Информационный Hi-Tech: от дюйма до кубита
Hi-Tech
Дерзкие теоретики квантовой версии цифровой физики утверждают, что Вселенная – не просто гигантский компьютер, а гигантский квантовый компьютер.
“Машина различий” Уильяма Гибсона и Брюса Стерлинга – научно-фантастическая альтернативная история викторианской Англии XIX в. захватывающе показывает, что компьютерная революция могла случиться на 100 лет раньше, если бы идеи Чарльза Бэббиджа, дедушки вычислительной техники, были успешно реализованы и пущены в производство. Необычен жанр романа steampunk – “паропанк”, ведь вместо электричества и двигателя внутреннего сгорания общество активно эксплуатирует энергию пара, а вместо компьютеров – паровые аналоговые вычислительные (“разностные”, в буквальном переводе) машины на шестерёнках и перфокартах. IT паровой эпохи выражены не байтами оперативной памяти и герцами тактовой частоты процессора, а “сверканием десятков рычагов и храповиков, тысяч стальных шестеренок”, размеры зацепления которых измеряются дюймами и милями. В течение двух десятилетий непрерывной научно-технократической революции получается вполне постиндустриальное общество, где главной ценностью становятся знание, информация. Не забыта в романе и Ада Байрон, более известная нам как Ада Лавлейс, давшая имя одному из первых универсальных языков программирования, выступающая в образе гениального математика - “королевы машин”, вероятно по имени её настоящей матери Анны Изабеллы Байрон, получившей за свое увлечение математикой от мужа прозвище “Королева параллелограммов”.
Аналоговая вычислительная техника главенствовала в истории человечества от времен создания древнегреческими астрономами астролябии в III в. до н. э. и до начала НТР во второй половине XX века. И представлена она, если рассматривать характер рабочего процесса, не только указанным в “Машине различий” движимым энергией пара механическим комбинированным автоматом, но и собственно механическими, пневматическими, гидравлическими или электромеханическими устройствами. Отсюда и происходят основные аналоговые физические параметры, представляющие числовые данные (угол, длина, давление, скорость, сила тока, напряжение), в чем и заключается ее основное отличие от цифровой компьютерной техники. Исторический экскурс позволяет увидеть интересные и весьма значимые для своего времени инженерно-вычислительные устройства: Антикитерский механизм (около 100 г. до н. э.), универсальная астролябия ал-Ходжанджи (Х в.), логарифмическая линейка У. Ортеда (1622 г.), арифметическая суммирующая машина Б. Паскаля (1646 г.), планиметр Дж. Германа (1814 г.), дифференциальный анализатор В. Буша (1927 г.), электронные аналоговые вычислительные машины Л. Гутенмахера (1945 г.).
Другим важным отличием является отсутствие у аналоговой вычислительной машины хранимой программы, под управлением которой можно решать разнообразные задачи, хотя первоначальный план аналитической машины Бэббиджа, представлял собой проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, предназначенной для вычисления и печатания логарифмических таблиц с большой точностью. Неудача Бэббиджа при конструировании машины приписывается не только политическим и финансовым трудностям, но и его желанию создать столь изощрённый и сложный компьютер, что оказалось неразрешимой для того времени задачей. Для нас же остались записи Ады Лавлейс, которая предрекала, что, подобно тому, как Жаккардов ткацкий станок путем смены перфокарт может ткать разные цветы и листья, аналитическая машина способна создавать алгебраические формулы, а в перспективе — писать музыку, рисовать картины — и укажет “науке такие пути, какие нам и не снились”.
Однако, нельзя забывать, что вычислительная техника, основанная на механике, не только уступает цифровой в скорости обработки данных, но и имеет внутренние технологические несовершенства, детально описанные в “Машине различий”: “шестерёнки при вращении трутся, нагреваются, расширяются, зацепление становится слишком плотным, на зубцах появляются выбоины. В сырую погоду портится смазка, а в сухую – работающая машина создаёт небольшой лейденский заряд, притягивающий всякую пыль и грязь. Сцепления заедает, перфокарты липнут к загрузчикам”.
Логика развития науки и технологий, ведущая к универсальности, управляемости и комфорту, позволила решить указанные проблемы. Но не сразу, а в ХХ веке, с наступлением цифровой эпохи.
Впервые математически точно двоичная система счисления, лежащая в основе обработки цифровых сигналов, была подробно описана немецким математиком Готфридом Лейбницем в публикации от 1705 г. В системе счисления Лейбница были использованы, как и в современной двоичной системе, цифры 0 и 1. Как человек, увлекающийся китайской культурой, Лейбниц знал об «И цзин» (Книге Перемен) и заметил, что 64 гексаграммы (аналог 6-битных цифр) с комбинациями сплошных и прерывистых черт соответствуют записи двоичных чисел от 000000 до 111111. Открытие системы записи цифр, при которой регулярно повторяются нули и единицы в вертикальных столбцах, позволило Лейбницу сделать чертёж вычислительной машины, работавшей на основе его новой математики. Он также разъяснил, как с помощью этой системы можно объединить принципы арифметики и логики.
Открытие в 1847 г. английским математиком Джорджем Булем аналогий символических методов алгебры и методов представления логических форм и силлогизмов, которая впоследствии стала называться Булевой алгеброй, послужило основным математическим инструментом при создании компьютеров. Самая простая нетривиальная булева алгебра содержит всего два элемента, 0 и 1, которые имеют значения «Ложь», «Истина». Он ввел также алгебраическую систему, содержащую функции: конъюнкции (логическое умножение, оператор «AND»), дизъюнкции (логическое сложение, оператор «OR») и отрицания (оператор «NOT»). В вычислительной технике данные логические операции над входными сигналами (операндами, данными) выполняют логические элементы или логические вентили, которые могут быть выполнены самыми различными физическими способами. Первые логические вентили были реализованы механически.
Еще Чарльз Бэббидж при разработке аналитической машины спроектировал элементы, схожие с архитектурой современного компьютера: склад (store) - память, фабрика или мельница (mill) – часть процессора, управляющий элемент (control) и устройства ввода-вывода информации. Однако, работающий компьютер в викторианской Англии удалось реализовать только в фантазии авторов “Машины различий”. Архитектура компьютера в современном понимании, включая схему с хранимой программой, была реализована столетие спустя Эккертом, Мочли и фон Нейманом.
И все-таки “отцом информационного века” считают американского инженера, криптоаналитика и математика Клода Шеннона. Суть его новаторского подхода заключалась в том, чтобы работу переключателей и реле в электрических схемах анализировать на базе достаточно абстрактного аппарата булевой алгебры, и в итоге ликвидировать разрыв между алгебраической теорией логики и ее практическим приложением. Постепенно у Шеннона стали вырисовываться контуры устройства компьютера. Если построить электрические цепи в соответствии с принципами булевой алгебры, то они могли бы выражать логические отношения, определять истинность утверждений, а также выполнять сложные вычисления. Электрические схемы, очевидно, были бы гораздо удобнее шестеренок и валиков, смазанных машинным маслом у аналогового "дифференциального анализатора" Вэнивара Буша. Свои идеи относительно связи между двоичным исчислением, булевой алгеброй и электрическими схемами Шеннон развил в основанной на своей магистерской работе статье “Символический анализ релейных и переключательных схем”, опубликованной в 1938 году.
Эпохальным же трудом Клода Шеннона является шедевр под названием «Математическая теория связи», увидевший свет в 1948 году. Данная публикация положила начало рождению совершенно новой научной области под названием «теория информации».
Еще в 1940-е годы, выпоняя работу в математическом отделении научно-исследовательского центра Bell Laboratories, сосредоточенного на проблемах военных коммуникационных систем и криптографии, Шеннон сформулировал главную проблему связи – «на одном конце в точности или приблизительно воспроизвести сообщение, которое избрали для передачи на другом конце». Причем “семантические аспекты связи не имеют отношения к инженерной задаче” (слово, число, звук, изображение) – сообщение просто надо передать из одного места пространства в другое, а для пересылки требуется коммуникационный канал.
Сейчас, постоянно пользуясь универсальными гаджетами, мы не понимаем нетривиальность данной задачи в то непростое время, когда параллельно существовали разнообразные технологии связи (от телеграфа до радара), причем каждая жила собственной жизнью. Кроме того, в данном аналоговом мире коммуникаций специфика сообщения рассматривалась непосредственно связанной с физикой конкретной среды передачи.
И для того, чтобы решить эту проблему, ему пришлось сформулировать то, что означает весьма смутная прежде концепция «информации» конкретно для инженеров связи, а также найти способ эту информацию измерять. Благодаря этому также стало понятно, каким образом информацию следует кодировать – как для защиты от искажений, так и для наиболее быстрой, эффективной передачи.
Имея за плечами аппарат двоичной логики, Шеннон выдвинул простую и одновременно гениальную идею, согласно которой информационное содержимое в сообщении абсолютно любого типа может быть измерено в двоичных цифрах 0 и 1 или, кратко, в «битах». Вот как он это сформулировал во введении к работе: “выбор основания логарифма соответствует выбору единицы измерения информации. Если взять основание 2, то полученные единицы можно назвать ``двоичными цифрами'', или битами (binary digits -> bits, слово предложено Дж.В.Таки, J.W.Tukey). Устройство с двумя устойчивыми состояниями, такое как переключатель или триггер, способно хранить один бит информации, N таких устройств - N бит, так как полное число состояний 2ᴺ и log 2 2ᴺ = N”.
Сегодня, собственно говоря, в каждой из букв, каждом числе, звуке, цвете на каждом экране наших электронных устройств, в который мы смотрим, отображается результат кодирования двоичных знаков путем нескончаемых колебаний электрических разрядов, получаемых на выходе логических вентилей, триггеров, который в микросхемах на основе транзисторно-транзисторной логики фактически реализуется для значения «0» напряжением в диапазоне от +0 до +0.8 В, а значения «1» — напряжением в диапазоне от +2.4 до +5.0 В.
После Второй мировой войны миниатюризация электронных схем стала преобладающей, в каждом новом устройстве применялись все меньшие переключатели. Следствием изобретения интегральной схемы в 1958 г. явился скачок 1971 года, когда компания Intel выпустила на рынок первый микропроцессор, по сути микрокомпьютер на одном кристалле, заменивший множество интегральных микросхем. После этого разработчики любого цифрового устройства, могли запрограммировать его под определенные задачи, которое оно должно было реализовать.
Таким образом, основными отличительными свойствами цифровой компьютерной техники, работающей не с непрерывными аналоговыми, а с дискретными сигналами, стала универсальность, программируемость, точность передачи данных и долговечность их хранения.
Математически количество информации Шеннон выразил через энтропию — величину, известную в термодинамике и статистической физике в качестве характеристики степени хаотичности (разупорядоченности) системы.
На первый взгляд, термодинамика и теория информации далеки: первая была разработана для описания паровых двигателей, а вторая – чтобы оптимизировать каналы связи. Однако, даже на интуитивном уровне, пользуясь словом «информация», как совокупностью сведений об интересующем объекте, мы связываем его с определенными значением, привносящим некую упорядоченность в данные отношения. Энтропия, в самом широком определении - это мера хаоса. Ее величина дает нам представление о том, как далеко любая система находится от упорядоченного состояния и как близко — к полностью хаотичному, однородному виду. Научное понимание универсальности энтропии как меры хаотичности независимо от природы системы развивалось постепенно. Понятие “энтропия” присутствует в объяснении систем различной природы: это и энтропия Клаузиуса в термодинамике, и энтропия Больцмана в статистической физике, энтропия Колмогорова в теории динамических систем, энтропия фон Неймана в квантовой механике.
В 1877 году Людвиг Больцман, давая статистико-физическое определение энтропии, заметил, что энтропия характеризует недостающую информацию о системе. Таким образом, Больцман был первым, кто увидел информационный смысл энтропии.
Однако, общность математического аппарата и быстро замеченная ассоциированность с термодинамикой, позволили Шеннону через ключевое понятие энтропии, в соответствие обиходному значению поставить точное определение “информации”, осуществить по сути ее энтропийную параметризацию.
Математически различные формы энтропии (S или H) независимо вводились Л. Больцманом: S = k log W, где W - число равновероятных микросостояний термодинамической системы, k – постоянная Больцмана; К. Шенноном: H = – ∑Ni=1 Pi log 2 Pi , где N - число всех переданных и принятых символов в информационном сообщении, Pi - вероятность появления i-го символа в сообщении; фон Нейманом: S = –Tr(ρ log ρ), где Tr(ρ) – след матрицы плотности (статистический оператор вероятности состояний квантовомеханической системы).
В этой связи, также обратим внимание на то, что в данных формулах общей важной пропорциональной мерой является выражение вида plog(p), что связано, вероятно, с особой ролью степенных законов в природе. Известно, что логарифмы появляются там, где проявляется самоподобие, то есть некоторый объект последовательно воспроизводится в некоторой прогрессии, увеличенном или уменьшенном масштабе. Более того, иерархической структура Вселенной, ее сложнейших микро-, макро-, био- и геомиров устроена в соответствии с пропорциональными законами, которые лучше всего выражаются для нашего абстрактного восприятия рамками логарифмических масштабов. Основание логарифмов при этом несущественно и выбирается из соображений удобства нашего восприятия количества чего бы то ни было — информации, хаоса, геометрии тела, энергии колебаний, интенсивности света звезды и так далее.
Наши органы чувств работают по логарифмическому закону Вебера–Фехнера: интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности стимула. Например, поскольку изменение яркости в одинаковое число раз воспринимается глазом как изменение на одинаковую величину, то шкала яркости звездных величин, эмпирически построенная древнегреческим астроном Гиппархом, соотносится с реальными физическими светилами логарифмически. С другой стороны, ноты в музыке, различающиеся по частоте в два раза, воспринимаются как одна и та же нота на октаву выше, а интервал между нотами в 12 полутонах классической октавы соответствует отношению их частот 21/12. Поэтому нотная шкала — логарифмическая.
В сейсмологии, каждый уровень шкалы интенсивности землетрясений Рихтера (от 1 до 9,5 магнитуды) соответствует в 32 раза большей энергии колебаний, чем предыдущий уровень.
Ярким примером множеств, обладающих свойствами самоподобия, являются фракталы - геометрические фигуры, каждый фрагмент которых повторяется при уменьшении масштаба, то есть фигуры обладающие свойством масштабной инвариантности. Живая и неживая природа постоянно строит свои структуры, основываясь на принципах фрактальной геометрии (кораллы, морские звезды, ананасы, цветы, кровеносная система, снежинки, облака, кристаллы и пр.). Наутилус помпилиус, или обыкновенный кораблик (лат. Nautilus pompilius) - единственный среди современных головоногих, имеющий наружную камерную раковину, уникальную по форме, соответствующей логарифмической спирали - кривой, у которой касательная в каждой точке образует с радиус-вектором в этой точке один и тот же угол, то есть прирост радиуса на единицу длины окружности постоянен.
Практически важные шкалы экспозиционных параметров (выдержек и диафрагмы) в фотографии, pH (водородного показателя) в химии, формула Циолковского для расчёта скорости ракеты – все это примеры логарифмических масштабов и зависимостей.
Как же определить, какое же свойство нашего мира является связующим звеном в вышеуказанных неслучайных пропорциях и соответствиях. Существующая теория информации, тесно связанная с понятием энтропии, играющем важную роль в термодинамике, в статистической физике, в физической и химической кинетике, в биофизике, космологии, по сути во всем современном естествознании, является очень важным шагом на этом пути.
Информация, наряду с материей, энергией, пространством и временем, является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Содержание основных, базовых понятий в любой науке должно быть пояснено на примерах или выявлено путём их сопоставления с содержанием других понятий. Но можно ли, как в геометрии, например, выразить содержание базового понятия «точка» через более простые понятия? В случае с понятием «информация» проблема его определения ещё более сложная, так как оно является не только общечеловеческим, но и общенаучным понятием. Многообразие свойств информации проявляется не только на уровне общения между людьми, но и на уровне живой и неживой природы, включая базовые вопросы бытия и эволюции Вселенной.
Ответы, на постоянно волнующие наш разум вопросы, лежат в плоскости понимания развития мирового информационного процесса. Была ли заложена в первичную космическую энергию некая первичная информация, некий код Вселенной, нечто подобное генетическому коду, по которому надлежало далее развиваться Вселенной? Иными словами, был ли Большой взрыв также и Большим информационным взрывом, или физические законы — правила игры полей и вещества — стали появляться по ходу самой игры?
Физические законы, открываемые наукой, это наши собственные правила, нами самими придуманные с целью упорядочить наши представления об окружающем нас мире, а Вселенная о них ничего не знает? Или физические законы есть некий информационный атрибут Вселенной, столь же объективный, как вещество или энергия, и мы лишь открываем их для себя?
Можно предположить, что мир информационных потоков рождается на разных уровнях структуры материи, поступает из разных источников и разными способами. Информация рождается Вселенной, как продукт ее жизнедеятельности.
Совокупность теоретических взглядов, основанных на интерпретации, что Вселенная по сути является информацией, и следовательно, является вычислимой носит название цифровой физики или панкомпьютеционализма. В 1969 году немецкий инженер Конрад Цузе, создатель первых в мире программируемого компьютера Z3, а также высокоуровневого языка программирования Планкалькюля, выдвинул в книге Rechnender Raum (“Вычислительное пространство”) гипотезу о том, что Вселенную можно моделировать подобно гигантским клеточным автоматам или другим дискретным вычислительным машинам. Это поставило под сомнение бытующее мнение, что некоторые физические законы являются непрерывными по своей природе. Иллюстрацией к этому является схема образования новой частицы C в результате слияния двух цифровых частиц A и B.
Согласно другим взглядам, единичные физические частицы отождествляются с информационными битами. Единичного бита достаточно для описания единичного перехода элементарной частицы, например электрона, из одного квантового состояния в другое. Поскольку Вселенная кажется состоящей из элементарных частиц, поведение которых может быть полностью описано их квантовыми переходами, то подразумевается, что она может быть полностью описана с помощью бит информации. Известная Вселенная (без учета 95% темной материи и темной энергии!) состоит из примерно 1080 нуклонов и примерно такого же числа электронов. Исходя из этого, Вселенная известных элементарных частиц может быть смоделирована на компьютере, способном хранить и манипулировать 1090 битами.
Итак, многие авторы полагают, что несомненно вероятностная природа квантовой физики не обязательно противоречит идеи вычислимости. В последнее время особую актуальность приобретает квантовая версия цифровой физики. Недавно она была предложена Дэвидом Дойчем, Сетом Ллойдом - отцами квантового компьютинга и Паолой Зицци из Падуанского университета, пионером теоретических исследований на стыке теории сознания и петлевой квантовой гравитации.
Первые теоретические схемы квантовых вычислений, хранения битов на отдельных атомах были предложены в начале 1980-х годов Полом Бениоффом из Калифорнийского технологического института и Дэвидом Дойчем из Оксфорда в Англии. Сет Ллойд, занимающий пост профессора квантово-механической технологии в Массачусетском технологическом институте, в свое время доказав теорему Шеннона для квантовых вычислений, предложил в начале 1990-х годов первую в мире технологичную версию квантового компьютера.
В квантовых вычислений можно выделить аспекта: первый — квантовый, а второй — вычислительный. Первый базируется на таких “странных” постулатах квантовой механики, как принцип суперпозиции и квантовая запутанность частиц.
В случае понимания поведения элементарных частиц наш повседневный «здравый смысл» перестает быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. В квантовом мире на первый план выступают такие особенности, как невозможность одновременно измерить координату и скорость, вероятностное описание, отсутствие определённой траектории частиц. Так, согласно копенгагенской (классической) интерпретации квантовой механики, вместо привычных нам параметров, есть волновая функция, описывающая квантовое или чистое, т. е. любое возможное состояние, в котором может находиться система, и определяющая вероятностные результаты измерения частицы. Отсюда вытекает принцип суперпозиции, согласно которому, если интерпретировать упрощенно, квантовая система как будто размазана в пространстве и находится во всех возможных состояниях одновременно. Парадоксальной аналогией в нашем привычном мире является футбольный мяч, одновременно летящий в двое ворот.
Еще одним странным квантовым принципом является принцип, который при устойчивом английском термине Quantum entanglement (буквально, квантовая запутанность) имеет в русскоязычных научных публикациях, ряд вариаций, к примеру, сцепленность, нелокальность, перепутанность, более точно характеризующих сущность наблюдаемых эффектов по мнению отечественных авторов. На самом деле, если квантовые частицы взаимодействуют друг с другом, то уместно рассматривать комбинированную волновую функцию этих частиц как единой системы. При этом и возникают запутанные квантовые состояния, при которых состояние каждой частицы не может быть описано независимо от состояния других, даже если частицы разнесены на бесконечно большое расстояние. Это явление считается фундаментальным для квантовой физики, хотя оно и не было признано в начале. К настоящему времени квантовая запутанность была экспериментально продемонстрирована с фотонами, нейтрино, электронами, фуллеренами - молекулами углерода C60 и даже мелкими алмазами.
Вычислительный квантовый аспект, вряд ли, проще для нашего понимания. В принципе, в классическом компьютере, вычислительный аспект, также основан на явлениях квантовой физики. Вся электроника, основанная на полупроводниковой кремниевой технике, в XX в. активно развилась благодаря успехам в одном из ее направлений – физике твердого тела. Классический цифровой компьютер получает информацию (текст, звук, видео - независимо от семантических аспектов по Шеннону) и дискретизирует ее, в зависимости от источника по каждому измерению, на мельчайшие возможные кусочки, которые называются битами. Располагая информацией, разбитой на мельчайшие кусочки, компьютер оперирует битами, заставляет их взаимодействовать и изменяет их по универсальным правилам логических операций. Но в битовых операциях, производимых в логических вентилях полевых транзисторов, один бит информации определяет поток электронов, точнее формируемое ими электрическое поле, так как сами электроны дрейфуют в полупроводниках медленно (со скоростью ~0,1 – 1 мм/с) , а поле распространяется мгновенно. Квантовый компьютер — это компьютер, который оперирует с битами универсальным образом, но работает, и это его основное отличие, на уровне индивидуальных элементарных частиц, фотонов, электронов — то есть там, где властвуют законы квантовой механики.
Вот здесь и начинается самое интересное. Вспоминаем волновую функцию элементарных частиц. На уровне квантовых вычислений это означает, что, хранение или обработка бита информации, например, на позиции отдельного электрона, должна учитывать также связанную с ним волну. Но в квантовой механике волны - протяженные объекты, и они могут одновременно находиться и здесь, и там. Это и есть квантовая суперпозиция, означающая, что этот один электрон как волна, размазан, то есть находится одновременно в двух местах. Таким образом, квантовый бит – кубит («qubit») или, как его иногда называют, «квантбит», обладает забавным или странным качеством: он может иметь значения «0» и «1» одновременно, потому что этот электрон может быть параллельно в двух местах.
Несколько кубитов могут быть в запутанном состоянии, что может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр. Причем квантовый, в отличие, от классического регистра битов, может не только находиться во всевозможных комбинациях составляющих его кубитов, но и реализовывать тонкие зависимости между ними. С практической точки зрения указанные замечательные “странности” означают, что квантовым компьютерам доступны такие способы вычисления, которые невозможны на компьютерах классических.
Квантовая информатика открывает возможность создать компьютер, способный к параллельным вычислениям на уровне своего физического устройства, и проблемой остаётся лишь прочитать конечный результат вычислений.
В 1995 году Дэвид Дойч нашёл универсальный логический блок, с помощью которого можно выполнять любые квантовые вычисления, а через четыре года им была предложена концепция квантового процессора и квантовых логических вентилей. Согласно ей, начальное записанное состояние системы кубитов или её подсистем изменяется посредством унитарных преобразований, выполняющих те или иные квантовые логические операции. Результатом работы квантового компьютера является измеренное конечное состояние системы. При этом роль проводов компьютера классического выполняют кубиты, а роль логических блоков - унитарные матричные преобразования.
Очень важно, что совпадающий с классическим алгоритм работы квантового компьютера не увеличивает число алгоритмически разрешимых задач. Весь смысл применения квантового компьютера заключается в том, что некоторые задачи он способен решить существенно быстрее, чем любой из классических. Физическое использование вышеуказанных замечательных “странностей” квантовой механики, позволяет в некоторых случаях достигнуть поразительного выигрыша во времени. Такие случаи называются квантовым ускорением классических вычислений или просто “квантовым превосходством”.
Например, n бит памяти в обычном случае хранят некое состояние и каждый такт времени изменяются процессором. В квантовом случае система из n кубитов находится в состоянии, являющемся суперпозицией всех базовых состояний, поэтому изменение системы касается всех 2n базовых состояний одновременно. Например, 64-разрядный квантовый регистр может хранить до 264 значений одновременно, а квантовый компьютер может все возможные значения этой группы кубитов одновременно обрабатывать, в отличие от группы классических битов, когда может быть использовано лишь одно текущее значение. Это обеспечивает поразительный параллелизм и ускорение вычислений. Теоретически новая схема может ускоряться в экспоненциальное число раз сильнее классической. Например, один из наиболее известных квантовых алгоритмов, Гровера - решения задачи перебора всех вариантов, то есть нахождения решения уравнения вида f (x) = 1, 0 ≤ x < N, где функция задана в виде “чёрного ящика”, показывает квадратичный прирост мощности против классических алгоритмов!
Открытые свойства сразу определили возможность использования квантового компьютера в криптографии, но не с деструктивными целями разрушения информационной структуры общества, а с целью защиты от хакерства. По сути можно использовать квантовые технологии и квантовую коммуникацию для передачи конфиденциальной информации, где надежность гарантирована законами квантовой механики. Например, в случае попытки взлома информационного сообщения, передаваемого с помощью элементарных частиц света ― фотонов, произойдет неизбежное разрушение этих фотонов, потому что один из постулатов квантовой механики говорит, что квантовое состояние невозможно измерить, не нарушив его. Таким образом, хакер обязательно будет замечен, и нарушение информационной безопасности удастся предотвратить.
По сути, на смену цифровым в обозримом будущем должны придти технологии квантовые. Можно также предположить, что квантовые технологии, произведут в нашем обществе в ближайшие несколько десятилетий примерно такую же революцию, какую совершили электронные полупроводниковые устройства в течение последних 50 лет.
Соревнование уже началось. В номинации квантовых технологий на роль лидеров сейчас претендуют десятки различных своеобразных кандидатов: сверхпроводящие элементы, ионы в вакуумных (или атомы в оптических) ловушках, твердотельные квантовые точки на полупроводниках, жидкий и твердотельный ядерный магнитный резонанс, молекулярный магнит, электронный парамагнитный резонанс на основе фуллерена, алмазные решетки, бозе-эйнштейновский конденсат, линейные оптические устройства и ряд других смешанных технологий.
Особое значение имеют физические системы, реализующие сами кубиты. Это могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния: например ионы, пойманные в магнитные ловушки и всяческим образом меняющие своё состояние при воздействии лазерных лучей, сами фотоны в поляризационных состояниях, наконец, электроны. Причем самым распространенным является манипулирование спином электрона.
Конечно, большое число кандидатов демонстрирует, что проблема практической реализации квантовых технологий, несмотря на быстрый прогресс, все еще находится в зачаточном состоянии. Чем больше кубитов находятся в связанном состоянии, тем менее стабильной является система. Для достижения «квантового превосходства» требуется компьютер со многими десятками согласованных (когерентных) кубитов, работающими стабильно и с малым числом ошибок. Центральным здесь является открытый пока вопрос о коллапсе волновой функции (декогерентности), мгновенном изменении описания квантового состояния объекта, происходящем при его измерении.
Огромной сложности для квантовых технологий является, так называемая «проблема масштабирования», то есть до какой степени возможно масштабирование такого устройства, для увеличения числа кубитов в квантовом процессоре. Так, один из создателей квантового компьютинга Дэвид Дойч, в своей новой книге “Начало бесконечности” утверждает, что “квантовый компьютер всего лишь с несколькими сотнями кубитов смог бы в параллельном режиме произвести гораздо больше вычислений, чем атомов в видимой части нашей Вселенной”.
Удивительно, но многие из комплекса названных проблем, ученые из австралийского Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) собираются решить в одном устройстве — в квантовом кремниевом процессоре. Архитектура данного изобретения для выполнения квантовых вычислений использует стандартные полупроводники, поэтому создание полномасштабного квантового процессора становится более осуществимым, ведь оно основано на той же технологии производства, что и вся современная компьютерная индустрия.
Кубиты в этой схеме представляют собой изолированные друг от друга квантовые точки, в которых «хранятся» состояния одиночного спина. Каждый кубит физически представляет собой насыщенный стабильными изотопами 28Si кремниевый транзистор, способный хранить только один электрон. Спин электрона кодирует 1 или 0, а меняет состояние кубитов, а также производит измерение их состояний - обычная кремниевая CMOS-электроника со специальными программами, которые последовательно осуществляют перевод задачи пользователя в набор квантовых операторов, а также – извлекают из квантового процессора «ответы», преобразуя их в конечный результат.
Весь процессор спроектирован как массив 24 × 20 кубитов и состоит из 480 кубитов. Самое интересное, что разработчики допускают как дальнейшее горизонтальное масштабирование для увеличения числа кубитов в процессоре, так и уменьшение масштаба техпроцесса производства. Если это изобретение реализовать практически, то возможно, что размышления Дэвида Дойча скоро можно будет проверить.
Проблема данной, также как и подобных технологий в том, что для полноценной работы кубитов, необходимо чтобы электроны, были в согласованных квантовых состояниях. Это достигается при криогенных температурах порядка 1 Кельвина (минус 272 градуса по Цельсию), где электроны формируют так называемые Куперовские пары, обеспечивая логическое взаимодействие соседних кубитов. Упрощенно, выбирая электроды над кубитом, можно управлять вращением кубита, который хранит квантовый двоичный код 0 или 1. А выбирая электроды между кубитами, выполняются двухкубитные логические взаимодействия или вычисления.
По аналогичному принципу работают наделавшие много шуму адиабатические компьютеры D-Wave, продвигаемые канадской компанией D-Wave Systems. Для достижения согласованности электронов используется сверхпроводящий сплав из алюминия и ниобия, охлаждённых жидким гелием до минус 273,145 градуса по Цельсию, почти до абсолютного нуля. Такой подход называется адиабатным квантовым вычислением. Несмотря на, что компанией заявлялось о создании различных вариантов квантового компьютера: от 16 кубитного с космическим названием “Орион” до 2000-кубитного - 2000Q, эксперты высказывали сомнения в достижении существенного «квантового ускорения». В декабре 2015 года специалисты компании Google подтвердили, что согласно их исследованию компьютер D-Wave использует квантовые эффекты.
Возможности при реализации квантовых вычислений манипулирования большими объемами данных (англ. big data) за один проход позволит моделировать нейронную сеть экспоненциального размера. В 2013 г. анонсирована квантовая лаборатория искусственного интеллекта - совместная инициатива агентства НАСА, ассоциации университетов космических исследований и корпорации Google. В марте 2018 года корпорации Google объявила, что ей удалось построить 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone, имеющий низкий процент ошибок в вычислениях. Компания не раскрыла подробных характеристик устройства, однако заявляет, что оно позволяет достичь «квантового превосходства».
В перспективе квантовых технологий будет гораздо больше: это и сверхточные часы, и сверхточные датчики, и сверхточное моделирование молекулярных взаимодействий и химических реакций, с целью создания, например, новых лекарств.
Квантовые технологии позволят приблизить наше осмысление фундаментальных физических свойств материи, уже сейчас предпринимаются попытки запрограммировать квантовый компьютер так, чтобы он помог понять, что происходило во Вселенной в самые первые моменты ее существования.
На протяжении первых десятилетий квантовой компьютерной эры ученые, обратившиеся к разработке квантовых компьютеров, были уверены, что занимаются сугубо практической задачей. В процессе этой работы практики квантового компьютинга естественным образом стали наиболее компетентными людьми и в том, что касается тонких манипуляций с хрупким феноменом квантовой запутанности. Для преодоления проблем, связанных с быстрым разрушением связанности кубитов и с необходимостью сохранять систему в когерентном состоянии, ученые изобрели весьма оригинальные квантовые коды исправления ошибок.
Исследование фундаментальных принципов, по которым работает квантовая информатика, привело к осмыслению, что тем же самым занимается и природа, только в своей «квантовой вычислительной системе космоса» она это сделала с начала времен и в высшей степени эффективно. В дополнение к этому исследования на передовой линии физики выявили, что анализ Вселенной на основе наиболее правдоподобной модели соответствия между двумя видами квантовых теорий – теорией струн и калибровочной теорией (так называемый принцип AdS/CFT-соответствия Х. Малдасены) позволяет проводить достаточно убедительные аналогии между тем, как работает голографическая физика природы, и тем, как устроены квантовые коды исправления ошибок.
Математическая магия такого анализа открывает возможность его использования физиками для изучения природы черных дыр, тонкой структуры пространства-времени в малых масштабах, космической темной энергии и, наконец, самых глубинных законов природы. Дерзкие теоретики квантовой версии цифровой физики утверждают, что Вселенная – не просто гигантский компьютер, а гигантский квантовый компьютер.
Панкомпьютенционалисты заглядывают за предельные горизонты нашего познания – за горизонты событий черной дыры. Профессора Сэт Ллойд и Джэк Энджи в статье “Сингулярный компьютер” утверждают, что черные дыры – самый экзотический пример общего принципа, гласящего, что Вселенная регистрирует и обрабатывает информацию. Сингулярный компьютер, по их мнению, – это концептуальный инструмент, который может быть полезен ученым, изучающим космологию и фундаментальную физику. Когда в будущем исследователи научатся создавать черные дыры в ускорителях частиц, можно будет убедиться, что они тоже вычисляют.
Захватывающий воображение новый образ реальности авторы резюмируют так: “Что же Вселенная вычисляет? Насколько мы можем судить, она не ищет ответа на единственный вопрос, подобно гигантскому компьютеру из «Путеводителя для путешествующих автостопом по Галактике» Дугласа Адамса. Вселенная вычисляет сама себя. Управляемая «программным обеспечением» Стандартной модели элементарных частиц и взаимодействий, Вселенная вычисляет квантовые поля, химические соединения, бактерии, людей, звезды и галактики. И, вычисляя, она отображает свою геометрию пространства-времени с предельной точностью, допускаемой законами физики. Вычисление и есть ее существование. Эти результаты распространяются на обычные компьютеры, на черные дыры, на пену пространства-времени и на весь Космос, доказывая собой единство природы. Они демонстрируют взаимосвязи общих представлений фундаментальной физики. Хотя физики еще не обладают полной квантовой теорией гравитации, но какова бы ни была эта теория, она глубоко связана с квантовой информацией. Все из кубита.”
Читайте также
Подпишись на рассылку
Комментарии (0)