Один квантовий комп’ютер – замість усіх класичних комп’ютерів світу!

У небагатослівному повідомленні Нобелівського комітету зазначено, що дослідники у галузі квантової фізики француз Серж Арош і американець Девід Вайленд, працюючи у своїх країнах, незалежно один від одного “відкрили спосіб вимірювання стану квантів без їх руйнування”. Завдяки їхньому винаходу у недалекому майбутньому можна буде створити найточніший годинник у світі і комп’ютер такої потужності, яку навіть важко уявити.

Це повідомлення особливо втішило доцента кафедри електронних засобів інформаційно-комп’ютерних технологій “Львівської політехніки” Віктора Гоблика. Він давно стежить за розробками, спрямованими на створення квантових комп’ютерів. Віктор Васильович показує мені курсові роботи студентів третього курсу, які ще 2006 року намагалися уявити, як працюватиме квантовий комп’ютер. Серед львівських політехніків дотичний до цієї тематики і професор кафедри електронних приладів Зеновій Микитюк. Науковці розтлумачили кореспонденту “ВЗ”, як кажуть, на хлопський розум, суть роботи нобелівських лауреатів і її прикладне значення. Це спільне інтерв’ю я почав з речей елементарних. Що таке квант?

— Квант — це часточка або порція різних видів енергії. Скажімо, часточка світла називається фотоном. Те, що ядро атома має якийсь магнітний момент, відомо зі школи. Це саме можна сказати і про електрон... Оцей магнітний момент є вектором, а будь-який вектор має напрямок. Енергія різних векторних станів різна. Тому її можна використовувати як умовний нуль чи одиничку.

— Ви підводите до того, що у класичних комп’ютерах уся інформація зберігається, обробляється і передається як комбінація нулів і одиничок?

— Так. Що дає нам один біт? Нуль- одиничка, так — ні, так — ні... Це електроніка. А тут спускаємось на рівень атомів і молекул або до фотона, кванта світла. Він має дві поляризації і, знову ж таки, одна буде умовним нулем, а друга — одиничкою. Квантові комп’ютери оперуватимуть не бітами, а кубітами (кубіт — це одниця квантової інформації, квантовий біт). Кубіт — це теж, образно кажучи, комірка пам’яті.

— Я переглядав курсові роботи з питань квантових комп’ютерів. Одна студентка написала, що швидкість обробки інформації буде “жахливою”... А якщо говорити мовою цифр?

— Теоретично квантовий комп’ютер буде здатний в одну мить проводити мільйон обчислень, в той час як класичний — тільки одне, тобто потенційна обчислювальна потужність квантового комп’ютера перевищує потужність класичних комп’ютерів приблизно в 10 у 80-му ступені разів. Уявіть собі суму доларів — одиниця і 80 нулів! Для кращого розуміння цього астрономічного числа наводять таке порівняння: звичайний комп’ютер, рівний за обчислювальною потужністю квантовому, має бути розміром із Всесвіт! Або можна сказати і так: один квантовий комп’ютер зможе замінити усі теперішні машини світу!

— Атом, електрон чи фотон — це те, що рухається. Як примусити ці елементарні частинки бути стабільними носіями якоїсь інформації?

— Вайленд і Арош домоглися того, що взаємодію поля і речовини стало можливо спостерігати на суто квантовому рівні, використовуючи одиночні атоми і фотони. Вони їх “заманили” і “закрили” у пастках-резонаторах неймовірно високої якості, виміряли їхній квантовий стан, тобто вони тепер точно знають, де є умовний нуль і одиничка.

— У звичайному комп’ютері інформація, пам’ять зберігається на диску. А в квантовому комп’ютері де буде “сидіти” той одинокий атом, фотон чи їх набір?

— Це може бути якийсь алмазний чи кремнієвий кристалик. Можливо, для цього знайдеться якась інша пастка...

— Для чого потрібні комп’ютери такої неймовірної потужності? Знаємо, що надпотужні сучасні комп’ютери вже допомогли генетикам розшифрувати геном людини...

— Квантовий комп’ютер зможе набагато ефективніше вирішувати завдання в галузі дискретної оптимізації, для яких не пристосовані звичайні комп’ютери з бінарною логікою. Наприклад, це можуть бути завдання маршрутизації і навігації усіх видів транспорту, аналіз фінансових ризиків, моделювання світової економіки з метою уникнення світових фінансово-економічних кризових явищ, розпізнавання образів, класифікації зображень, декодування найскладніших секретних кодів у режимі реального часу (один з моментів забезпечення національної безпеки), моделювання клімату, довготривалих прогнозів погоди, розрахунків термоядерного синтезу, створення нових продуктів генної інженерії, моделювання галактики з її 100 мільярдами зірок...

— Якщо через років 10-15 з’являться квантові комп’ютери, то що буде з величезною кількістю класичних комп’ютерів? Їх доведеться викинути, як це сталося з плівковими фотоапаратами і магнітофонами після появи цифрових?

— Ні, нічого катастрофічного у найближчому майбутньому з парком звичних для нас персональних машин не станеться. Вони ще тривалий час будуть виконувати ті завдання, для яких створені. Проте найскладніші завдання сучасності виконуватимуть квантові гіперкомп’ютери. У перспективі — створення значно потужнішого квантового Інтернету на основі квантової телепортації.

— Квантова телепортація? Це вже фантастика! Ніби перенесення предметів з одного місця в інше без видимого докладання до них фізичних сил?

— Ніякої фантастики! Квантова телепортація являє собою миттєве перенесення не об’єкта, а лише невідомого квантового стану одного об’єкта на інший квантовий об’єкт. В результаті отримуємо ідентичний стан іншого об’єкта в іншому місці. Така технологія дозволить здійснювати обмін інформацією у квантовому комп’ютері.

— А якщо говорити про перспективи надточних годинників? В Інтернеті знайшов інформацію, що вже давно створено атомний годинник, який може дати похибку в одну секунду за... 100 мільйонів років. Куди ще точніше?

— Є такі годинники. Але відкриття нобелівських лауреатів Ароша і Вайленда вже подарувало світові оптичний годинник, у якому два іони разом вимірюють час у сто разів точніше, аніж нинішній годинник на радіоактивниму елементі цезію. До того ж атомний годинник — це, по суті, ціла лабораторія зі складним обладнанням. А оптичний годинник можна довести до розміру побутового наручного годинника...