Квантовые вычисления (для интересующихся)

Квантовый компьютер представляет собой устройство, которое хранит и обрабатывает информацию на уровне отдельных атомов и элементарных частиц. У квантовых вычислений есть два аспекта: первый — квантовый, а второй — вычислительный. «Квантовая механика» — это звучит немного странно, и квантовая механика действительно необычна с научной точки зрения. Но в каком-то смысле квантовый аспект понять проще. Квантовая механика — это физическая теория, которая объясняет, как ведут себя вещи на самом маленьком и фундаментальном уровне. Это раздел физики, который изучает, как атомы, фотоны (частицы света), электроны, элементарные частицы ведут себя. Если мы собираемся построить компьютер на уровне атомов и масштабе элементарных частиц, он неизбежно будет работать по законам квантовой механики. И мы увидим, что странность квантовой механики, тот факт, что квантовая механика является странной и нелогичной, на самом деле позволяет нам производить вычисления способом, недоступным для ноутбука или iPhone.

Вторым же аспектом квантовых вычислений являются вычисления. Итак, что такое компьютер? Вообще-то это в некотором смысле сложный вопрос, то есть я могу сказать, что компьютер — это компьютер, когда я его вижу, когда я печатаю на нем, или делаю телефонные звонки, или пользуюсь Google-картами. Но на самом деле концепция компьютера идет дальше простого вопроса о том, Apple ли у вас или PC, iPhone или Samsung. Это понятие обработки информации. Что делает компьютер? Цифровой компьютер получает информацию и разбивает ее на мельчайшие возможные кусочки, которые называются битами. Бит — это элементарное различие между двумя возможностями: да и нет, истинно и ложно, нуль и один или, если уж на то пошло, до низкого или высокого напряжения заряжен конденсатор в компьютере. Именно так биты физически хранятся внутри обычного компьютера: низкое напряжение конденсатора — это нуль, высокое — единица.
Для выполнения вычислений компьютер, располагая информацией, разбитой на мельчайшие кусочки, манипулирует ими, заставляет их взаимодействовать и изменяет их по предельно общим правилам. На самом деле существует понятие универсальных цифровых вычислений, охватывающее наиболее сложные задачи, которые способен решить классический компьютер, систематически оперируя битами. Таким образом, квантовый компьютер — это компьютер, который берет биты и работает с ними систематическим образом, но работает на уровне атомов, элементарных частиц, фотонов (частиц света), электронов — там, где царят законы квантовой механики.

Квантовая механика странная. Странная — это научный термин. Нильс Бор, один из основателей квантовой механики, сказал:
«Любой, кто говорит, что понимает квантовую механику и у него от нее не кружится голова, на самом деле не понял ее».

Вообще говоря, на датском это впечатляет еще больше. Но это правда: квантовая механика странная и нелогичная. Чтобы прочувствовать эту странность, подумайте о том, что называется корпускулярно-волновым дуализмом. Я знаю, звучит замысловато — корпускулярно-волновой дуализм. Что это вообще значит? Это значит, что то, о чем мы думаем как о частицах, например атомы или электроны, имеет волну, связанную с ним. Подобным же образом то, о чем мы думаем как о волнах, например свет или звук, имеет связанные с ним частицы. Все это происходит на самом микроскопическом уровне. Это означает, что, когда вы храните бит информации на квантовом компьютере, скажем, на позиции электрона, этот электрон имеет также связанную с ним волну.
В классическом компьютере бит хранится следующим образом: в случае нуля — это низкое напряжение — куча электронов «здесь»; единица — это высокое напряжение — куча электронов «там». Теперь давайте уменьшать масштаб до того момента, когда мы получим квантовый бит, то есть один электрон. Так, нуль — один электрон в одном месте, единица — это один электрон в другом. Прекрасно, представьте: электрон здесь означает нуль, вы переместите его туда — он становится единицей, вы переместите его сюда — он становится снова нулем. У вас есть два электрона, вы перемещаете их туда-сюда, вы изменяете несколько битов — нет никаких проблем с хранением и обработкой информации на уровне отдельных электронов.

Проблема в том, что электрон — это квантово-механический объект и, хотя он является частицей, также имеет волну, связанную с ним. Эта волна имеет непосредственное отношение к тому, где электрон находится. Если волна электрона полностью находится в каком-то одном месте, то и электрон находится там же, и это будет нуль. Если волна электрона полностью тут, то электрон тоже находится тут, и это будет единица.
Но забавно в квантовой механике то, что волны не должны быть только здесь или только там. Знаете, они вообще не должны быть только в каком-то одном месте. Волны — протяженные объекты, и в ряде случаев они могут одновременно находиться и там, и здесь.

Что это значит, что электрон, как волна, находится и там, и здесь? Это означает, что этот один электрон находится одновременно в двух местах. Таким образом, квантовый бит, или кубит, как его иногда называют, обладает забавным качеством: он может быть сразу и нулем, и единицей, потому что этот электрон одновременно в двух местах. Это просто странно и контринтуитивно. Нет классического образа, который бы это иллюстрировал. Например, какой-нибудь футбольный мяч не может быть здесь и там одновременно, даже если неразбериха на поле может иногда создавать такое впечатление. Так что, поскольку электрон может быть параллельно в двух местах, квантовый бит, или кубит, может быть одновременно нулем или единицей. Таким образом, эта главная особенность квантовой странности — корпускулярно-волновой дуализм, загадочный, нелогичный и трудно поддающийся обычному мышлению, — означает, что квантовые биты могут иметь значения нуль и единица одновременно. А это значит, что квантовым компьютерам доступны способы вычисления, невозможные на классических компьютерах.
Можно думать об этом так: если классическое вычисление — это последовательность изменений битов несколько раз туда-обратно, вы можете представить себе это как волну, одну волну, как протяженную ноту («ааааааааа») или как один напев («а-а-а-а-а-а»). Таким образом, каждое из классических вычислений подобно одной волне, состоящей из серии чистых нот. В квантовых вычислениях, наоборот, волны всех битов могут иметь несколько значений сразу, так что это симфония. Я не могу спеть симфонию в одиночку, но вы можете себе ее представить. И что происходит в случае квантовых вычислений, так это то, что волны, соответствующие каждому из вычислений, складываются таким образом, что между ними возникает интерференция и гармония. Благодаря этому возможности, которые открываются перед квантовым компьютером, несравненно больше, чем возможности классического компьютера.
Итак, давайте подумаем, какое назначение имеет бит внутри компьютера. Если у меня есть нуль или единица, бит может быть информацией. Нуль и единица — это звучит так прозаично. Положим, я спрашиваю мою невесту или мою подругу: «Ты выйдешь за меня?» И она в ответ пришлет мне бит информации, где нуль — это «нет», а единица — «да». Это очень важный бит для меня, и, возможно, она отвечает мне через почту, что, наверное, не самый хороший способ принять предложение руки и сердца. Для квантового брака она может отправить квантовую суперпозицию нуля и единицы — это означает, что она испытывает двойственные чувства в квантово-механическом смысле. Так что же произойдет, когда я на самом деле посмотрю на ее ответ? Эти квантовые биты имеют такое свойство, что если у вас есть бит с нулем и единицей, где нуль — это «нет», а единица — «да», в одно и то же время, то мне надо будет посмотреть, есть ли здесь электрон. Нет. А здесь есть? Да. И тогда половину времени я получу ответ «нет», а половину времени — «да». Так что если бы моя подруга дала мне такой ответ, то это было бы, по сути, равносильно бросанию монетки, чтобы решить, что ответить на мое предложение.

В компьютере бит может быть просто битом информации, как нуль или единица, но он также может быть инструкцией. Так, нуль может означать «сделай это», а единица — «сделай то». Чтобы уйти от брачных метафор, от которых мне неуютно, чтобы уйти от метафор о браке, давайте переключимся на математику. Итак, нуль может командовать компьютеру сложить 2 + 2. А единица может сказать компьютеру: «Сложи 3 + 1». В обычном компьютере бит может быть либо нулем («сложи 2 + 2»), либо единицей («сложи 3 + 1»). Но в квантовом компьютере, потому что квантовый бит может иметь значения нуль и единица одновременно, если вы пошлете его в качестве инструкции квантовому компьютеру, квантовый компьютер проделает сложение 2 + 2 и сложение 3 + 1 параллельно, в некоем забавном квантовом смысле. Таким образом, эти два различных вычисления, происходящие в одно и то же время, похожи на пение двух хористов или одновременную игру двух скрипок в симфонии.

По сути, квантовые вычисления производятся благодаря интерференции между этими различными частями — это как когда мы слышим два звука, доносящиеся до нас в одно и то же время, мы воспринимаем не каждый из них по отдельности, но оба этих звука в совокупности, интерферирующие друг с другом. Это может казаться волшебством, как при построении квантовых компьютеров вы используете компоненты атомного масштаба, получаются очень-очень маленькие приспособления, и вам стоит следить за ними, потому что, если вы один такой потеряете, вы никогда его снова не увидите. И вы можете спросить: «Зачем нам все это делать, когда у нас есть прекрасные классические компьютеры?»
Идея квантовых вычислений, хранения битов на отдельных атомах была предложена в начале 1980-х годов Полом Бениоффом из Аргоннской национальной лаборатории, находящейся в Калифорнийском технологическом институте, и Дэвидом Дойчем из Оксфорда в Англии. Первые прототипы квантовых компьютеров не были построены до начала 1990-х годов, когда я придумал, как можно построить простейший вариант такого компьютера. Дэйв Винланд, лауреат Нобелевской премии в области физики, получил Нобелевскую премию в том числе за построение первых простых квантовых компьютеров. В 1994 году, однако, появился реальный стимул их производить, когда Питер Шор — тогда из AT&T, а теперь он в MIT — показал, что, если бы можно было построить квантовый компьютер, даже маленький, с несколькими десятками тысяч квантовых битов, он был бы в состоянии выполнить миллион операций — раз плюнуть для его классического предшественника. Если же вы заставите такой квантовый компьютер проделать этот симфонический расчет, то он смог бы расшифровать все коды, которые мы используем, чтобы секретно передавать информацию через интернет. И, как вы понимаете, после этого заявления множество людей навострили уши — не только частные лица, но и агентства, которые хотели бы узнать чужие секреты и при этом сохранить свои, конечно. Эти агентства и многие люди сказали: «О, было бы очень здорово создать квантовый компьютер».

Так, в первой половине 1990-х годов зародилась вся эта сфера квантовых вычислений, и я и мои коллеги начали строить квантовые компьютеры, все в мире — не все, конечно, но сотни людей во всем мире — также начали их создавать. Теперь у нас есть квантовые компьютеры, которые даже если не могут делить большие числа и взламывать коды, тем не менее могут делать ряд интересных вещей. Мы используем квантовые компьютеры здесь, в MIT, чтобы исследовать фундаментальные физические свойства материи, и даже пытаемся запрограммировать квантовый компьютер так, чтобы он помог нам увидеть, что происходило во Вселенной в самые первые моменты ее существования. Можно использовать квантовые компьютеры для исследования странных эффектов, которые носят такие названия, как «запутанность», когда частицы света знают друг о друге гораздо больше, чем они имеют право по классическим законам. Вы можете использовать квантовые вычисления и квантовую коммуникацию для передачи конфиденциальной информации, где надежность гарантирована законами природы. Даже если эти причины не являются достаточно вескими, чтобы проводить квантовые вычисления, существует другая мотивация: это очень увлекательно. Я сам работал над квантовыми компьютерами в течение последних 15 или 20 лет и получал огромное удовольствие, исследуя, как природа работает на самых крошечных и фундаментальных уровнях.