Вопреки досужему мнению, при решении большинства задач квантовый компьютер не будет работать быстрее традиционного. Более того, на выполнение одного рабочего хода (понятие тактовой частоты к нему неприменимо) ему понадобится существенно больше времени. Однако для квантового бита (кубита) характерно понятие суперпозиции: кубит в одну единицу времени равен и 0, и 1, а классический бит — либо 0, либо 1. Подобное свойство квантовых частиц одновременно находиться в нескольких состояниях обеспечивает параллелизм квантовых вычислений, что делает их в ряде задач эффективнее используемых сейчас технологий. Например, если квантовая память состоит из двух кубитов, то мы потенциально можем одновременно (!) работать со всеми ее состояниями: 00, 01, 10, 11. Таким образом, если в полупроводниковом процессоре одна операция может изменить до L переменных, то в квантовом регистре преобразуется до 2L-1 переменных. А из этого следует, что в случае задачи, идеально использующей его специфику, квантовый компьютер будет в 2L/L раз быстрее, чем классический.

На данном этапе известно всего несколько задач, решение которых облегчится с появлением квантового компьютера. Но так как они исключительно важны, их стоит упомянуть.

Исторически первым квантовым алгоритмом стал разработанный в 1995 г. американским математиком Питером Шором из Bell Labs (из ее стен вышло 12 нобелевских лауреатов по физике) алгоритм быстрой факторизации больших чисел. Его появление немало напугало банкиров и генералов от спецслужб, и вот почему. Все современные криптографические системы строятся исходя из предположения, что разложить на простые множители достаточно длинное число невозможно. Для того чтобы решить подобную задачу для N-битового двоичного числа, современным компьютерам требуется 2N единиц времени. А квантовый компьютер, использующий алгоритм Шора, справится с ней за время N3. Так, на поиск ключа к шифру на основе разбиения на простые множители 300-разрядного числа мощнейшая из существующих ЭВМ затратила бы около миллиона лет, а на подобную работу для 1000-разрядного числа ей понадобится 1025 лет (это время в миллиарды раз превосходит возраст нашей Вселенной). Квантовому же компьютеру на то, чтобы просчитать эту задачу, достаточно всего нескольких часов.

Значительный эффект от параллелизма вычислений квантового компьютера возможен и в такой важной задаче, как организация поиска в несортированной базе данных. Созданный Ловом Гровером, коллегой Шора из Bell Labs, алгоритм в наихудшем случае для нахождения нужного объекта потребует N1/2 запросов, где N — число записей в базе. То есть если классическому компьютеру для анализа 1000 записей понадобится 1000 же логических шагов, то квантовому вычислительному устройству хватит и 30. Таким образом, количество запросов окажется значительно меньше, чем будет проанализировано переменных. Фантастично, не правда ли?

Р. Фейнман указал на возможность использования квантового компьютера для расчета параметров квантовых систем. Квантовая система — это некоторый объект, свойства и особенности которого описываются квантовыми закономерностями. Типичная задача из этой области — расчет распределения электронной плотности в молекуле. Решить ее при помощи обычного компьютера невозможно из-за экспоненциального возрастания числа состояний системы с увеличением количества частиц. Квантовые же вычислительные устройства, используя возможность одновременной обработки большого числа переменных, будут справляться с ней с легкостью. А это позволит нам, например, моделировать молекулы лекарств, что поможет победить неизлечимые сейчас заболевания.

Огромным прорывом в области защиты информации станет организация квантовых линий связи, использующих знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. Он утверждает, что невозможно провести какое-либо измерение в квантовой системе, не внеся в нее изменений. А это означает, что любая попытка копирования информации из канала вызовет всплеск помех, который может быть зарегистрирован операторами.

Вот, в общем-то, и все. Как видите, квантовому компьютеру пока уготована исключительно узкая специализация. Однако вытеснить своего полупроводникового собрата у него все-таки есть шанс. Мы можем рассчитывать на широкое применение квантовых компьютеров в связи с тем, что математики умеют весьма ловко сводить алгоритмы одних типов к другим, равносложным. Так что решение проблемы искусственного интеллекта, новый уровень работы с графикой и видео, прорыв в математическом моделировании — все это может быть обеспечено появлением квантовых вычислительных систем.

Первый практический успех по построению квантового компьютера был достигнут в 1998 г. компанией IBM, сотрудники которой сумели создать двухкубитовую машину из молекулы хлороформа. Продолженные исследования позволили им объявить в 2001 г. о серьезной вехе на пути развития информационных технологий: созданный ими семикубитовый квантовый компьютер решил задачу о факторизации числа 15 при помощи алгоритма Шора, разложив его на 3 и 5.

Однако лидерами в создании квантового компьютера стоит считать разработчиков из группы профессора Марка Эриксона из университета шт. Висконсин в Мэдисоне: в августе этого года они объявили о том, что им впервые удалось смоделировать архитектуру квантового компьютера на основе кремниевой технологии. Их вычислительное устройство представляет собой массив квантовых точек в кремниево-германиевом полупроводнике; в каждой из этих точек локализован один электрон. В качестве кубита используется спин электрона. Управление системой осуществляется при помощи электростатических «затворов», при «открывании» которых электроны туннелируют.

На сегодняшний день в десятках научно-исследовательских центров по всему миру ведутся работы по реализации квантового компьютера на базе органических молекул и сверхпроводящих колец, на атомах фосфора, встроенных в кремниевую пластину, и квантовом эффекте Холла, джозефсоновском контакте и мессбауэровских ядрах. И хотя пока успехи впечатляют лишь специалистов, вера людей в победу и их целеустремленность заставляют надеяться — будущее будет выиграно нами!

Нанотехнологии и молетроника

Любой из известных нам предметов — всего лишь скопление атомов в пространстве. И будет ли это алмаз или горстка пепла, булыжник или чип компьютера, труха или спелый плод, определяется только способом их упорядочивания. Расположение атомов друг относительно друга порождает такие понятия, как дешевое и драгоценное, обычное и уникальное, здоровое и больное. Наше умение упорядочивать атомы лежит в основе любой технологии. В процессе развития цивилизации люди учились управлять все меньшими и меньшими группами атомов. Мы прошли долгий путь от каменных наконечников для стрел до процессоров, умещающихся в игольном ушке. Но наши технологии все еще грубы, и пока мы вынуждены оперировать большими, плохо управляемыми группами атомов. По этой причине наши компьютеры глупы, машины непрерывно ломаются, молекулы в наших клетках неизбежно приходят в беспорядок, уносящий сначала здоровье, а затем и жизнь. Настоящий же прорыв в эволюции науки произойдет только тогда, когда мы научимся управлять отдельными атомами.