Общество

16 февраля 2007, 14:02

Изготовлен компьютер, опередивший время на 30 лет

Среди изобретений, которые должны изменить мир в XXI веке, на одном из первых мест до сих пор числилось «гипотетическое вычислительное устройство» под названием «квантовый компьютер». «И вот наступило будущее»: канадская компания D-Wave продемонстрировала первый в мире процессор, использующий принцип квантовых вычислений.

Устройство получило название Orion, и оно уже сейчас способно выполнять 64 000 операций параллельно. Как это обычно случается, «будущее» наступило «не вовремя» – по мнению многих экспертов, примерно на 30 лет раньше, чем ожидалось. Теперь осталось довести квантовые вычислительные устройства до практического применения.

Проще говоря: теперь появилась возможность создания машины, которая сможет выполнять за считанные часы такие вычисления, на которые у нынешних компьютеров уйдут столетия.

Принцип квантового процессора

Применение идей квантовой механики уже открыло новую эпоху в области криптографии

Для начала несколько слов о том, как работает квантовый процессор. В начале 80-х прошлого века нобелевский лауреат, известный в России как автор «Фейнмановских лекций по физике», Ричард П. Фейнман из Калифорнийского технологического института увлек научную общественность идеей точного моделирования явлений квантовой физики на компьютере принципиально нового типа – квантовом.

Действительно, моделировать состояние микрочастиц, которое описывается многомерной волновой функцией с числом переменных, равным числу частиц в системе, да еще и зависящей от времени, даже на современнейшем и мощнейшем компьютере, по-видимому, довольно проблематично. Поэтому, как считал Фейнман, было бы естественно моделировать физическую реальность, которая подчиняется квантовым законам, с помощью «компьютера, построенного из квантовомеханических элементов, подчиняющихся квантовомеханическим законам».

Основная идея квантового вычисления состоит в том, чтобы хранить данные в ядрах атомов, изменяя их ориентацию в пространстве. Элементарная ячейка такого компьютера получила название квантовый бит (quantum bit = кубит). В отличие от привычной нам единицы информации – бита (binary digits = bits), который может принимать только два значения или «0» или «1», квантовый бит в соответствии с принципом неопределенности, постулируемым квантовой механикой, может находиться одновременно в состоянии и «0», и «1».

Таким образом, если классическое вычислительное устройство, состоящее из L вычислительных ячеек способно выполнять одновременно L операций, то для квантового устройства размером L кубит количество выполняемых параллельно операций будет равно 2 в степени L.

Возвращение к истокам

Основная идея квантового вычисления состоит в том, чтобы хранить данные в ядрах атомов, изменяя их ориентацию в пространстве
Таким образом, квантовый компьютер на первый взгляд является как бы «возвращением к истокам»: это разновидность аналоговой вычислительной машины, такой как, например, механический арифмометр или шифровальная машинка типа знаменитой «Энигмы», изобретенной в Третьем рейхе.

Но это не так: по своей сути это цифровое устройство, но с аналоговой природой. Хорошо, принцип квантовых вычислений известен лет 20–30 – а как с реализацией? Американские ученые из исследовательского центра IBM (IBM's Almaden Research Center) создали действующую модель квантового компьютера с использованием алгоритма Питера Шора лишь в конце 2001 года.

Этот алгоритм всего лишь позволяет разложить натуральное число n на простые множители, привязав процесс к функции времени, и относится к классу быстрых алгоритмов полиноменального типа. Фактически все, что смог этот прототип, – это догадаться, что 5x3=15.

Компьютер, созданный группой ученых из IBM и Станфордского университета, представлял собой пробирку с миллионами молекул, имеющих семь ядерных спинов (положений). Он мог быть «запрограммирован» при помощи электромагнитных импульсов разной частоты, а для получения результатов работы устройства использовался специальный сканер.

В полной мере квантовые компьютеры проявляют свои достоинства при выполнении факторизации чисел – задачи, лежащей в основе современной криптографии. Чем больше факторизуемое число, тем дольше обычный компьютер будет искать его делители. Каждый следующий разряд удваивает время вычислений.

Для квантового компьютера увеличение числа не создаёт таких проблем, поскольку дополнительные разряды замедляют его работу на фиксированное время. Вот и пришла пора вспомнить о легендарной «Энигме».

Квантовая «Энигма»

Алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах
Если вы полагаете, что Windows – та программа, на которую в мире продано наибольшее количество лицензий, – наведите ревизию в ящике, где вы храните свои диски с программами. Самую распространенную операционную систему опережает скромный продукт фирмы RSA Data Security, Inc. – программа, реализующая алгоритм шифрования с открытым ключом RSA, названный так в честь его авторов – американских математиков Ривеста, Шамира и Адельмана.

Дело в том, что алгоритм RSA встроен в большинство продаваемых операционных систем, а также во множество других приложений, используемых в различных устройствах – от смарткарт до сотовых телефонов. Вообще, трудно найти известную фирму, работающую в области высоких технологий, которая не купила бы лицензию на эту программу.

На сегодняшний день фирма RSA Data Security, Inc. продала уже более 450 миллионов(!) лицензий. Почему же алгоритм RSA оказался так важен? Для решения проблемы безопасного обмена конфиденциальными сообщениями в 1970-х годах были предложены системы шифрования, использующие два вида ключей для одного и того же сообщения: открытый (не требующий хранения в тайне) и закрытый (строго секретный). Открытый ключ служит для шифрования сообщения, а закрытый – для его дешифровки.

Вы посылаете вашему корреспонденту открытый ключ, и он шифрует с его помощью свое послание. Все, что может сделать злоумышленник, перехвативший открытый ключ, – это зашифровать им свое письмо и направить его кому-нибудь. Но расшифровать переписку он не сумеет. Вы же, зная закрытый ключ (он изначально хранится у вас), легко прочтете адресованное вам сообщение. Для зашифровки ответных посланий вы будете пользоваться открытым ключом, присланным вашим корреспондентом (а соответствующий закрытый ключ он оставляет себе). Как раз такая криптографическая схема и применяется в алгоритме RSA – самом распространенном методе шифрования с открытым ключом.

Расчеты показывают, что с использованием даже тысячи современных рабочих станций и лучшего из известных на сегодня вычислительных алгоритмов одно 250-значное число может быть разложено на множители примерно за 800 тысяч лет, а 1000-значное – за 10 в 25-й степени (!) лет. (Для сравнения возраст Вселенной равен ~10 в10-й лет.) Между тем, согласно оценкам, квантовый компьютер с памятью объемом всего лишь около 10 тысяч квантовых битов способен разложить 1000-значное число на простые множители в течение всего нескольких часов!

Применение идей квантовой механики уже открыло новую эпоху в области криптографии, так как методы квантовой криптографии открывают новые возможности в области передачи сообщений, которые даже теоретически нельзя «расшифровать». Работы над коммерческими системами такого рода уже идут полным ходом.

Лиха беда начало!

О процессоре известно лишь то, что это новый тип аналогового процессора с масштабируемой архитектурой и что он основан на квантовомеханических принципах
Если вычислительный регистр прототипа IBM имел всего семь ядерных спинов, то регистр процессора Orion имеет их уже 16. А это уже кое-что! На восьми- или шестнадцатиразрядных Spectrum и Amiga или им подобных многие из нас начинали свое знакомство с компьютерами. А 8-разрядные процессоры типа Z80 до недавних пор исправно приводили к цели выпущенные за пару тысяч километров «Томагавки» с точностью в 20–30 метров.

Возможности квантового 16-кубитного процессора гораздо серьезней. Он позволяет выйти на такие информационные технологии, на фоне которых создание интегральной микросхемы или Интернета покажется лишь эпизодом.

Однако перед этим предстоит решить ряд серьезных проблем: выбрать способ реализации кубитов (из чего их делать – проще говоря), определить физический механизм взаимодействия между кубитами и найти способ селективного управления кубитами и измерения их квантового состояния на выходе системы.

D-Wave Systems cмогла решить эти проблемы, хотя из материалов пресс-релиза и другой информации на сайте компании можно уяснить лишь выбор способа реализации кубитов, для которого использовались сверхпроводящие материалы на основе ниобия.

О процессоре известно лишь то, что это новый тип аналогового процессора с масштабируемой архитектурой и что он основан на квантовомеханических принципах. Компания, правда, обещает в скором времени представить на своем сайте самую подробную информацию о своем квантовом компьютере.

Сделано это будет, видимо, после того, как выйдет в свет направленная в авторитетный научный журнал статья. Нынешняя презентация, судя по всему, понадобилась компании для утверждения собственного приоритета в области квантовых вычислений.

Квантовый компьютер успешно справился с тремя предложенными ему задачами – поиском молекулярной структуры, соответствующей конкретной молекуле-мишени, составлением сложного плана размещения гостей за столом и решением головоломки Судоку. Скромненько, скажете? Попробуйте решить эти задачи за приемлемое время на обычной машине.

D-Wave Systems заявила, что квантовый компьютер не будет конкурентом нынешним, скорее, он предназначен для решения задач с огромным количеством исходной информации и большим числом переменных. Такие задачи характерны для систем криптографии и безопасной передачи данных, биологии и медицины, моделирования квантовых систем, оптимизации различных процессов. Так что лиха беда начало!

Текст: Геннадий Нечаев

Вам может быть интересно

При атаке беспилотников на Нижнекамск в Татарстане погибли люди
Темы дня

Транспортная сеть Евразии станет ответом на морской шантаж Запада

Железная дорога из России вплоть до Индийского океана – именно о таком гигантском проекте заговорили в российском правительстве. При всех технических сложностях перед нами вовсе не пустая фантазия. В строительстве такой магистрали заинтересованы еще множество государств, а главное – к этому подталкивают агрессивные действия Запада в Мировом океане.

Швеция подчинилась украинскому морскому пиратству

Прецедентный вердикт принял на уходящей неделе Верховный суд Швеции: он утвердил решение конфисковать сухогруз, обвинявшийся Украиной в вывозе зерна из российского Крыма. «По факту за борьбой за исполнение санкций Евросоюза и пресловутым "сдерживанием России" стоит банальное зарабатывание денег», комментируют этот вердикт эксперты.

Востоковед оценил меморандум России и Сирии о судьбе военных баз

Мэр Нагасаки назвал страну, сбросившую на город атомную бомбу

В соцсетях удивились реакции Вучича на вопрос об «убийстве русских»

Новости

Вучич объяснил позицию Сербии после визита Зеленского в Белград

Президент Сербии Александр Вучич после визита Владимира Зеленского в Белград заверил, что страна не изменяла политический курс.

Economist объяснил всплеск ЗППП в Европе

В Европе фиксируется рост заболеваний, передающихся половым путем, в частности, гонореи и сифилиса, пишет журнал Economist.

Слова вернувшегося из плена на Украине водителя легли в основу дела Трабера

Свидетельства Игоря Лыкова, работавшего шофером у бизнесмена Ильи Трабера, стали ключевыми в расследовании громкого убийства депутата Александра Петрова в Ленинградской области, свидетельствуют материалы уголовного дела.

Telegraph: Камеры дронов ВМФ Британии тайно отправляли данные в Китай

Камеры на разведывательных надводных дронах K3 Scout, которыми пользуются спецподразделения Британии, передавали данные в Китай, пишет Telegraph.

Российские военные научились находить повреждения оптоволокна по вибрации

Военнослужащие группировки «Центр» задействовали виброакустическое зондирование для быстрого обнаружения обрывов линий связи оптоволокна, оно позволяет найти повреждение с помощью вибраций, сообщили в Минобороны.

В Белоруссии задержали фигуранта дела о некачественной тушенке для СВО

Сотрудники КГБ Белоруссии задержали предпринимателя Дмитрия Мизгира, подозреваемого в поставках сотен тонн некачественных консервов в зону проведения спецоперации, пишут СМИ.

МИД Белоруссии назвал мотивы закрытия границы Латвией

Закрытие границы Латвией преследовало цель получить дополнительное финансирование от европейских структур, заявил глава МИД Белоруссии Максим Рыженков.

Постпред в Вене прокомментировал обвинения Франции в адрес России из-за пожаров

Заявления французских официальных лиц и прессы о якобы причастности Москвы к лесным пожарам во Франции демонстрируют пренебрежение к собственным гражданам, заявил постпред России в Вене Михаил Ульянов.

В Черниговской области Украины прекратили уборку урожая из-за угрозы мобилизации

В Черниговской области Украины приостановили уборку урожая из-за деятельности ВСУ и территориальных центров комплектования (ТЦК, аналог военкомата).

Марочко заявил о вводе Драпатым резервов ВСУ для контратак

Главком ВСУ Михаил Драпатый бросил в бой резервные подразделения, потеряв за прошедшую неделю 9,6 тыс. солдат и наемников, сообщил военный эксперт Андрей Марочко.

В Германии потребовали уволить журналиста FAZ за слова об «убийстве русских»

Жители Германии опубликовали обращение с призывом отстранить от работы сотрудника издания Frankfurter Allgemeine Zeitung Михаэля Мартенса после его слов о возможности «убивать больше русских».

Вучич пригрозил изменить русло Ибра из-за преследований сербов в Косово

Сербия не собирается вступать в военное столкновение с НАТО из-за преследований сербов в Косово, но рассматривает возможность изменения течения реки Ибар, заявил президент Сербии Александр Вучич.
Мнения

Василий Авченко: Крутой маршрут на Колыму

Советую всем, кто в отпуске привычно отправляется куда-нибудь за границу, хотя бы один раз долететь, или доехать, или доплыть до Колымы, до края нашей ойкумены. Точно знаю: это станет и открытием, и откровением.

Сергей Лебедев: Почему русских так интересует геополитика

Обвинения граждан России в нездоровом интересе к геополитике – несостоятельны. Этот интерес рационален и прагматичен. Он обусловлен тысячелетним опытом выживания в крайне непростых условиях и фундаментальным знанием, что мировая политика имеет свойство заявляться на порог нашего дома.

Дмитрий Губин: Почему «объясняющий класс» не может ничего объяснить

Уже несколько столетий в России не могут решить, какое место в ее жизни занимает интеллигенция, кто к ней принадлежит, а кого из нее исключили с правом восстановления и без оного. И чем она отличается от просто образованных людей. Иногда казалось, что эти вопросы решены раз и навсегда, но – нет, не решены.
Вопрос дня

Что за ветеран сидел рядом с Путиным на параде Победы