Прогноз погоды будет точным

Именно при поддержке Министерства образования и науки РФ в ЯрГУ им. П.Г. Демидова на физическом факультете выпустили учебное пособие по квантовым вычислениям и квантовому компьютеру.

Другие правила игры
Авторы – профессор, доктор физикоматематических наук Александр Кузнецов и старший преподаватель Михаил Лоханин – написали учебник для студентов в нужное время. Ведь среди различных теорий и идей, которые отрабатываются сегодня в научном мире, самой привлекательной, сулящей фантастические возможности является идея квантового компьютера. Пока ученые бьются над его созданием, в некоторых российских вузах, в том числе Демидовском университете, стали более углубленно преподавать квантовую физику.
На вопрос, для чего нужен компьютер, почти любой школьник ответит: поиграть в «стрелялки», побродить по просторам Интернета, зависнуть «в контакте». Однако главное его назначение – вычисления. Но есть целые классы задач, которые являются настолько тяжелыми и трудно обрабатываемыми, что с ними не может справиться даже самый крутой компьютер, например, уравнение с сотней переменных, поиск в большой неструктурированной базе данных, моделирование ядерных реакций, расчет прогноза погоды. Зато квантовый компьютер легко решит все эти сложнейшие задачи. Наконецто появится точная информация о погоде.
О квантовом компьютере впервые заговорили в научном мире после выхода в начале 80х годов прошлого века статей советского математика Юрия Манина и американских физиков­теоретиков Пола Бениофа и нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана. В них шла речь о возможности создания принципиально нового вычислительного устройства, в котором единичными элементами, перерабатывающими информацию, были бы отдельные атомы. Мир атомов – особый. В нем не работают привычные для нас законы классической физики. Там в игру вступает квантовая механика. Отсюда – название компьютера.

В роли хакера – атом
Но настоящий бум в ученом мире начался, когда американский математик Питер Шор изобрел эффективный квантовый алгоритм разложения большого числа на простые множители. Еще бы! Ведь такие вычисления имеют прямое отношение к криптографии – науке о шифровании информации, шифрах и их взламывании.
– Современная криптография, обеспечивающая защиту информации, основана на простом факте: чтобы взломать секретный код, необходимо знать разложение на два множителя очень большого, как правило, до ста и более цифр, десятичного числа, – поясняет Александр Кузнецов. – На обычном компьютере эта задача практически нерешаема. Например, даже самой сверхмощной вычислительной машине для отыскания сомножителей 400значного числа потребуется около 10 миллиардов лет непрерывной работы – времени, сравнимому с возрастом Вселенной! А квантовый компьютер справится с этой задачей за два с половиной года. Чувствуете разницу?
С таким вычислительным устройством можно быстро взломать любой самый сложный шифр. Поэтомуто после сенсационного открытия Шора в исследования квантовой криптографии стали вкладывать большие средства, в основном оборонные ведомства и спецслужбы.

Очередная сенсация
А за счет чего достигаются такие потрясающие вычислительные возможности квантового компьютера?
– В обычных компьютерах единицей информации является один бит. То есть величина, которая может принимать значения «единица» или «ноль». А проще говоря, «да» или «нет», – разъясняет Александр Кузнецов. – В известном монологе Жванецкого есть фраза: «Пылесос работает? Нет! – Один бит информации». Или возьмем, например, глобус. Примем одну точку – Северный полюс – за «ноль», а другую – Южный полюс – за «единицу». Мы получили бит информации. А вот состоянию квантового бита, сокращенно кубита, соответствует любая точка на глобусе. То есть кубит содержит в бесконечное число раз больше информации, чем классический бит. Этим и объясняются фантастические вычислительные возможности квантового компьютера.
Но говорить о квантовом компьютере как таковом еще рано. Когда он появится – никто не знает. Некоторые ученые говорят, что создание сверхнового вычислительного устройства сравнимо по сложности с проблемой межзвездных полетов. Так что пока основной частью исследований являются теоретические работы. Правда, уже есть и успешные единичные эксперименты. Так, в 1998 году в Калифорнийском университете был разработан 2-кубитовый квантовый компьютер.

– В 2007 году научный мир потрясла очередная сенсация: создан 16кубитовый квантовый компьютер, – говорит Александр Кузнецов. – Об этом объявила канадская компания DWave Systems. Презентация нового компьютера по имени «Орион» проходила в Силиконовой долине. Правда, он находился в штабквартире фирмы. С ним связывались через Интернет. «Ориону» предложили решить задачу: рассадить гостей за столом так, как примерно в известной логической задаче про волка, козу и капусту, и компьютер с ней справился. Решил он и головоломку «судоку». Однако некоторые ученые усомнились, действительно ли создан квантовый компьютер или это всего­навсего имитация. Между тем канадцы заявили, что они теперь трудятся над созданием 32кубитного квантового компьютера под названием «Леда». А впереди у них – реализация 1000кубитного процессора.
– Для ученых число 1000 – фетишное. Считается, что полномасштабный квантовый компьютер должен содержать тысячу атомов, – поясняет Михаил Лоханин. – Если удастся таковой создать, то он будет решать такие задачи, которые не под силу даже вместе взятым во всем мире обычным компьютерам.

Телепортация – это реальность!
Работы над созданием квантового компьютера породили новые идеи. Одна из них – квантовая связь посредством телепортации. До сих пор тема телепортации встречалась лишь на страницах фантастических романов. Сегодня она перешла в научные издания. Уже есть экспериментальные подтверждения феномена мгновенной связи между микрочастицами. Так что же, не за горами мгновенное перемещение тел в пространстве?
– Квантовая телепортация не означает возможность перемещения материального объекта. Речь идет о переносе квантового состояния с одной микрочастицы на другую независимо от расстояния между ними, – поясняет Михаил Лоханин. – При этом состояние первой частицы в ходе переноса разрушается, она как бы исчезает. А состояние второй частицы становится в точности таким, каким оно было у первой частицы. Квантовая телепортация – это некий способ связи. Его преимущество в том, что он дает возможность передавать информацию мгновенно из одной точки пространства в другую без потерь.

МНЕНИЕ
– По мере накопления информации возрастают ее объемы. Для обеспечения ускорения темпов обработки, оборота и оформления документов необходимы технические возможности, – говорит начальник отдела информационных технологий департамента архитектуры и развития территорий города мэрии города Ярославля Олег ДУДАЕВ. – Если компьютер нового поколения будет обладать огромным объемом памяти, а скорость обработки и передачи информации намного больше по сравнению с сегодняшними вычис-лительными устройствами, то, несомненно, внедрение суперкомпьютера повысит эффективность работы.