Все, что вы хотели знать о квантовых компьютерах, но боялись спросить

Научная лаборатория компьютерной компании НИКС уже много лет занимается исследованиями в области нанотехнологий. И, разумеется, мы не могли пройти мимо такого события, как IV Международная конференция по квантовым технологиям, которая прошла в Москве в июле 2017 года. Публикация, посвященная этой модной теме, получилась достаточно объемной, поэтому тем, кто любит науку не только глазами, но и ушами, могут познакомиться с ее видеоверсией: https://youtu.be/MRfLwutYqvQ

Гвоздем программы форума стала лекция руководителя лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» компании Google и NASA, профессора Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джона Мартиниса, собравшая вечером в пятницу 1300 человек, среди которых были не только ученые, но и представители российских финансовых кругов: ВЭБа, Сбербанка, Газпромбанка. Мы полагаем, что неограниченному кругу читателей nix.ru будет интересно узнать, почему даже разговоры о квантовых компьютерах привлекают к себе столько внимания и что мешает этим разговорам превратиться в реальность. Давайте же рассмотрим наиболее расхожие представления о квантовых компьютерах и выясним, как дело обстоит на самом деле.

Миф №1: квантовый компьютер может делать то же самое, что и обычный, но гораздо быстрее

Что нам рассказывают

В последнее время развитие вычислительной техники замедлилось. Знаменитый закон Мура, с 1975 года успешно предсказывавший удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 24 месяца, к началу 2010-х годов перестал выполняться. Не растет и тактовая частота процессоров, застывшая на уровне 5 ГГц. Это связано с фундаментальными ограничениями, к которым начали приближаться разработчики электронной компонентной базы. До 2000 года размеры транзисторов действительно уменьшались каждые два года вдвое. Если бы эта тенденция сохранилась, к 2017 году этот параметр дошел бы приблизительно до 0,4 нм, то есть до размера восьми атомов водорода, а в действительности сейчас еще только ведется подготовка к выпуску процессоров с размером транзистора в 5 нм, что в 100 раз больше атома водорода. В общем, развитие вычислительной техники, на котором в значительной мере основывался прогресс науки и техники последних десятилетий, замедлился. Считается, что квантовый компьютер сможет помочь этой беде. Недаром свою лекцию профессор Мартинис назвал «Квантовый компьютер: жизнь после закона Мура».

Слово профессору Мартинису: «Электрон может находиться одновременно в разных точках своей орбиты. С точки зрения законов классической физики это просто не имеет смысла, но именно благодаря этому… мы можем одновременно рассчитать какую-то задачу при 0 и при 1… Два кубита могут дать нам четыре состояния, которые происходят одновременно. Каждый раз, когда мы добавляем кубит, вычислительная мощность увеличивается в два раза. Если у вас будут 300 кубитов, то это больше состояний, чем атомов во Вселенной. Я вас уверяю, что классический компьютер такого размера никогда не будет создан, даже в Google».

Комментарий nix.ru

Профессор из Санта-Барбары прав: квантовый компьютер – это очень круто. Вопрос только в том, что воспользоваться его преимуществами можно лишь с помощью специальных квантовых алгоритмов. Широко известны пять таких алгоритмов, однако практический смысл есть только у двух из них – у алгоритма Шора и алгоритма Гровера, а экспоненциальное ускорение расчетов дает только один – алгоритм Шора. А вот если вы захотите произвести самый обыкновенный расчет с использованием четырех основных действий арифметики, на которых и строятся решения бессчетного числа практических задач, то квантовые вычисления вам не помогут. Для сложения, вычитания, умножения и деления известны лишь классические, «цифровые» алгоритмы.

Разумеется, квантовый компьютер вполне может «притвориться» обычным и использовать стандартные алгоритмы, но для этого его волшебные кубиты должны принять значение 0 или 1, то есть стать обычными битами. В итоге квантовый компьютер из 300 кубитов, который еще недавно вмещал всю Вселенную, по своим возможностям станет равен обычному компьютеру из 300 битов. Напомним, что в любом современном смартфоне таких битов – миллиарды. Сказать, что квантовых компьютеров с таким числом «битых» кубитов не создадут никогда, будет преувеличением, но сделают это еще очень нескоро. Даже в Google. И прежде всего потому, что в этом нет абсолютно никакого смысла. Такой компьютер не будет ни компактнее, ни дешевле, ни быстрее обычного, даже если в роли кубитов будут выступать отдельные атомы.

Полупроводниковый процессор Intel прекрасно работает у вас в кармане, а для его имитации с помощью кубитовой системы, даже построенной на отдельных атомах, требуется сложное и громоздкое криогенное оборудование с охлаждением до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля, вакуумные камеры, сверхчистые помещения, лазеры, дорогие материалы, сложнейшие приборы для измерения квантовых состояний, управляющий всей этой машинерией обычный компьютер плюс изоляция от любых воздействий, поскольку нарушить тончайшие квантовые связи может не только проезжающий за окном трамвай, но и любой «чих» на другой стороне планеты. Миниатюризировать эту морозильную камеру до размеров, цены и практичности обычного компьютера, не говоря о лэптопе, в обозримом будущем вряд ли удастся.

Но самое главное, никаких преимуществ собственно в скорости счета это все равно не даст. Квантовый компьютер с триллионом кубитов будет умножать 2 на 2 в лучшем случае с той же скоростью, что и обычный. Только за очень большие деньги.

С этим соглашается и сам Джон Мартинис в своей лекции: «Создать полезный квантовый компьютер будет очень сложно. Нет гарантии, что мы это сделаем. Тому есть множество технических причин, но, возможно, самая интересная причина в том, что у нас есть классический компьютер».

Миф №2: квантовый компьютер взломает «цифровые коды» и ввергнет мир в хаос

Что нам рассказывают

«Функционирующий квантовый компьютер гораздо страшнее атомный бомбы», – заявил на московской конференции генеральный директор компании Acronis и сооснователь Российского квантового центра Сергей Белоусов. Вспоминается И.В. Сталин и его «эта штука посильнее «Фауста» Гёте…».

Хотя при решении большинства практических задач квантовый компьютер никаких преимуществ по сравнению с обычным не дает, все же есть несколько алгоритмов, которые используют его специфические возможности. Один из них в самом деле позволяет получить результаты, которые обычными расчетами добиться нереально. Его предложил в 1994 году американский математик Питер Шор, кстати, приезжавший в 2010 году в Россию и посетивший лабораторию НИКСа. Именно после опубликования алгоритма Шора в мире возник ажиотажный спрос на квантовые компьютеры. Шутка ли, ведь теоретически он позволял взламывать шифр RSA, который используется в банковских картах, в цифровых подписях, в криптовалютах и для защиты информации в интернете в целом.

В RSA-кодировании используется тот факт, что перемножить два даже очень больших простых числа легко, а вот обратная операция – разложение целого числа на простые множители, требует от обычных компьютеров огромных затрат времени. Создатели кода RSA подсчитали, что для разложения на множители 1024-битного числа, состоящего из 309 десятичных знаков, требуется около 1,5 х 10²⁹ операций. Пиковая производительность самого мощного на сегодняшний день суперкомпьютера Sunway TaihuLight (КНР) составляет 93 петафлопса, то есть он делает приблизительно 10¹⁷ операций в секунду. Это значит, что на решение задачи по взламыванию 1024-битного кода ему потребуется 47 565 лет.

Но и это еще не все. Даже если отбросить проблему времени счета, обычному компьютеру решить вышеописанную задачу не удастся, так как для этого потребуется энергия, эквивалентная взрыву 10 миллионов 100-мегатонных водородных бомб (см. врезку).

Мощность обычного современного процессора составляет около 100 Вт, то есть он потребляет порядка 100 Дж/с. При этом его тактовая частота равняется 4 ГГц, что соответствует 4 х 10⁹ операциям в секунду. Таким образом, на каждую операцию требуется 2,5 х 10^-8 Дж. Получается, что для выполнения 1,5 х 10²⁹ операций, необходимых для разложения 1024-битного числа, понадобится 3,75 х 10²¹ Дж. Энергия взрыва 1 кг тротила равна 4,2 х 10⁶ Дж. То есть потребная для разложения 1024-битного числа энергия в тротиловом эквиваленте составит 8,9 х 10¹⁴ кг, а это почти 10 миллионов 100-мегатонных водородных бомб.

Именно поэтому произведение двух достаточно больших простых чисел можно смело высылать в качестве открытого кода для шифрования сообщений, не опасаясь, что скрытые в нем в виде сомножителей тайные коды для дешифровки будут вычислены злоумышленниками. А вот квантовый компьютер благодаря алгоритму Шора способен решить эту задачу за несколько часов и особо не перегреваясь.

Именно появление алгоритма Шора задолго до проблем с законом Мура привлекло к квантовому компьютеру пристальное внимание спецслужб, жаждущих проникнуть в чужие секреты, и финансовых кругов, опасающихся за свой бизнес.

Комментарий nix.ru

Любопытно, что RSA-кодирование не имеет под собой строгого теоретического обоснования. То есть, например, садясь в самолет, мы знаем, что он не падает согласно формуле Жуковского. Но в случае использования системы RSA мы вынуждены верить ее изобретателям на слово. Строго математически никто пока не доказал, что какой-нибудь задрот рано или поздно не изобретет алгоритм, который позволит в приемлемые сроки провести разложение на множители целого числа любой величины на обычном компьютере. Более того, появление все более мощных компьютеров и совершенствование классических алгоритмов уже сейчас ускоряют этот процесс и заставляют увеличивать длину ключа и менять программно-аппаратную криптографическую поддержку.

В 1977 году в колонке «Математические игры» журнала Scientific American в качестве своеобразной рекламы RSA-кодирования был опубликован зашифрованный текст с обещанием выплатить 100 долларов тому, кто его прочитает. Авторы системы RSA утверждали, что при тогдашнем уровне вычислительной техники для этого потребуется 40 квадриллионов лет. Однако уже в 1994 году эту головоломку расшифровали после 8 месяцев расчетов на распределенной сети из 1600 компьютеров. Позже, кстати, эта задача была решена на суперкомпьютере за 2 дня. В ней, правда, использовалось всего лишь 425-битное число (129 десятичных знаков). Кстати, рекордом в настоящее время является разложение в 2009 году 768-битного (232-значного числа), на что у проделавших этот фокус математиков ушло два года. Разумеется, подобные вычисления требуют таких значительных ресурсов, что их использование мошенниками исключено, однако 512-битные ключи, еще недавно столь распространённые, уже признаны ненадежными. Хотя разложить 1024-битное число еще никому не удалось, так что владельцы банковских карт пока могут спать спокойно.

Но даже если представить себе, что квантовый компьютер волшебным образом появится прямо сейчас и мгновенно обесценит RSA-кодирование, то в каменный век человечество не вернется. Электричество не испарится из проводов, воздух не перестанет держать самолеты и даже виагра не утратит свою волшебную силу. Не факт, что и криптовалюты пострадают, поскольку открытый ключ при трансакциях с использованием цифровых денег становится уязвимым лишь на считанные секунды. А для цифровых подписей и банковских карт еще какой-нибудь задрот может придумать другие, постквантовые способы шифрования. В общем, не совсем понятно, почему уважаемый Сергей Белоусов считает, что эта штука сильнее, чем «Фауст» Гёте. Сравнивать квантовый «фауст-патрон» с атомной бомбой из-за одного только RSA-шифра – нелепо.

Миф №3: в мире уже существуют экспериментальные образцы квантовых компьютеров

Что нам рассказывают

Кульминацией московской конференции стало заявление Джона Мартиниса о том, что уже в конце 2017 года лаборатория Google намерена построить систему из 45–50 кубитов, и это, по словам господина Мартиниса, будет «решающий эксперимент, который продемонстрирует превосходство квантовых технологий над классическими».

«Квантовая система из 30 кубитов может быть смоделирована на обычном компьютере за разумное время, – комментирует это сообщение руководитель научной лаборатории НИКСа, эксперт РАН Леонид Федичкин. – Поэтому с практической точки зрения такой квантовый компьютер не обязательно строить. А вот если у вас 50 кубитов, то эту систему не смоделирует ни один классический компьютер».

Сообщение о появлении 50-кубитного компьютера Google к концу 2017 года наделало шума, и российские СМИ раструбили, что в конце года будет создано самое мощное вычислительное устройство в истории человечества. Но не успело это ошеломляющее известие, разделившее историю цивилизации на до и после, отзвучать в ушах московской публики, как слово взял Михаил Лукин, физик из Гарварда и один из основателей Российского квантового центра, объявивший, что его команда уже создала систему из 51 кубита, после чего «Первый канал» немедленно проинформировал телезрителей о том, что «образец российских специалистов на данный момент – мощнейший в мире». Между тем Крис Монро, корифей в области ионных ловушек из университета в Мэриленде, опубликовал статью, где рассказал о создании системы из 53 кубитов. И как тут не вспомнить 1152-кубитное (!) устройство X2 канадской компании D-Wave, которое, по сообщениям СМИ, «работает в сто миллионов раз быстрее обычного компьютера». Нельзя не упомянуть и о начале продаж 2000-кубитного компьютера D-Wave 2000Q, который тут же был куплен за 15 млн долларов компанией Temporal Defense Systems для «идентификации киберпреступников».

Комментарий nix.ru

«Существующие системы нельзя назвать универсальными квантовыми компьютерами, – говорит Леонид Федичкин. – Они неточные, плохо управляются и не могут выполнить практически полезные алгоритмы, с которыми легко справляются обычные процессоры. Это как в сказке о Хоттабыче: сделал он телефон из мрамора – похож, но не звонит».

В 2001 году компания IBM объявила, что ей впервые удалось практически реализовать квантовые вычисления по алгоритму Шора на системе из 7 кубитов и разложить на множители число 15. Мощь D-Wave 2000Q в сравнении с 7-кубитным устройством IBM должна была возрасти в 2¹⁹⁹³ раза. Почему бы создателям этого чуда техники не продемонстрировать феноменальные возможности своего девайса, чтобы разложить на множители по алгоритму Шора хотя бы число 16, а там, глядишь, и до 21 дойдет! Увы, просить об этом бесполезно.

Все упомянутые выше многокубитные системы главным образом заняты тем, что моделируют сами себя. Сообщения СМИ о том, что «компьютер» D-Wave «работает в сто миллионов раз быстрее обычного компьютера» – это чистая правда, но с тем уточнением, что эту прыть он проявляет лишь в скорости быть самим собой. С тем же успехом можно объявить, что высокотехнологичная чугунная гиря, охлажденная до абсолютного нуля, в «вычислении» собственной массы оказалась в сто миллионов раз быстрее, чем ее цифровая модель на обычном компьютере. Потрясающее достижение!

Бесполезно просить о подтверждении возможностей своих систем и Лукина с Монро и Мартинисом. Последний в своей нашумевшей лекции утверждал, что в его лаборатории уже созданы системы из 9 и даже 22 кубитов, для чего ученым совместной лаборатории Google и NASA пришлось «использовать все свое волшебство и профессионализм». Выступление Джона Мартиниса сопровождалось демонстрацией фотографий, отражавших чистоту эксперимента: профессор особо обратил внимание публики на отсутствие мусора в углах. Показаны были и таинственные графики, подтверждавшие, что у них в лаборатории «все правильно работает». Но если все работает правильно, то почему бы не продемонстрировать это простейшим способом: взять, да и разложить, как IBM 16 лет назад, на множители число 15 по алгоритму Шора, если уж замахнуться на, подумать страшно, 121 не хватает духу. Впрочем, у нас есть серьезные основания полагать, что дело тут не в недостатке научной смелости или в том, что Google оплатил создание настолько выдающегося образца квантовой техники, что на повторение эксперимента по разложению числа 15 денег у гиганта IT-индустрии не хватило.

«Полноценный квантовый компьютер должен не просто работать, а приносить какую-то практическую пользу. В этом смысле мы пока еще не готовы решить эту задачу», – честно признался Джон Мартинис, отвечая после своей лекции на вопросы журналистов о том, когда же его компьютером можно будет пользоваться.

Миф №4: коммерческий квантовый компьютер появится в ближайшие годы

Что нам рассказывают

В марте 2017 года журнал Nature предсказал, что коммерциализация технологии квантового компьютера займет около пяти лет.

Комментарий nix.ru

Над предсказаниями о скором нашествии коммерческих квантовых компьютеров посмеялся и сам профессор Мартинис: «Мне такие прогнозы всегда казались забавными… Мы пока лишь знаем, как создать нечто похожее на квантовый компьютер».

На сегодняшний день квантовый компьютер – это лишь математическая абстракция, причем некоторые физики считают, что скорее появится коммерческий демон Максвелла, чем квантовый компьютер, годный для практического использования.

Перед создателями этой технологии все еще стоит немало сложностей, которые, возможно, и преодолимы, но мало верится, что так быстро, как обещает Nature. Давайте попробуем оценить, на каком этапе создатели квантового компьютера находятся в масштабах истории техники.

В 1936 году Алан Тьюринг опубликовал статью, в которой описал гипотетическую универсальную машину, способную решить любую логическую задачу, то есть рассчитать все что угодно. А уже в 1945 году, то есть меньше чем через 10 лет, в США появилась первая ЭВМ – ENIAC, которая весила 27 тонн и использовала 17,5 тыс. электронно-вакуумных ламп, но работала.

В 1994 году Питер Шор опубликовал свой знаменитый алгоритм, который описывает, как можно с помощью квантового компьютера решить единственную задачу по разложению числа на множители с использованием быстрого и к тому же квантового преобразования Фурье. С тех пор прошло уже 23 года, а квантовый компьютер все еще не появился.

Представьте себе, что в 1936 году Алан Тьюринг вместо универсальной машины, названной его именем, описал бы прибор, способный производить только преобразование Фурье. Это был бы очень полезный прибор, который нашел бы применение в радиотехнике и оказал бы на прогресс человечества влияние, сравнимое, к примеру, с ролью лампового усилителя или даже с фурором звукового кино. Но стать составной частью абсолютно всех технологий и сторон жизни, как это произошло с компьютерной техникой, ему вряд ли удалось бы. Если бы Тьюринг додумался только до такого прибора, то сейчас не существовало бы не только лаборатории Google, в которой колдует профессор Мартинис, но и самого Google.

Питер Шор додумался лишь до того, до чего додумался, и проблема квантового компьютера состоит в том, что даже если б он уже сейчас стоял в лабораториях ученых, то после ликвидации RSA-шифрования как класса, люди просто не знали бы, что еще с этим замечательным устройством делать. Его создание выглядит тем более бессмысленным, что он самим фактом своего появления разом уничтожает единственную практическую задачу, для решения которой годился.

Но самое смешное, что квантового компьютера все еще нет. Представьте себе, что Алан Тьюринг в 1936 году описал свой замечательный преобразователь Фурье, а в 1959 году ученые все еще только говорили бы о том, что его создание ожидается в ближайшие пять лет. ENIAC появился так быстро, поскольку его элементная база – электронно-вакуумные лампы – к 1943 году уже 37 лет, с 1906 года, активно использовалась в радиотехнике. Просто до Тьюринга люди не могли сообразить, что из этих ламп можно еще и ЭВМ собрать.

Если бы создатели легендарного ENIAC трудились над проблематикой того же уровня, что занимает творцов современных квантовых компьютеров сегодня, то плод их усилий представлял бы собой лишь 27-тонный ворох проводов, главным результатом функционирования которого явилось бы таинственное мерцание 17,5 тысяч ламп, на основании которого строились бы умные графики в доказательство того, что «все работает, как надо».

Над элементной базой для квантового компьютера – кубитами – работа еще только идет. Причем пока даже не на уровне 1906 года. Изобретенный в 1906 году ламповый триод Ли де Фореста работал отвратительно, поскольку и сам изобретатель не очень представлял принцип его действия, но этот прибор почти сразу пошел в дело, начал использоваться, его стали покупать. Кубиты в пареном и жареном виде «выпекаются» в разных лабораториях с начала XXI века, но, странное дело, никто их не покупает ни на вес, ни поштучно. Они просто никому не нужны. Даже квантовая связь легко обходится без, подчеркнем, управляемых кубитов. Разнообразие их типов – как реализованных, так и существующих только в фантазиях авторов – напоминает многочисленность средств от облысения. От чего-то годного для практического использования в технике нынешние кубиты отделяет дистанция большая, чем пролегала между электронно-вакуумной лампой де Фореста и угольной свечой Яблочкова. Последняя хоть улицы могла освещать, а кубиты Мартиниса даже на это не годятся.

Фигурально выражаясь, для создателей квантового компьютера не то что 1936 год Тьюринга еще не наступил, но даже и 1906 год Ли де Фореста не начинался. Очень похоже, что они сейчас сидят во временах Чарлза Бэббиджа, который в 1834 году пытался создать компьютер из шестеренок, что ему так и не удалось сделать по причине недостаточной точности изготовления выбранной элементной базы. Но не исключено, что уважаемые квантовые механики застряли во временах еще более древних.

Вы никогда не задумывались, почему паровая машина появилась в Англии XVIII века, а не во времена Древней Греции или, на худой конец, Древнего Рима. Ведь тогдашняя «элементная база» для этого уже вполне годилась. Если и не хватало какого-нибудь золотника, то подобного рода автоматику легко мог заменить раб у рычага. От шара Герона до паровой турбины оставался один шаг, но на практике он был сделан Чарлзом Парсоном только через 18 веков. Говорят, что Риму хватало рабов. Но остается еще и военное применение. Представьте себе паровую трирему в эпоху Цезаря Августа. Это же произвело бы переворот в военном деле тех времен!

А не появилась паровая машина в те времена потому, что лучшие умы Древнего мира и эпохи Средневековья в течение столетий были заняты изобретательством вечного двигателя и поисками философского камня, и нужно было если не указать им достойную цель, как это сделал Тьюринг, то для начала хотя бы убедительно доказать бессмысленность подобного времяпровождения, чтобы заскучавшие Эдисоны обратили свои взоры на более полезные предметы, например – на механические часы, которые также появились лет на тысячу позже, чем могли бы. Современные разработчики квантовых компьютеров работают на уровне средневековых добытчиков золота из свинца: польза естествознанию от их алхимии была, но их цель – элементарная спекуляция на суевериях своего времени. В этом плане характерно название лаборатории, в которой алхимичит над своими кубитами профессор Мартинис: «Квантовый искусственный интеллект»! Эта междисциплинарная словесная конструкция осмысленностью немногим отличается от сферического коня в вакууме, зато обладает огромным PR-потенциалом.

В общем, дело даже не в том, что по элементной базе изобретатели «квантового компьютера» находятся еще во временах Чарлза Бэббиджа, если не Леонардо да Винчи, изобретшего вертолет в 1475 году, более чем за 400 лет до того, как в 1907 году в небо поднялся первый реальный винтокрыл братьев Бреге. Главное, что квантовый Тьюринг, вполне вероятно, еще даже не родился, а может и того хуже – умер маленьким где-нибудь в Мумбаи или все-таки вырос, но спился в Нижнеудинске.

Читайте также:

Гагарин шутит

Как первый космонавт пил кофе с королевой Великобритании?

Краснозвёздные войны

Анекдоты про Рейгана.

Квантовый интернет по-китайски

«Развитие кибернетики сулит возможность телеграфной передачи даже целой человеческой личности!»