Знание-сила, 2007 № 09 (963)

Впервые об истории квантовых вычислений и перспективах квантовых компьютеров начальник сектора Лаборатории информационных технологий Объединенного института ядерных исследований в Дубне В.П. Гердт рассказал нашим читателям четыре года назад («О квантовом компьютере и национальных традициях» «З—С», № 6, 2003 год). Поскольку эта тема не только не исчерпала себя, а, напротив, продолжает бурно развиваться, мы решили к ней вернуться и вновь обратились к Владимиру Петровичу.

В прошлый раз мы говорили о квантовых вычислениях как об очень перспективной модели вычислений, основанной на квантовой механике, и о квантовых компьютерах, которые могут, если они будут построены, решать целый ряд задач гораздо эффективнее всех существующих ныне компьютеров. Сейчас это направление активно прогрессирует во всем мире, исследования ведутся во многих центрах, есть определенные достижения, но пока не совсем ясно, будут ли построены реальные квантовые компьютеры, способные решать задачи быстрее всех существующих классических компьютеров, так как здесь есть ряд физических проблем.

Кстати, недавно канадская фирма «D-Wave-Sistems» публично провела в Силиконовой долине, Калифорния, презентацию работы квантового компьютера на 16 кубитах, названного создателями «Орион», и заявила о планах построить к концу 2008 года компьютер с 1024 кубитами. При этом, однако, многие специалисты относятся к этим результатам и заявлениям скептически, поскольку по данной работе не было ни одной публикации в научной печати и, соответственно, обсуждения среди экспертов. Поэтому не исключено, что во время презентации демонстрировался все же не «истинный» квантовый компьютер вычислительный прибор, который если и использует квантовомеханические явления, то лишь частично.

Квантовой информации не существует. Есть только квантовый способ работы с информацией.

Сегодня же я хотел бы рассказать о новой области, связанной с квантовыми вычислениями, — квантовой информатике. Классическая теория информации была разработана в конце 1940-х годов Клодом Шенноном. Сегодня общество становится все более и более информационным. В развитых странах половина, если не более, населения занята в сфере информационных технологий и коммуникаций. Передача информации — это физический процесс и переносят информацию физические объекты, а об этом часто забывают. Классические биты задаются физическими носителями информации: конденсаторами, намагниченными элементами или другими носителями. Таким образом, в основе теории информации на самом деле лежит физика.

Для того чтобы решать информационные задачи эффективно, нужно, во-первых, выбрать носители информации — в чем кодировать информацию, какими физическими элементами. Во-вторых, определить, как эту информацию обработать, то есть сжать, например, или архивировать. Затем передать информацию и последнее — восстановить ее.

Во время передачи информации возникают шумы, побочные явления, которые могут воздействовать на информацию. В классической информатике с этим научились бороться с помощью той же теории Шеннона. Она работает везде: при передаче телевизионного сигнала, в мобильной связи, в других областях. Таким образом, задача ставится так: нужно передать определенное количество информации, удовлетворив при этом определенным критериям. А критерии такие: передать информацию так, чтобы получатель смог восстановить все нужные свойства. Например, если информация голосовая, то он должен распознать голос и восстановить всю информацию. Еще существуют критерий надежности, критерий минимальности затрат энергии и вообще затрат на передачу и другие.

Теперь возникает вопрос: в чем ограниченность классической теории передачи информации? Ограниченность очень существенная для нашей эпохи, а именно: информация должна быть защищена, а классическая теория не гарантирует защищенности при используемых в настоящее время процессах передачи информации. Естественно, я здесь имею в виду не только правительственную связь и какие-то коммерческие тайны, но и важную банковскую информацию, считывание и передачу данных из банкоматов и так далее, когда любая информация должна быть защищена от несанкционированного доступа.

В классической теории передачи информации существует серьезная проблема: нет гарантии того, что третье лицо эту информацию несанкционированно не прочитает. На наше счастье, есть очень интересная наука криптография, истоки которой лежат в античных временах. Еще Юлий Цезарь разработал криптосистему, чтобы передавать войскам секретную информацию. Но все используемые в настоящее время на практике криптосистемы отнюдь не безопасны. Еще никто не доказал, что не существует алгоритма, способного взломать самые секретные коды. А при постоянной опасности терроризма все это становится принципиально важным.

При пересылке закодированных сообщений самое главное — передать секретный ключ от отправителя получателю, только с ним можно будет раскодировать сообщение. В квантовой информатике кодирование информации производится не классическими битами, а квантовыми битами (кубитами). При этом компьютер — это прибор обработки информации, а квантовый компьютер — прибор обработки квантовой информации. И элементы квантовой информации — кубиты, которыми можно кодировать обычные биты информации, — можно передавать, например, как поляризованные фотоны, по обычным оптоволоконным линиям. Но третье лицо хочет не просто несанкционированно считать информацию, оно хочет быть при этом невидимым. А квантовая криптография, которая начала развиваться около 20 лет назад, показала, что при передаче информации квантовыми частицами, в силу законов квантовой механики, любое вмешательство в квантовое состояние — суперпозицию классических — приводит к разрушению квантового состояния и тем самым к разрушению передаваемой информации. Таким образом, подобное вмешательство просто разрушает канал связи и прочитать информацию третье лицо не сможет. При этом получатель будет знать о попытке взлома. То есть законы квантовой механики при правильной организации делают передачу информации абсолютно защищенной.