулей и единиц, что соответствовало положению переключателя вкл/выкл. Совершенствовалась элементная база компьютеров: появились ЭВМ, в которых роль переключателей вместо реле взяли на себя вакуумные радиолампы, затем п/п транзисторы, затем чипы, то есть сначала МИС – малые интегральные схемы, потом БИС – большие интегральные схемы, потом СБИС – сверхбольшие интегральные схемы...
        Словом, количество элементов на единицу объёма всё увеличивалось и увеличивалось, производительность всё росла и росла. Но принцип оставался всё тем же: вкл/выкл, нуль/единица, да/нет. Однако человечество в своем неукротимом беге по пути познания осознало, что обсчитать хочется вообще всё, но есть вещи, которые при таком подходе за разумное количество времени не обсчитаешь. Это, например, современные шифры, точное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций, системы искусственного интеллекта. В 1980-х годах благодаря работам выдающихся умов, как Пол Бениофф, Юрий Манин, Ричард Фейнман, появилась надежда, что эту неприятность можно обойти, применив для вычислений квантово-механические принципы.
        Если говорить предельно просто, суть заключается в том, что переключатель находится одновременно и в состоянии «вкл», и в состоянии «выкл» – во всех возможных состояниях. Это явление называется квантовой суперпозицией и иллюстрируется знаменитым мысленным экспериментом Эрвина Шрёдингера с котом, сидящим в ящике: мы не знаем, жив кот или мертв, пока этот ящик не откроется. Элементарная единица информации в классическом компьютере называется бит. В квантовых устройствах – это квантовый бит, сокращённо кубит (физически можно использовать, скажем, электрон или фотон). Они основаны на двух чётко определенных базисных состояниях некоей квантовой системы (спин для электрона или поляризация для фотона), которые можно принять за 0 и 1 («квантовое состояние нуль», «квантовое состояние единица»).
        Но этими двумя состояниями дело не ограничивается: принцип суперпозиции, если отвлечься на секунду от котов, состоит в том, что если квантово-механическая система может находиться в каких-то состояниях, то она может находиться и в любой суперпозиции этих состояний. То есть, если представить себе привычный двоичный переключатель нуль-единица как отрезок прямой, у которого имеют значение только крайние точки, то кубит – это сфера, нуль и единица – это её северный и южный полюса, но при этом существуют и имеют значение и все остальные точки на поверхности сферы, другие возможные состояния.
        Иными словами, для квантовых алгоритмов открываются возможности, которые для бинарных систем просто не существуют. Важно, что при измерении состояния кубита мы получаем не оттенки значений, а снова двоичный код: да и нет, нуль и единица. А квантовый алгоритм – это всё посередине между моментом инициализации начального состояния системы и измерением её конечного состояния. И для того, чтобы получить какие-то значимые результаты, кубитов должно быть множество и они должны взаимодействовать друг с другом. Осталось только реализовать захватывающую идею на практике. В 2000 году американский физик-теоретик Дэвид ДиВинченцо сформулировал условия, необходимые для того, чтобы построить квантовый компьютер. Их называют «критерии ДиВинченцо», и их пять:
        1. Нужно иметь масштабируемую физическую систему, то есть систему из чётко определяемых кубитов с одинаковыми свойствами, где число кубитов может быть произвольным и есть возможность индивидуальной адресации кубитов.
        2. Мы должны иметь возможность «инициализировать фидуциальное состояние (фидуциальное состояние – основанное на доверии и принятое за основу сравнения)», то есть попросту уметь приводить кубиты к некоей отправной точке измерений.
        3. Нужно обеспечить длительное значимое время декогеренции. При декогеренции квантовая система взаимодействует с окружающей средой, так что её квантовое состояние неконтролируемо изменяется. А наблюдать любой физический объект можно, только когда он взаимодействует с окружающей средой, в случае наблюдения за квантовой системой энергия воздействия сравнима с энергией самой системы. И вот нужно, чтобы система не теряла нужные для производства вычислений параметры, пока вычисления не будут закончены и считаны.
        4. Нам нужен универсальный набор квантовых логических вентилей (они же «гейты», от английского gate – «ворота»), то есть базовых элементов, которые входные состояния кубитов преобразуют в выходные по некоторому закону. Серия этих вентилей, как правило одно-двух-кубитных операций, и представляет собой код, который выполняет квантовый процессор.
        5. Конечно, если не имеем возможности считывать полученный результат, всё остальное бесполезно. И пятый критерий ДиВинченцо – это способность кубит-специфичного измерения, то есть мы должны уметь измерять конечное состояние каждого кубита, поскольку в основе квантовых вычислений и лежит процесс изменения квантового состояния кубита.
        Квантовые компьютеры можно построить:
        – на основе квантовых точек на полупроводниках – в качестве логических кубитов используются либо зарядовые состояния (электрон есть или его нет), либо направление электронного и/или ядерного спина в квантовой точке;
        – на сверхпроводниках – логический кубит – присутствие/отсутствие куперовской пары в пространственной области (куперовская пара – связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов);
        – на основе ионов в вакуумных ловушках (или атомов в оптических ловушках) – в качестве логических кубитов здесь используются основное/возбужденное состояния внешнего электрона в ионе;
        – на основе фотонов – кубит – поляризация (горизонтальная и вертикальная или правая и левая циркулярная).
        На пути реализации технически состоятельных конструкций квантового компьютера, основанного на любом из принципов, стоит огромное количество трудностей, которые инженеры с присущим Homo sapiens хитроумием и настойчивостью постепенно преодолевают. Но когда будут надёжно обеспечены основные требования – высокая точность измерений состояний кубитов и защита от внешних воздействий, сказать трудно. Стабильность систем, где в связанном состоянии находится множество кубитов, тоже остаётся под вопросом: чем больше кубитов в системе, тем труднее обеспечить стабильность. А для того, чтобы квантовые вычислительные системы бесспорно доказали своё превосходство над ныне существующими «классическими», они должны состоять из десятков связанных кубитов, работающих без срывов и с малым числом ошибок.
        С начала разработки квантовых компьютеров прошло очень немного времени. Но уже сейчас хотелось бы разобраться не только в том, как она будет осуществляться, но и к чему приведёт. Хотя, если взглянуть, сколько времени прошло от электромеханических счётных машин, которые занимали бескрайние залы и считали не намного быстрее логарифмической линейки, до нынешнего состояния дел, окажетмя всего-то лет пятьдесят... Здесь полезно вспомнить изречение Соломона: «Что было – уже есть, и чему быть – уже было». На самом деле прогресс идёт не так, как пишут в СМИ. Первые идеи механических вычислений восходят к античным временам. А в средние века, в XIII веке, был такой монах Раймунд Луллий – он все эти логарифмические линейки ещё тогда сделал. Жаль, что потребителей не было...
        В 1832 году Семён Николаевич Корсаков написал статью о создании машин, сравнивающих мысли. Этот человек до того, как придуманы были все компьютеры, придумал, как писать программы. Он даже создал свои машины в «железе». И на самом деле всё, что мы сейчас имеем, это развитие гениальных мыслей, высказанных много-много лет назад... Вот техническая база, да, изменилась: сначала были лампы. Потом транзисторы: микроэлектроника – ура-ура! И как-то мы вроде были счастливы все эти годы: элементы всё уменьшались и уменьшались, мощность росла и росла. Мы помним суперкомпьютер DeepBlue, который победил чемпиона мира по шахматам Каспарова в 1997 году – так теперь игровая приставка Sony PlayStation в 150 раз мощнее, чем DB.
        Но оказалось, что нам всё-таки мало. И самая горячая тема сейчас – квантовые вычисления. Но здесь сменой «железа» обойтись не получится! Да, вычисления идут с немыслимыми скоростями! Но основаны они на другом, довольно загадочном принципе!... А самая загадочная часть реальности – наше сознание. Часть, которую формальными математическими методами не описать. Сознание не алгоритмизируется! Возникает вопрос: а есть ли ещё что-то, что не алгоритмизируется? Есть. Это, прежде всего, квантовая механика, механика, построенная на анализе пространства возможного, а не состоявшегося. Главный её принцип – это принцип дополнительности. Правильное объяснение сложного квантовомеханического процесса возможно только тогда, когда в этом объяснении используются взаимоисключающие понятия: квантовая частица – это и частица, и волна. В нашей обычной логике один и тот же объект не может быть и частицей, и волной: это принципиально другая сущность. Так вот замысел квантового компьютера заключается в очень простом применении этой другой сущности.

«Мубит» кота Шрёдингера         Что такое современный компьютер? Это устройство, которое считает, и устройство, которое запоминает. Если бы удалось всё это совместить, то был бы получен колоссальный эффект параллельного выполнения операций. Так вот считается, что если квантовый компьютер заработает, то можно будет колоссальным образом ускорить расчёты. Однако всё, что происходит в квантовом мире, вероятностно: есть объективная вероятность получить некоторое значение, но нельзя гарантировать, какое именно значение будет получено, оно будет из пространства возможностей. Если эти вычисления многократно повторить, получится некоторое устойчивое в статистическом смысле значение, и тогда его можно будет взять за истинное. Да, это выглядит ненадёжно. Потому что усреднение не учитывает новые данные, появившиеся за время обсчёта этого усреднения. Поэтому квантовый компьютер – это некий прототип аналогового не цифрового вычислителя, который доставляет ответы, используя возможности того, что называется квантовым параллелизмом, но сами ответы носят вероятностный характер. Когда речь идёт о вероятностях, следует понимать, что это объективное свойство реальности. Оно может быть состоявшееся и не состоявшееся. Вся наша физика построена на том, что состоялось. Но реальность наша включает и то, что ещё не состоялось – это главное отличие нашего мышления от физического процесса: физика не использует такого понятия, как «информация»...
        Есть интересное высказывание физика Джона Арчибальда Уиллера. Он говорил: «Я думал, что всё вокруг меня – материя. Потом, когда я стал повзрослее, я понял, что всё вокруг меня – энергия. А теперь я утверждаю, что всё вокруг – информация». «It from bit» – вся материя построена из информации, вот его цитата. Это, конечно, колоссально подрывает примитивную картину мира. То есть получается, что мир не состоит из причин и следствий, он состоит из интенции и реализации. Принцип дополнительности в этой философии состоит в том, что нельзя говорить ни о материальном, ни об идеальном. Правильный ответ: и то, и то. Это не привычно, но это так! Поэтому, есть класс задач, где квантовые компьютеры не только могут, но и должны быть применены.
        В общем случае их применение связано с тем, что их результаты являются случайными, и надо иметь серьёзные аргументы, чтобы случайными результатами пользоваться на практике. Важнейший постулат естествознания заключается в том, что всё уже есть – надо только разглядеть то, что надо. Принципы не меняются. Конечно, элементную базу надо делать получше: нужна большая память, значит, к ней нужно уметь быстро обращаться. Воспроизводить архитектуру современного компьютера, используя квантовые технологии, глупо, потому что это совершенно другая возможность.
        Это суперпозиция. Причём суперпозиция не обязательно физических состояний. Главную идею такой суперпозиции можно понять на примере интернета. Ведь интернет – это не физическая, это логическая сеть, и потому ей совершенно всё равно, какие каналы связи используются. У неё есть только логический интернет-адрес и виртуально-транспортное соединение. Это виртуальная сеть. Количество подключённых к ней людей, – это, в принципе, миллиарды, если между ними всеми городить физические каналы связи, такая сеть не существовала бы, она была бы слишком сложной. А в интернете возникают виртуальные соединения по мере надобности. Виртуализация – в логическом, информационном смысле – это магистраль развития всех коммуникационных технологий.

Комментарий редактора: В статье профессора, доктора физ-мат. наук В.С. Заборовского, всю свою научную жизнь занимавшегося кибернетикой и информатикой, всё-таки проскальзывает ностальгия по временам, когда дважды два было точно четыре, а «не больше трёх и меньше пяти». Все мы пользуемся глазами, которые видят мир с точностью до микрон, со школьных времён приучены к декартовым координатам и детерменизму, а тут «... есть объективная вероятность получить некоторое значение, но нельзя гарантировать, какое именно значение будет получено, оно будет из пространства возможностей»... Всё дело в том, что настала пора отказаться от детерминизма и понять, что живём мы в вероятностном мире, обладающем туннельными эффектами, мгновенными перемещениями и мгновенными изменениями состояний... Мы со скрежетом зубовным признали сперва дуализм фотона, потом электрона и даже протона. Более того, научились строить электронные и протонные микроскопы, но за истекшую сотню лет так и не признали вероятностный характер собственного окружения... Мировые константы иррациональны, солнечная активность, землетрясения, цунами, извержения вероятностны... Даже ДТП с электросамокатом на прогулке в парке возможно, но не предсказуемо!.. Такова данность и хотим мы или нет, но пришла пора к ней привыкать, а квантовые вычисления – короткий путь в тот самый мир, который «не состоит из причин и следствий, он состоит из интенции и реализации»...

В оглавление