Пока размером с лабораторию
В ближайшие годы появится принципиально новый вычислитель — квантовый компьютер, который будет в тысячи раз эффективнее современных. Пока новая машина существует только в виде моделей и прототипов, но в "квантовую" гонку уже включились ведущие лаборатории мира. Обладатель нового компьютера получит небывалое технологическое преимущество, поскольку сможет решать задачи, которые сегодня считаются принципиально неразрешимыми. Например, новая машина легко расшифрует все сверхнадежные шифры и сможет проектировать новые белковые молекулы.
Квантовый компьютер стал одной из наиболее заметных тем в современной прикладной физике. Каждая публикация о новых результатах вызывает бурное обсуждение: еще бы, ведь квантовый компьютер станет супероружием в будущей конкурентной борьбе на рынках высоких технологий.
Сразу оговоримся, что КК (квантовый компьютер) не претендует на замену персоналок — их обладатели и в будущем смогут работать в любимом Word или Лексиконе. Новый компьютер нацелен прежде всего на те задачи, которые сегодня считаются вообще неразрешимыми из-за вычислительных трудностей. К таким задачам относятся, например, управление поведением отдельных атомов, вскрытие зашифрованных сообщений или расчет чипов размером с молекулу.
Сегодня в "квантовой" гонке участвуют почти все ведущие физические лаборатории мира. Широкий фронт исследований объясняется не только многообещающими возможностями новой машины, но и относительно скромными затратами на необходимое лабораторное оборудование — никаких гигантских установок не требуется, а "приз" может быть очень велик. Разработками нового квантового чуда заняты ведущие американские университеты, крупные компьютерные и телекоммуникационные компании — IBM, Bell, AT & T, Hughes и Hitachi. На средства министерства обороны США организован даже специальный научный центр, специализирующийся на разработке квантовых вычислителей. Наконец, эксперименты с квантовыми машинами, построенными на различных физических принципах, проводятся в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (известный центр оборонных исследований в США). В России этой проблематикой занимаются, и не без успеха, в Институте теоретической физики РАН и Институте физики твердого тела РАН (Черноголовка).
Квантовый компьютер выплывает там, где другие захлебываются
Для демонстрации возможностей КК обычно приводят такой пример: "вскрытие" шифра с ключом из 129-разрядного числа потребует восемь месяцев непрерывной работы 1600 самых современных компьютеров (с процессорами типа Pentium II и выше). А при 300-разрядном ключе время расшифровки превзойдет возраст Вселенной, даже если будут работать одновременно все существующие в мире машины. Квантовый же компьютер будет решать эти задачи за часы и минуты. Рекордная скорость вычислений объясняется тем, что КК перебирает все возможные варианты одновременно (параллельно), а обычный компьютер — по очереди и затрачивает на это массу времени.
КК поможет преодолеть наметившийся сейчас в вычислительных технологиях — несмотря на, казалось бы, их победное шествие — тупик. Дело в том, что современные задачи уже требуют манипуляций с отдельными молекулами и атомами. Например, создаются прототипы молекулярных роботов размером с несколько молекул, способных "починить" клетки кровеносных сосудов или печени. А это значит, что нужно уметь рассчитывать функционирование элементов на молекулярно-атомарном уровне. При таких расчетах самые мощные современные компьютеры просто захлебываются, а квантовый вполне может с ними справиться. Считают, что по крайней мере в тех сферах, где задачи такого моделирования стоят в повестке дня — генетике, химии, физике полупроводников,— коммерческое применение новым компьютерам гарантировано. Еще одно перспективное применение квантовых компьютеров - поиск нужных записей в больших базах данных.
"Компьютер в чашке кофе"
Впрочем, на пути к реальному квантовому компьютеру немало препятствий. В частности, пока не удается долго удерживать атомы в заданном состоянии и добиться длительной устойчивой работы вычислителя. Возможно, для поддержания стабильной работы компьютера его процессор придется охлаждать до сверхнизких температур. Таким образом, несмотря на название, новый компьютер совсем не обещает быть уж слишком компактным: только устройство охлаждения будет весить несколько килограммов. Существующие экспериментальные модели пока с трудом умещаются в лаборатории. Первые работающие серийные модели, видимо, будут размещаться в нескольких шкафах. Специалисты отмечают, что о проблеме миниатюризации КК говорить пока очень рано — хорошо бы просто добиться устойчивой работы, и сейчас не важно, в каких именно габаритах. Возможно, наиболее компактным будет вычислитель, не требующий сверхнизких температур. Этот проект назван "компьютером в чашке кофе", так как молекулы жидкости "работают" в нем при комнатной температуре и давлении. Но с "компьютером в чашке кофе" другая проблема: пока сложно достигнуть требуемой чувствительности приборов, измеряющих изменяющееся состояние молекул жидкости. Еще одно затруднение "квантовых" компьютерных проектов состоит в том, что существующие программы совершенно для них не годятся.
Разработчики полагают, что уже через 2-3 года этап первых экспериментов завершится и будет создана машина, способная — для начала — конкурировать с традиционными компьютерами. Считается, что лаборатории в Лос-Аламосе, лаборатории IBM и Bell продвинулись в области квантовых вычислителей достаточно далеко. Однако и российским физикам пока удается не отставать. Можно сказать, что явных преимуществ пока нет ни у одного из подходов.
В институтах Теоретической физики и Физики твердого тела в Черноголовке экспериментируют с элементами будущего компьютера и создают к нему математическое обеспечение. Физиком Алексеем Китаевым (Институт теоретической физики) предложена одна из оригинальных и многообещающих схем работы компьютера. (Квантовый процессор Китаева построен на элементарных частицах с дробным зарядом — анионах.) Большие надежды на качественный рывок российские ученые связывают с планируемым объединением усилий шести ведущих научных организаций в рамках нового Центра субмикронных технологий. Создание технических элементов для реализации отечественного квантового компьютера и будет важнейшим направлением работы нового центра.
МИХАИЛ Ъ-СЕРГЕЕВ