Журнал «Компьютерра» № 23 от 20 июня 2006 года, стр. 9
ТЕМА НОМЕРА: Кванты ради квантов
Автор: Леонид Левкович-Маслюк
Один из самых захватывающих сюжетов современной физики – попытки нащупать пути построения квантового компьютера (КК). Погоня за довольно призрачной целью сводит воедино трудносовместимые вещи. С одной стороны – глобальные технологические вызовы в медицине, энергетике, биологии. С другой – абстрактные, даже фантастические, далекие от любой прагматики постулаты и парадоксы квантовой теории. Как может задача, решение которой сулит огромный технологический прогресс, в том числе, конечно, и военный, развиваться открыто, в сотрудничестве ученых и инженеров всего мира? А что, если где-то уже осуществляется новый «манхэттенский проект»? А что, если кто-то уже умеет читать любые шифровки и рассчитывать лекарства от любых болезней? С пристрастием я расспрашивал об этом моих сегодняшних собеседников и получил однозначный ответ: этого не может быть; задача создания КК слишком масштабна, ни одно государство в одиночку ее не потянет.
Звучит правдоподобно, к тому же есть и другие проекты такого масштаба, выведенные на международный уровень, – вспомним хотя бы термояд. Не будем прежде времени умиляться – в истории бывало всякое. Тем не менее за такими явлениями есть нечто объективное, и даже софтверное обеспечение КК не по силам никакой отдельно взятой организации, откуда и призывы к разработке открытого ПО для таких приложений [K. Svore, A. Aho, et al, «A layered software architecture for quantum computing design tools». Computer, Jan., 2006].
«КТ» внимательно отслеживает новости о гонке за КК. Чаще всего они приходят из ведущих зарубежных университетов и научных центров. Но сегодня мы расскажем об активной работе в этой области, идущей в нашей стране. Этот материал подготовлен на основе беседы с участниками российской группы физиков, сотрудниками лаборатории квантовых компьютеров ФТИАНа (Физико-технический институт РАН), работающими над различными аспектами квантового компьютинга. Возглавляет лабораторию академик Камиль Валиев, он же заведует кафедрой квантовой информатики факультета ВМК МГУ. Я благодарю профессора этой кафедры, доктора физ.-мат. наук Юрия Ожигова; заместителя директора ФТИАН, доктора физ.-мат. наук Владимира Лукичёва; ведущего научного сотрудника ФТИАН, доктора физ.-мат. наук Юрия Богданова и кандидата физ.-мат. наук Александра Цуканова за помощь при подготовке текста; профессора Бернда Таллера (Bernd Thaller) из Университета Граца за предоставленные иллюстрации (см. также книгу Б. Таллера «Аdvanced Visual Quantum Mechanics». Изображения получены им при помощи пакета Quantum GL ).
Проблему создания квантового компьютера Юрий Ожигов сравнивает по сложности с проблемой межзвездных перелетов. КК на двух-трех кубитах существуют уже сейчас, но и они требуют для своего построения высоких технологий (очень чистых веществ, очень точной имплантации отдельных атомов, сверхточной системы измерений) – вернее, нанотехнологий. Но главный вызов, причем не технологический, а фундаментальный, – масштабируемость. Присоединить дополнительную память к обычному компьютеру – простая рутинная процедура. Присоединение каждого нового кубита к КК – пока что штучная работа.
Сегодня уже решена проблема создания запутанного (entangled) состояния, объединяющего в квантовый объект десяток-другой ионов. Но это еще не означает, что мы научились свободно оперировать с тем же количеством кубитов. Целенаправленное управление такой системой, выполнение над ней или ее частями операций, составляющих квантовый вычислительный алгоритм, – эта задача еще очень далека от решения. Пока ни одна из предложенных технологий (о них речь ниже) не обеспечивает простого способа наращивания количества кубитов.
Более того, говорит Юрий Ожигов, эксперименты по созданию КК показывают настораживающую вещь: может быть, стандартная многочастичная квантовая физика не обеспечивает достаточно точного, полного описания таких систем. А это значит, что за рутинным термином «масштабируемость» в данном случае кроются фундаментальные проблемы, связанные с самими основами современной физики.
Квантовые системы из большого числа частиц невероятно сложны. Их сложность нарастает экспоненциально – именно это позволяет ожидать столь же невероятной эффективности от КК, построенного всего лишь на сотнях или тысячах кубитов (обычные компьютеры манипулируют сегодня триллионами битов). Но та же сложность и делает исследование таких систем исключительно трудной задачей. Мои собеседники единодушны: главным делом для будущих КК станет – как и предсказывали классики (Ричард Фейнман, Юрий Манин, Поль Бенев [Paul Benioff], Дэвид Дойч [David Deutsch]) – моделирование квантовых систем. Почему же эта задача не по плечу даже современным суперкомпьютерам?
Юрий Ожигов: Больше всего мы ждем от КК не ускорения задач криптографии, а решения задач моделирования в ядерной физике, энергетике, материаловедении, нанотехнологиях. Это океан проблем, к которым очень трудно подступиться.
Да, мы и с обычными алгоритмами добиваемся неплохих результатов в физике, в том числе в моделировании квантовых систем. Думаю, возможности классических суперкомпьютеров пока использованы в этой области лишь на несколько процентов. Тем не менее на классической машине смоделировать в полном объеме квантовое поведение сколько-нибудь значительного набора частиц просто невозможно, если следовать стандартному (гильбертову) формализму для многих тел.
Представьте себе электрон в трехмерном пространстве. По каждому пространственному измерению надо учитывать хотя бы сто положений. Это уже миллион точек – на один электрон. Если в системе два электрона – потребуется миллион миллионов точек. Это уже тяжело даже для суперкомпьютера. Но что такое два электрона? Всего лишь атом гелия, и то без учета движения ядра, которое ведь тоже ведет себя как квантовый объект. Даже задача моделирования атома водорода очень сложна, если ее решать со всеми подробностями – как говорят физики, «из первых принципов». Ну а для атома лития такой способ решения задачи сегодня просто безнадежен. Что уж говорить о действительно сложных молекулах – белках, ДНК.
В настоящее время нет симуляторов химических реакций, учитывающих квантовые эффекты, – а это принципиальное ограничение. В существующих моделях взаимодействия атомов и молекул фактически рассматривается совокупность шариков на пружинках, и коэффициенты упругости пружинок вычисляются с помощью неких квантовых расчетов. Квантовая механика входит в такое моделирование лишь через эти коэффициенты. Но ведь в реальности даже простейшая молекула аммиака, три атома водорода и один атом азота, обладает сложным квантовым поведением. Это вовсе не пирамидка, как ее часто изображают. Атом азота находится в двух квантовых состояниях одновременно, причем он как бы постоянно туннелирует туда и обратно сквозь тройку атомов водорода. Именно на таком поведении молекулы основан так называемый аммиачный мазер. Все это без квантовой физики смоделировать невозможно.
Не сводится ли моделирование квантовых систем на квантовом компьютере к тому, что мы просто создаем где-то «под микроскопом» точно такую же систему и начинаем за нею наблюдать?
Юрий Ожигов: Конечно, нет. При моделировании на КК мы разбиваем естественную квантовую эволюцию на элементарные операции, их выполняют стандартные квантовые гейты. Доказано, что любая задача моделирования молекул или атомов допускает такое представление, а значит, ее можно решить на КК.