Новости Календарь

Квантовые компьютеры: когда наступит новая вычислительная эра?

Квантовые компьютеры: когда наступит новая вычислительная эра? © zmescience.com

2012 год. Доживает свои последние дни закон Мура, согласно которому количество транзисторов в чипах удваивается каждые два года. Сформулированное Гордоном Муром эмпирическое правило в течение последних сорока лет задавало темп всей компьютерной индустрии, позволяя компьютерам ежегодно брать новые рубежи мощности. Однако к концу первого десятилетия XXI века тактовая частота процессоров перестала расти и на горизонте отчетливо маячит finis terra полупроводниковой электроники

С 60-х годов прошлого века производители микросхем в погоне за миниатюризацией шаг за шагом спускались к атомным масштабам и на сегодняшний день достигли размеров транзистров в 22 нанометра. К сожалению, этому прогрессу суждено прекратиться – при размерах меньше 10 нанометров наступает теоретический предел, при котором квантовые эффекты делают дальнейшее уменьшение транзистора невозможным. Электроны начнут просачиваться сквозь слой толщиной в несколько атомов – явление, в физике называющееся «туннелированием». Хождение сквозь стены, оказывается, бывает не только в плохой фантастике – на уровне наномира оно встречается повсеместно. 


Сегодняшние процессоры можно ускорить еще раза в два, а дальше – конец, только экспансивный рост путем распараллеливания программ на множество процессоров и подведение «Мосводоканала» для охлаждения этой кремниевой печки.


А также безрадостные перспективы поиска работы для инженеров Intel...

Недавняя Нобелевка по физике, которую получили Серж Арош и Дэвид Вайнленд за методы удержания частиц и контроля их квантовых состояний, эту проблему лишний раз актуализировала. Ведь работы лауреатов легли в основу первых квантовых компьютеров – технологии, которая позволит выйти на принципиально новый уровень в скорости вычислений.

Общеизвестно, что Нобелевская премия дается не в год открытия, а в год, когда признание достоверности и ценности научной работы становится неоспоримым. Неужели научный мир окончательно удостоверился в концепте, о котором еще недавно никто не говорил, – ведь ученые не верили, а фантасты не могли разобраться? Возможно, мы стоим на пороге новой вычислительной эры, когда на смену закону Мура приходит новый закон, определяющий рост вычислительной мощности в посткремниевую эру.


Сложно о сложном

В качестве ячейки памяти квантового компьютера используется частица – атом или электрон. Такую единицу квантовой информации называют кубитом. Возможные состояния частицы назовем |0> и |1>, что отвечает двум возможным значениям ее спина. Но в квантовой механике все сложнее, чем в обычной, и частица способна находиться в двух состояниях одновременно, причем в каждом из них – с какой-то вероятностью. Поэтому ближайший аналог кубита – вовсе не бит, а вектор на плоскости. В этом сравнении скрыта природа удивительной производительности квантовых компьютеров – ведь возможных состояний у бита всего два, а возможных направлений вектора – множество. При добавлении в систему новых кубитов размерность пространства возможных состояний растет экспоненциально, а итоговый результат вычислительной операции над такой системой содержит в себе распределение вероятностей каждого из возможных ответов. Отсюда возникает параллелизм – мы проводим вычисления не для конкретного состояния системы, а для всех ее возможных состояний сразу.


Просто о сложном

Звучит зубодробительно? 

Вот совсем простой пример. Представьте, что вы ищете корень уравнения методом перебора. Обычный компьютер будет последовательно перебирать решения, что займет невероятно много времени. Квантовый компьютер за одну попытку переберет все возможные корни и получит результат, который с высокой вероятностью окажется правильным. Проведя достаточно большое количество запусков, можно получить правильный результат с любой нужной вероятностью.  


Квантовые компьютеры похожи на маленьких детей. Они отлично решают задачи, связанные с перебором, и пока плохо выполняют все, что требует многих последовательных действий.


Разложение простого числа на множители – пожалуйста, а вот числа Фибоначчи проще будет посчитать на калькуляторе. Вообще, далеко не каждый алгоритм легко переложить на квантовый компьютер, поэтому долгое время квантовые и обычные компьютеры смогут существовать параллельно, занимаясь различными видами вычислений. Скорее всего, первые промышленные квантовые компьютеры будут немногим отличаться от мейнфреймов 60-х годов, занимая целые этажи зданий. Вычисления на подобных устройствах будут продаваться через интернет гигантами IT-индустрии – точно так же, как сейчас Amazon продает вычисления обычные. Постепенно с распространением машин нового типа они из квантовых станут называться просто компьютерами, а сегодняшние компьютеры получат эпитет «кремниевые» и займут место на свалке истории по соседству с ламповыми транзисторами и магнитными лентами. 

Пока что квантовые компьютеры по громоздкости и сложности инфраструктуры не уступают ядерным реакторам. Крохотное вычислительное ядро сопровождается холодильником с рабочей температурой около абсолютного нуля, а также мощными экранами электромагнитных полей. Все это необходимо для поддержания квантовой когерентности атомов, которая иначе будет разрушена агрессивной внешней средой. Но и тут прогресс не стоит на месте – в этом году ученым из Гарварда удалось достичь двухсекундного времени жизни информации на алмазных кубитах при комнатной температуре. Так что бриллианты – лучшие друзья не только для девушек, но и для квантовых оптиков.


Новый закон Мура

Как скоро можно предвидеть появление полноценных квантовых компьютеров? «Взрослым» можно считать компьютер, содержащий 1000 кубитов – примерно столько нужно, чтобы взломать ключ RSA. В 1998 году был испытан первый двухкубитный компьютер, в 2001-м у ученых было семь кубитов, на которых разложили на множители число 15, в 2006 число кубитов достигло двенадцати, а в 2011 – четырнадцати. Пока ученые только делают первые шаги, футурологи уже вовсю трубят оптимистичные прогнозы. Если по аналогии с законом Мура предположить, что количество кубитов удваивается каждые четыре года, то мы получим настоящий квантовый компьютер к 2036 году, то есть даже раньше, чем термоядерный реактор


Что самое интересное, прогресс вычислений в квантовую эру будет еще более быстрым, чем в кремниевую.

Если процессор с двадцатью транзисторами можно считать вдвое мощнее процессора с десятью, то квантовый компьютер с двадцатью кубитами мощнее десятикубитного в 1024 раза. Даже линейный рост по два кубита в год даст нам к 2036 году 64-кубитный компьютер, который (для определенного круга задач) будет в миллиард раз мощнее сегодняшних процессоров Intel.

Впрочем, встречаются еще более оптимистичные прогнозы. Так, компания D-Wave уже давно утверждает, что создала 128-кубитный квантовый компьютер, но никак не может убедить в этом научную общественность. А команда из Австралии выполняет «интересные программы» с тремястами кубитами на кристалле бериллия. Пока все эти сообщения вызывают больше вопросов, чем ответов, но даже осторожные оценки показывают – квантовому компьютеру быть. Вопрос лишь в том – станет ли он умнее человека?

Предыдущий материал

Прогноз Cisco: online-лавина, виртуальные девушки и массовая кастомизация

Следующий материал

Facebook покинул топ-10 мировых инноваторов