Квантовые компьютеры покажут, что они могут намного больше, чем самые мощные классические суперкомпьютеры
Недавно в журнале Nature были опубликованы статьи о возможностях для бизнеса квантовых компьютеров и о коммерциализации квантовых технологий,  а позднее вышла статья о том, что компания IBM разработала первый коммерческий сервис квантовых облачных вычислений. Но квантовый компьютер представляет собой не только лишь новые перспективы для бизнеса, но и драйвер развития средств информационной безопасности, так как после его появления существующие инструменты  станут более уязвимыми. Для того, чтобы, когда появится доступный коммерческий квантовый компьютер, все секреты неожиданно не оказались открыты — для защиты информации необходимы новые идеи.

Развитие компьютеров более пятидесяти лет подчинено известному закону Мура: в процессорах каждые 2 года становится в два раза больше элементов. Сами же элементы оказываются все меньше… Но в следующие десять лет закон Мура может прекратить действовать: нельзя сделать транзисторы меньше атомов. И чаще всего квантовый называют компьютер главной надеждой ИТ-отрасли.
Хотя здесь существует небольшое недоразумение. Вряд ли квантовые компьютеры смогут заменить обычные. Скорее всего они будут сверхмощными вычислительными модулями , призванными решать отдельные особо трудоемкие задачи, как современные видеокарты, которые обрабатывают мультимедийную информацию.

Стандартный компьютер связан с битами — единицами и нулями в ячейках памяти. Квантовый компьютер строится на основе кубитов — это квантовые ячейки, способные находиться не только лишь в состояниях «0» и «1», но и в каждом из этих двух состояний одновременно, как знаменитый кот Шрёдингера, который и мертв, и жив одновременно. В подобном смешанном состоянии  «1» и «0»  сосуществуют в определенной пропорции. Так продолжается, пока значение кубита не считаетобычный компьютер. Тогда кубит с соответствующей вероятностью принимает одно из двух значений.

Хотя одиночный кубит — вещь не очень то полезная. Самое интересное начинается, когда кубиты начинают взаимодействовать.  В особых условиях, которые называются квантовая запутанность, кубиты объединяются в одну систему. Если каждый из них смешан в 2 состояния, то два запутанных кубита будут находиться в четырех состояниях сразу, три кубита — в 23 = 8 состояниях, а N кубитов — в 2Nсостояниях. И все данные состояния одновременно могут принимать участие в вычислительных операциях.

Представим себе что, вы позабыли какой на вашем чемодане код цифрового замка. Если его подбирать — это долгие часы очень нудной работы. А если бы можно вместе смешать все вероятные положения дисков замка и одновременно применить … Тогда сразу открыла бы замок одна из комбинаций, а другие никакого воздействия не оказали бы. Такое невозможно сделать с механическим устройством, но это норма для квантовых частиц. Необходимо только лишь научиться приводить их в требуемое исходное состояние.

Квантовые алгоритмы сделаны таким образом, что в системе запутанных кубитов по мере их выполнения очень быстро увеличивается вероятность такого состояния, какое может решить поставленную задачу. Достаточно привести определенное в исходное состояние систему кубитов, подождать некоторое время и получившееся состояние считать — это будет искомый ответ.

Примерно таким образом видится процесс взлома систем шифрования с использованием квантового алгоритма Шора, который позволяет целые числа раскладывать на множители. В настоящее время шифрование большей части данных, которые передаются по интернету, опирается на гигантскую трудоемкость данной задачи в случае разложения больших чисел. Классически ее можно решить лишь при помощи перебора вариантов, а это даже суперкомпьютерам не под силу. Алгоритм Шора дает возможность мгновенно эту задачу решить, попробовав сразу все возможные варианты. Остается лишь сделать квантовый компьютер с сотнями кубитов, и спецслужбы с банками лишатся своих секретов.

Однако, квантовые вычисления вовсе не ограничиваются взломом криптографических систем. Существуют и прочие задачи, невыполнимые для классических компьютеров. И, в первую очередь, это очень ресурсоемкое моделирование самих квантовых систем. Еще в прошлом веке советский математик Юрий Манин и американский физик Ричард Фейнман почти в одно и то же время предложили пользоваться одними квантовыми объектами , чтобы предсказывать поведение других, с которыми экспериментировать трудно. Моделирование на квантовом компьютере может дать возможность, к примеру, разработать материалы, которые сохраняют при комнатной температуре сверхпроводимость. Пока добиваются этого состояния только при температуре жидкого азота, хотя нет фундаментальных запретов на сверхпроводимость при комнатной температуре. Квантовый компьютер мог бы смоделировать строение новых высокотемпературных сверхпроводников, которые обойдутся без криогенных систем. Появление подобных материалов должны привести к огромным переменам не только в электроэнергетике, но и во всей технологической цивилизации. К примеру, обыденностью будут сверхскоростные поезда на магнитной подушке.

Квантовые сопроцессоры могли бы помочь и в поиске структуры прочих новых материалов, к примеру, жаростойких, высокопрочных, легких,  которые требуются авиакосмической отрасли. А, скажем, квантовый алгоритм Гровера, даст возможность сильно ускорить поиск в неупорядоченных базах данных. Это довольно актуальная задача в условиях роста популярности «больших данных». На сайте американского Национального института стандартов и технологий собирается полная коллекция известных квантовых алгоритмов, и их там уже более пятидесяти. Так что квантовый компьютер может оказаться незаменимым и уникальным инструментом для решения множества задач, вот только его очень трудно создать.

Запутанные квантовые состояния очень хрупки. Любое случайное взаимодействие с окружающей средой разрушает их и прерывает вычисление. Так что очень важно на пути к квантовому компьютеру найти самую лучшую технологию реализации кубитов, чтобы они могли запутываться между собой, не испытывая посторонних помех. Мы знаем, что все классические процессоры построены на одной технологии – кремниевой. В случае же квантовых, можно использовать совершенно разные материалы и соответственно разные подходы: одиночные атомы, фотоны в оптическом резонаторе, ионы азота в кристаллической решетке алмаза, так называемые сверхпроводящие джозефсоновские цепи.

В 1999 году квантовое состояние у сверхпроводящих кубитов на основе контактов Джозефсона удавалось сохранять всего несколько наносекунд. К 2013 году это время выросло в 10 000 раз — до сотни микросекунд, и этого уже достаточно для полезных вычислений. Но есть другая трудность — при переходе от одиночного кубита к системам из десятков и сотен сложность поддержания квантовых состояний многократно вырастает. Так что проблема полноценной изоляции от внешних помех остается главным препятствием на пути создания квантовых вычислительных машин.

Среди физиков есть пессимисты, которые считают, что преодолеть это препятствие не удастся. Так израильский физик Джил Калай полагает, что рост числа кубитов ведет к лавинообразному росту шумов, которые делают попытки что-то просчитать бессмысленными. Российский физик Михаил Дьяконов считает, что нельзя с необходимой точностью задавать начальные и считывать конечные состояния квантовых процессоров. Однако большинство специалистов считает эти препятствия преодолимыми. Так, Алексей Устинов, профессор Технологического института Карлсруэ и руководитель научной группы РКЦ, называет создание универсального квантового компьютера чисто инженерной проблемой, которая будет решена в ближайшие десять лет.

Судя по всему, так же считают и крупные технологические корпорации. В развитие квантовых вычислений десятки и сотни миллионов долларов вкладывают Google, Microsoft, IBM, Intel и даже китайский интернет-ритейлерAlibaba. Проекты в этой области реализуют NASA и LockheedMartin, а правительства многих стран запускают программы по развитию квантовых технологий.

Единственная компания, предлагающая сегодня решения в области квантовых вычислений — канадская D-WaveSystems. В ее устройствах используются тысячи сверхпроводящих кубитов, однако это не полнофункциональные, а так называемые адиабатические квантовые компьютеры. Они решают, по сути, только одну задачу — поиск минимума очень сложных функций методом квантового отжига. Их можно сравнить с популярными в середине XX века аналоговыми компьютерами, где вычисления проводились путем измерения параметров специально подобранных физических процессов, например, давления воды в перенастраиваемой гидравлической системе.

До недавнего времени многие специалисты даже сомневались, что эти устройства D-Wave действительно используют квантовые эффекты. Но эксперименты сотрудников Google подтвердили наличие квантовой прибавки к скорости вычислений. Компьютерами D-Wave интересуется Пентагон и американские разведывательные агентства. Компания Lockheed (один из первых клиентов компании) закупила такую машину для проверки и оптимизации программного обеспечения, используемого в разработке истребителя пятого поколения F-35. При тестировании системы удалось с помощью D-Wave за шесть недель найти ошибки в программном обеспечении истребителя F-16, тогда как c традиционными инструментами для этого понадобилось несколько месяцев.

«Настоящие» квантовые компьютеры содержат пока лишь по несколько кубитов, из которых собирают отдельные логические элементы для экспериментов. В 2001 году ученые из Стэнфорда и IBM впервые продемонстрировали практическую реализацию алгоритма Шора — устройство из семи кубитов успешно разложило число 15 на простые множители — 3 и 5. Через десять лет, в 2011 году, группа китайских физиков объявила, что им удалось разложить число 143. Прогресс кажется не слишком быстрым, но в этой области он идет сразу во всех направлениях — создаются языки программирования для будущих квантовых ЭВМ, прорабатываются алгоритмы, ведутся эксперименты с задачами. Например, IBM открыла для всех желающих доступ к своему 5-кубитному квантовому компьютеру QuantumExperience. Microsoft работает над своим вариантом квантового компьютера, основанного на использовании квазичастиц — неабелевских анионов, которые возникают в цепочках холодных электронов.

В России эксперименты в этой сфере пока на начальной стадии: группа ученых из РКЦ и МФТИ под руководством Алексея Устинова создала первый кубит на базе контактов Джозефсона. Готовятся эксперименты с двумя кубитами.

Наблюдая за всем разнообразием идей и подходов, ведущий научный журнал Nature в первые дни января 2017 года опубликовал статью, прогнозирующую уже в этом году выход квантовых компьютеров из лабораторий в «большую жизнь». Это означает появление технологий масштабирования квантовых вычислителей, позволяющих наращивать их мощность, как это делается с классическими компьютерами. По мнению журнала, возможными лидерами в этом прорыве будет группа под руководством Джона Мартиниса, который работает в лаборатории Google с кубитами на основе контактов Джозефсона, а также компания IonQ под руководством Кристофера Монро из университета Мэриленда. Эта компания развивает технологии кубитов на основе ионов в магнитных ловушках.

Мы ждем, что в этом году или в следующем будет достигнута точка квантового превосходства – момент, когда квантовые компьютеры покажут, что они могут больше, чем самые мощные классические суперкомпьютеры. Сама по себе задача квантового превосходства не является решением индустриальных вызовов, но это означает первый шаг квантовых вычислительных машин из лабораторий в реальный мир. И нам нужно готовиться к этим переменам.