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

В Киеве прогремели взрывы на фоне атаки баллистических ракет
Темы дня

НАТО завлекает украинцев на войну с Россией конкурсами

НАТО проводит на Украине конкурс с призовым фондом в 250 тыс. долларов. Эти деньги должны получить люди, которые предложат дешевый способ вывода из строя российских авиабаз. Причем на его внедрение должно уйти менее года. Эксперты видят в проекте подготовку к прямому столкновению НАТО с Россией. Удастся ли противникам найти недорогое решение за столь короткий срок и какой ответ готовит Москва?

Франция расплачивается жизнями за свое отношение к кондиционерам

Рекордная жара уже привела к десяткам смертей во Франции. Странность, однако, в том, что множество и государственных, и частных зданий в этой южноевропейской стране не оснащены кондиционерами – даже школы и больницы. Почему спасительные во время жаркой погоды аппараты де-факто стали во Франции, как заявляют политики, «идеологическим табу»?

Посольство России в Кишиневе обвинило Молдавию в блокировании дипломатической почты

Президент Литвы назвал польского премьера Дональдом Даком

Глава МИД Эстонии обвинил мультфильм «Маша и Медведь» в пропаганде милитаризма

Новости

На Украине уничтожено свыше 150 АЗС за два месяца

За минувшие два месяца на Украине были уничтожены более 150 автозаправочных станций, заявил бывший министр инфраструктуры страны Андрей Пивоварский.

Сейсмолог объяснил несвязность между собой землетрясений в Венесуэле и Японии

Венесуэльские и японские землетрясения произошли в рамках собственных независимых тектонических процессов и никак не связаны друг с другом, а общая сейсмическая активность на планете не растет, сказал газете ВЗГЛЯД директор Камчатского филиала Единой геофизической службы РАН Данила Чебров, комментируя серию разрушительных подземных толчков в Венесуэле и Японии.

Москва констатировала «дрейф» второй стороны от достигнутых на Аляске соглашений

Официальный представитель МИД России Мария Захарова сообщила, что Москва фиксирует отход одной из участниц диалога от итогов переговоров на Аляске.

Полянский: ЕС вступит в конфликт с Россией, когда Украина окончательно «сточится»

Постоянный представитель России при ОБСЕ Дмитрий Полянский предупредил о вероятности прямого столкновения с Западом.

Домбровскис раскрыл цену европейского кредита для Украины

Европейскому союзу придется ежегодно платить три млрд евро в год из своего бюджета в качестве процентов по привлеченному для помощи Киеву кредиту в 90 млрд евро, заявил еврокомиссар по экономике Валдис Домбровскис.

Пентагон сообщил об отставке главы сухопутных войск НАТО Донахью

Американский генерал Кристофер Донахью покинет должность командующего сухопутными силами США в Европе и Африке в начале июля без объяснения причин.

Коломойский заочно приговорен к 12 годам за хищение нефти на 10 млрд рублей

Альметьевский городской суд вынес заочный приговор украинскому бизнесмену Игорю Коломойскому (внесен в список террористов и экстремистов в России) за организацию кражи российской нефти на сумму более 10 млрд рублей, сообщили в пресс-центре МВД России.

Российские селекционеры создали зимостойкий сорт земляники «Новороссия»

Специалисты Федерального научного центра садоводства представили адаптированный к условиям Центральной России сорт садовой земляники с высокой урожайностью.

Минэнерго Украины призвало граждан готовиться к тяжелой зиме

Глава Минэнерго Украины Денис Шмыгаль призвал граждан страны готовиться к тяжелой зиме.

Захарова потребовала от ООН исключить Россию из списка нарушителей прав детей

Официальный представитель Министерства иностранных дел России Мария Захарова заявила о необходимости исключения страны из перечня нарушителей прав несовершеннолетних на Украине.

Зонд BepiColombo с российскими приборами приблизился к Меркурию

Меркурианский зонд BepiColombo приступает к фазе выхода на орбиту Меркурия, сообщил Роскосмос.

Москвичи назвали главные темы для обсуждения с партнером до брака

Москвичи рассказали газете ВЗГЛЯД, какие темы считают обязательными для обсуждения с партнером до брака. В их числе – схожесть жизненных взглядов, общение с бывшими и поведение в конфликтных ситуациях.
Мнения

Тимофей Бордачёв: Польша попала в ловушку собственной русофобии

Поляки вообразили себе совершенно невозможный сценарий отношений с Украиной и действовали на основании созданной ими самими химеры. А киевские правители повели себя в отношении своих польских покровителей так, как от них стоило ожидать, – стали публично оскорблять и унижать.

Юрий Подоляка: В информационном поле осталось только право сильного

Удаление из App Store приложений VK – свидетельство того, что идет игра ва-банк за право монопольно влиять на информационное пространство (в данном случае России). Всеми доступными способами, какие у них только есть в арсенале.

Игорь Караулов: Куда заводят мечты о дипломе

Не нужно пугаться, что высшее образование станет уделом элиты. В идеале оно и должно быть элитарным: лучше меньше, да лучше. Правда, мерой элитарности здесь должны быть не родительские деньги или связи, а способности самого претендента на место в вузе.
Вопрос дня

Что за ветеран сидел рядом с Путиным на параде Победы