Вокруг Света - Журнал Вокруг Света №8 за 2005 года

Евгений Рейн, Виктор Грицюк, Алексей Анастасьев | Фото Виктора Грицюка

Идея квантовых вычислений, высказанная физиками четверть века назад, уже довольно близка к воплощению в «материальном компьютерном мире», и не за горами то время, когда необычные машины, сочетающие в себе квантовые возможности и электронную точность, появятся в крупнейших вычислительных центрах. Некоторые ученые полагают, что их работа будет в чем-то похожа на функционирование нашего мозга, и этот синтез физики и математики в одном устройстве сможет сыграть огромную роль в жизни человека.

Нам хорошо знакомы два вида компьютеров — электронная вычислительная машина и наш собственный мозг. И если первому свойственны предельная точность и строгость во всем, то второй, напротив, характеризуется полной свободой ассоциаций и непредсказуемостью процесса мыслительной деятельности. Современные компьютеры, значительно усилившие наши «интеллектуальные мускулы», так и остались неспособными к интуитивным прорывам и решению целого ряда актуальных для человека задач. На помощь к ним уже пришли нейросети и нейрочипы, копирующие принципы функционирования биологического мира, ну а завтра к решению задачи по усилению нашего интеллекта, возможно, присоединятся машины, использующие в своей работе фундаментальные законы микромира.

Идею квантовых вычислений нам подарили физики. К концу XX века они научились проводить эксперименты с отдельными атомами и измерять квантовые состояния элементарных частиц, наблюдая их эволюцию. Однако законы квантового мира, которым подчиняются эти процессы, настолько сложны, что аналитическое и численное описание эволюции квантовых систем, состоящих из большого числа объектов, практически неосуществимо с использованием классических компьютеров.

В 1982 году, подводя итог многолетним исследованиям, связанным с моделированием квантовых процессов на ЭВМ, американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман пришел к неожиданному для многих выводу. В своей знаменитой статье «Моделирование физики на компьютерах», опубликованной в Международном журнале теоретической физики, он убедительно доказал, что для решения задач, предметом рассмотрения которых являются квантовые объекты и их взаимодействия, обычные компьютеры совершенно не годятся. По мнению Фейнмана, с задачами такого класса, требующими огромного объема вычислений, могут справиться принципиально другие вычислительные устройства, использующие квантовую логику и квантовые способы вычисления.

Идея Фейнмана содержала в себе определенный подтекст. Из сказанного следовал вывод не только о слабости современных ему компьютеров, но и о том, что любые их будущие модификации не «потянут» того объема информации и вычислений, который скрывают в себе квантовые процессы. В то же время авторитетный ученый прямо указывал направление исследований по созданию гораздо более эффективных вычислительных устройств.

Трудно сказать, кого больше впечатлил подсказанный Фейнманом инновационный, как назвали бы его теперь, путь развития компьютерной техники: физиков, математиков, программистов или аналитиков спецслужб. Первым он сулил постижение тайн микромира, вторым — решение целого ряда крайне трудных задач, третьим — абсолютно новые направления исследований по части как расшифровки чужих, так и укрепления собственных криптосистем.

Квантовый мир обещает подарки и обычным пользователям ПК, а также любителям компьютерных игр, интерактивного кино и электронных помощников — киборгов. Создание интеллектуальных систем, живо реагирующих на наши импульсы и желания, тоже невозможно без кардинального увеличения вычислительных мощностей электронных помощников. И быть может, уже к середине текущего века виртуальный мир станет не только похож на настоящий, но и заживет своей особой квантовой жизнью, активно взаимодействуя с нашим сознанием и имитируя не только простейшие ощущения, но и глубокие чувства.

В 1994 году американский математик Питер Шор совершил настоящий прорыв, написав для несуществующего квантового компьютера так называемый алгоритм факторизации, позволяющий разлагать на простые множители многоразрядные числа. Задача факторизации только на первый взгляд кажется безобидной. Для ее решения используют довольно примитивный, но единственно верный способ: деление заданного числа на простые числа, меньшие корня квадратного из самого числа. Количество необходимых математических действий при разложении сложного 1 000 значного числа достигает 2 1 000 , или приблизительно 10 300 . Самый современный компьютер, способный произвести около 10 15 операций в секунду, с таким числом управится не ранее чем за 10 285 секунд — эта величина во много раз превышает возраст нашей Вселенной (ей, по мнению ученых, 15 млрд. лет, то есть всего 5х10 17 секунд). Если к решению этой задачи подключить 10 100 компьютеров, то и тогда ситуация мало изменится.

Квантовый алгоритм, предложенный Шором для решения этой «не решаемой» традиционными методами задачи, оказался гораздо эффективнее. Он предполагает выполнение всего 1 000 3 , то есть миллиарда квантовых операций, и автоматически переводит данную задачу в разряд почти тривиальных. Специалисты по вопросам компьютерной безопасности быстро оценили алгоритм Шора, позволяющий без особого труда взламывать большинство современных криптосистем. Дело в том, что стойкость многих систем шифрования информации основана именно на невозможности быстрого разложения многоразрядного числа на простые сомножители. В первую очередь это касается систем шифрования, использующих два вида ключей: открытый (не требующий хранения втайне) и закрытый (секретный). Один используют для шифрования сообщения, другой — для дешифровки. При организации секретного канала связи отправитель и получатель обмениваются открытыми ключами своих криптосистем и далее шифруют свои послания с помощью открытого ключа получателя. Ключи взаимосвязаны между собой. Открытый ключ по сути является произведением двух очень больших простых чисел. Поэтому, разложив его на простые множители, можно легко восстановить закрытый, вот только «легко разложить на множители» пока не получается.

Неудивительно, что алгоритм Шора стал довольно удачной рекламной акцией. С подачи американского математика «раскрутка» нового метода пошла столь успешно, что 1994 год стал началом великого бума на квантовые компьютеры. Исследовательские группы из США, Европы, Японии и специально созданные подразделения крупнейших IT-корпораций начали активную работу сразу в нескольких направлениях. Одни ученые занялись поиском способов практической реализации «компьютера будущего», другие продолжили поиски новых областей применения, отличных от решения чисто квантовых задач и дешифровки секретных сообщений.