Квантовый компьютер: взлом любого шифра, кубиты и крайне низкие температуры
Теоретически квантовые компьютеры будут способны быстро решать задачи, на которые у суперкомпьютеров уходили бы тысячи лет. Эта технология может изменить привычный нам мир. Популярно о квантовых компьютерах рассказывает Евгений Глушко в очередном выпуске на канале наших друзей Sci-One TV. Текстовую версию — как и всегда — читайте под катом.
Обычному пользователю квантовый компьютер ещё долго будет не нужен, может быть даже никогда. Но с его помощью уже сегодня можно поставить на колени всё и всех, кто зависит от интернета: например, мировые банки и любые современные финансовые системы. Ну или просто можно узнать всё, что от вас пытаются скрыть другие люди.
В 90-х годах прошлого века американский математик Питер Шор придумал квантовый алгоритм, который способен очень быстро разложить большущее число на два простых сомножителя. Казалось бы, кому это вообще надо? К сожалению, обычные компьютеры (как и суперкомпьютеры) справляются с этой задачей из рук вон плохо. Т.е. разложить число 15 в произведение 3×5 они могут, а вот если в числе 100 или 1000 знаков, то уже не очень. Чисто технически они могут это сделать — просто переберут все комбинации, но на это уйдёт не один миллион лет. И эту слабость классических компьютеров используют современные криптографические алгоритмы. На сегодняшний день практически вся ценная информация, которая передаётся через интернет, зашифрована с таким расчётом. Это и банковские транзакции, и секретные переговоры, и даже ваша переписка в социальных сетях. Расшифровать всё это с помощью классических компьютеров практически нереально. Теперь представьте, что кто-то вдруг создал квантовый компьютер и запустил на нём алгоритм Шора. И тогда любая зашифрованная в мире информация станет для него доступна.
Но этому можно помешать. Например, с помощью квантовой криптографии, когда информация зашифровывается в квантовое состояние отдельных фотонов. Так что вам будет не обойтись без квантового компьютера. А квантовый компьютер невозможен без кубитов. Кубиты — квантовые биты — такие же элементарные блоки квантового процессора, как транзисторы в процессорах обычных компьютеров. Нужно различать теоретическое понятие кубита, как единицы квантовой информации, и физическое воплощение кубитов, для которого могут быть использованы различные физические системы — фотоны, ионы, спины ядер и электронов. Сегодня больше всего надежд возлагается на сверхпроводящие кубиты.
Но как работает кубит? Всем нам знакомы биты — нули и единички, которые обрабатываются обычными компьютерами. Квантовые биты очень на них похожи (хотя и не без квантовых странностей). У них тоже есть два основных состояния — 0 и 1, но, благодаря особому квантовому свойству — суперпозиции — они могут находиться в любом из состояний между нулем и единичкой.
Суперпозиция наглядно показана в знаменитом мысленном эксперименте с котом Шрёдингера: кот в закрытом ящике одновременно и жив, и мёртв, пока мы не откроем крышку и не посмотрим на него. Так же и с кубитами — они могут находиться в произвольном состоянии между нулём и единицей. Но когда мы измерим их, то всегда с определённой вероятностью получим либо 0, либо 1.
Кстати, кубиты были одной из любимых тем Фейнмана! В 1980-х годах он предложил использовать существующие в природе квантовые системы с двумя состояниями (двухуровневые системы), чтобы симулировать сложные для классических компьютеров задачи. Правда, сам он не знал слово «кубит» — оно было придумано чуть позже Стивеном Визнером. А кубит Визнер придумал для обозначения квантовых денег.
Как создать кубиты? Уже предложено множество разных решений: квантовые точки, захваченные ионы, дефектные алмазы, фотоны и, конечно же, сверхпроводящие схемы, которыми занимаемся мы с коллегами. И нам удалось создать первый в России сверхпроводящий кубит. Достоинства такого типа кубитов очевидны — это большие квантовые объекты, которые можно спокойно поместить на чип и не беспокоиться, что они куда-то улетят, подобно атомам или ионам. Их можно размещать как угодно и в каком угодно количестве, а также точно контролировать их параметры. Подобная искусственная квантовая система — наиболее вероятный кандидат для построения квантового компьютера. А ещё сверхпроводящие кубиты очень похожи на существующие процессоры, поэтому не составит большого труда наладить их полномасштабное производство.
Сверхпроводящий кубит — это просто кольцо из сверхпроводника (металла, по которому электрический ток может течь без потерь). Но можно заметить и несколько особенностей. Они называются джозефсоновскими переходами и представляют собой два кусочка сверхпроводника, разделенных тонкой прослойкой изолятора. Пары электронов могут без проблем проникать через эту прослойку благодаря квантовому туннелированию. Благодаря джозефсоновским переходам мы можем управлять энергетическими уровнями в наших кубитах, подстраивая их необходимым образом. К примеру, когда ток в кольце течёт по часовой стрелке, кубит находится в состоянии 0, а когда против часовой — в состоянии 1. Но и это всё в теории. Как же практически создать такие структуры? Здесь на помощь приходит электронная литография — рисование пучком электронов по чувствительной поверхности. Таким способом можно создавать невероятно маленькие структуры размером вплоть до 10 нанометров!
Когда нужная структура нарисована, на поверхность чипа напыляется металл (например, алюминий). И сверхпроводящий кубит готов! Потом его нужно измерить. Для этого мы помещаем чип в большой криостат. Это тот же холодильник, только очень дорогой и работающий на смеси жидкого гелия. Он позволяет получать крайне низкие температуры — вплоть до одной сотой градуса выше абсолютного нуля! Это в сто раз холоднее, чем в самом холодном месте во Вселенной! Зачем нужны такие низкие температуры? Во-первых, чтобы сверхпроводники, из которых сделан наш чип, начали сверхпроводить — чтобы электроны объединились в пары и стали двигаться согласованно и без потерь энергии. Во-вторых, чтобы максимально изолировать нашу хрупкую квантовую систему от внешнего мира. В первую очередь — от теплового шума — злейшего врага любой «квантовости».
Собственно, это одна из проблем, из-за которой до сих пор не удалось создать настоящий полноценный квантовый компьютер. Вы, наверное, слышали, что компания IBM объявила о наступившей эре квантовых компьютеров и даже дала всем желающим доступ к одному такому через интернет. Но это пока больше реклама, хотя и основанная на серьёзной научной работе. Правда в том, что инженеры IBM собрали процессор всего из 5 кубитов, на котором ничего серьёзного запустить нельзя (для этого их нужно несколько сотен). Хрупкость кубитов мешает нам вступить в новую эру. А когда их соединяют вместе, время жизни кубитов стремительно уменьшается.
Происходит это потому, что кубиты — хрупкие квантовые системы, которые желательно максимально изолировать от окружающего мира (тогда они смогут сохранять своё квантовое состояние). А когда рядом с ними мы сажаем ещё кубиты, они неизбежно начинают взаимодействовать друг с другом, и квантовое состояние каждого из них разрушается. И чем больше их будет рядом — тем быстрее оно будет разрушаться.
Любители компьютерных игр наверняка спросят: и столько сил ради компьютера, на котором даже Доту или Майнкрафт не запустить? Про шифрование я уже говорил. Но важно и другое. Создав квантовый компьютер, мы сможем выиграть в скорости решения пусть всего нескольких, но крайне важных для современной цивилизации видов задач:
- быстрый поиск по гигантским базам данных (а их становится всё больше);
- оптимизация грузоперевозок (задача коммивояжёра);
- ускорение и удешевление поиска новых лекарств и материалов, например, высокотемпературных сверхпроводников.
Но впереди ещё много работы. Да пребудет с вами наука!
Полезные ссылки:
makeitquantum.ru — для дальнейшего чтения по теме.
vk.com/makeitquantum — свежие квантовые новости.
mipt.ru/science/labs/artificial_quantum_systems_lab — лаборатория Искусственных квантовых систем.
