Швейцарский физик: через 10-20 лет квантовые компьютеры станут реальностью
Знаменитый швейцарский физик Николя Жизан, глава прорывного женевского эксперимента по передаче квантовой запутанности фотонных пар по оптоволокну, выпустил новую книгу "Квантовая случайность: нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса". В этом научно-популярном труде автор доступно излагает все главные законы и тайны мира квантовой физики через призму игры Белла. Это воображаемый эксперимент, показывающий теоретическую возможность сверхсветовой передачи информации с использованием запутанных частиц, а также подтверждающий, что события в удаленных точках Вселенной непосредственно зависят друг от друга.
Жизан также рассуждает о практическом применении законов квантовой физики, прогнозируя появление универсальных квантовых вычислительных систем уже через 10-20 лет. На самом деле, квантовый компьютер - одна из самых актуальных тем физики и неотъемлемый атрибут будущего. Нынешние вычислительные системы далеки от совершенства и неспособны решать многие задачи. Самый наглядный пример, который используют, объясняя, для чего нужен квантовый компьютер - задача коммивояжера. В ней нужно за оптимальное время рассчитать наилучшие варианты передвижения человека. Если мест назначения немного, скажем пять, вычислить кратчайшую траекторию несложно. Число вариантов для 15 точек составит уже 43 589 145 600 и если на оценку каждого тратить одну секунду, перебор всех возможностей займет 138 лет.
Задачу коммивояжера не способен решить ни один из существующих ныне суперкомпьютеров. Подобные проблемы, не решаемые за разумное время, называются NP-полными, и они играют важную роль в самых разных сферах, включая банковскую систему, космическую отрасль, логистику и пр. Единственная машина, которая могла бы справиться с NP-полными задачами за считанные секунды - это квантовые компьютеры, существование которых предрек в начале 80-х выдающийся физик Ричард Фейнман.
Тогда как классический компьютер оперирует информацией, выраженной в битах, квантовый использует кубиты. Благодаря тому, что кубит может одновременно существовать во многих состояниях, квантовый компьютер легко справляется с задачами, требующими перебора. Он анализирует множество состояний одновременно, позволяя значительно сократить время решения. Еще одна сложная задача для квантовых компьютеров, недоступная обычным системам - моделирование новых материалов. Просчитать, как именно будут взаимодействовать молекулы в листе проектируемого материала, не могут даже гигантские суперкомпьютеры. Поэтому эта отрасль развивается так медленно.
На самом деле, многие сомневаются в возможности создания квантовых компьютеров: самая "мощная" на сегодня квантовая система способна решать лишь предельно простые задачи. И, тем не менее, физики не теряют оптимизма: ведь на пути создания квантовых компьютеров было немало принципиальных сложностей, которые до определенного времени казались непреодолимыми, но постепенно решились. Так, главным препятствием было малое время когерентности - то есть то время, в течение которого кубит остается в состоянии суперпозиции, а не изменяет его произвольно из-за внешних воздействий.
Когда кубит пребывает определенное время в неизменном состоянии, исследователи успевают убедиться, что компьютер не наделал ошибок, а если они все же есть, их успевают вовремя исправить. Физики уже нашли несколько путей продления когерентности, самым перспективным из которых считаются логические, или сложные кубиты, когда состояние одного из них передается нескольким другим. То есть, одно состояние кодируется несколькими физическими носителями. На такой подход ученые возлагают наибольшие ожидания.
Сторонникам квантовой революции приходится решать не только "старые" проблемы, связанные с созданием квантовых систем, но и преодолевать новые препятствия. Так, недавно австрийские физики из университета Вены пришли к заключению, что работу всех устройств, использующих квантовые эффекты, может серьезно ограничить гравитация. Порождаемое гравитацией, в том числе и притяжением Земли, замедление времени способно нарушать квантовые связи между объектами и заставлять их вести себя в соответствии с законами классической, а не квантовой физики.
В том, что гравитация действительно влияет на время, физики уже не единожды убедились. Доказано, что в присутствии гравитационных полей время течет неоднородно: чем сильнее поле, тем медленнее идет время, а в некоторых местах, например, в области черных дыр, оно вообще стоит. Существование этого феномена было неоднократно подтверждено в процессе экспериментов. Как выяснилось, даже при очень слабых гравитационных полях, квантовые связи начинают нарушаться. Австрийские ученые утверждают, что избежать подобного распада невозможно.
Эту гипотезу опроверг Николя Жизан, который считает, что в развитии квантовых вычислительных устройств гравитация не будет играть никакой роли. "Между гравитацией и феноменом запутанности частиц действительно существуют интересные связи, которые еще предстоит изучить, но гравитация не способна ограничивать мощность и размеры квантовых компьютеров", - говорит он.
По прогнозам ученого, первые универсальные квантовые компьютеры, способные производить сложные операции, могут появиться в течение ближайших двадцати лет: для их создания осталось решить лишь некоторые технические проблемы. При этом Жизан при этом отмечает, что уже в ближайшие годы появится множество квантовых вычислителей-симуляторов, способных решать частные конкретные задачи. Такие устройства станут промежуточным этапом в создании полноценных квантовых систем.
Кстати, уже сегодня за $11 млн. можно приобрести квантовый компьютер канадской фирмы D-Wave, содержащий тысячу кубитов. Его уже купила Google, хотя корпорация работает над созданием собственной квантовой машины. Правда, мнения по поводу D-Wave неоднозначны. В частности, ученые сомневаются, что устройство все время работает в квантовом режиме. Кроме того, они говорят, что взаимодействие кубитов в D-Wave во многом пущено на самотек, что не может гарантировать правильность решений.
