Я познаю мир. Компьютеры и интернет: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Опасения за секреты

Недавно к одному известному российскому ученому, специалисту в области вычислительной техники, обратились за консультацией люди, отвечающие за информационную безопасность страны. Их заинтересовало сообщение о принципиальной возможности создания компьютерного устройства, легко взламывающего шифры, которые сегодня не по зубам всем суперкомпьютерам мира вместе взятым. Представителей спецслужбы интересовало, насколько правдиво это газетное сообщение, когда такой аппарат реально начнет действовать.

Ученый констатировал, что все написанное – чистая правда, подобные системы могут появиться уже через 4–5 лет. И называются они квантовыми компьютерами.

Насколько быстро они будут действовать, говорит хотя бы такой факт. К примеру, взлом системы RSA–129 потребовал в 1994 году восьмимесячной работы 1600 мощных ЭВМ, расположенных по всему миру и объединенных посредством Интернета. Разгадывание шифра с ключом на основе раскладывания на простые множители 300–разрядного числа на классическом компьютере потребует уже 13 млрд лет (сегодняшний возраст Вселенной) непрерывной работы. А вот квантовый компьютер, по словам экспертов, справится с такой задачей за несколько недель.

Огромные возможности нового аппарата, если таковой будет создан, перевернут ситуацию не только в криптографии. Как считает один из ведущих специалистов в области квантовых вычислений Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института, по–истине уникальные возможности открываются для моделирования физических процессов на микроуровне. А профессор из Оксфорда сэр Роджер Пенроуз всерьез говорит о реальной возможности создания на основе квантового компьютера систем искусственного интеллекта. То есть, говоря попросту, машины станут думать и принимать решения быстрее людей. И они, эти решения, будут качественнее наших.

На каких же принципах будет работать эта чудо–машина?

Кризис жанра

Что–то подобное квантовому компьютеру человек должен был изобрести неизбежно. Гонка информационных технологий, не сбавлявшая темпы более сорока лет, находится сегодня на финишной прямой.

В середине 60–х годов XX века американец Гордон Мур подсчитал, что производительность современных ему вычислительных систем каждые восемнадцать месяцев удваивается. И предположил, что ото своеобразное правило будет соблюдаться и в будущем. И действительно за прошедшие 40 лет закон Мура не нарушался ни разу.

Правда, один из отцов–основателей компании «Иителл» не учел одного обстоятельства: геометрический рост числа транзисторов в микросхеме потребовал все ускоряющегося уменьшения их размеров. В считанные квадратные сантиметры поверхности монокристалла из кремния сегодня приходится впихивать уже десятки миллионов конструктивных элементов. Но все имеет свой предел – сами элементы при этом уменьшились уже до пределов молекулы.

А прозорливый Ричард Фейнман, с которым мы уже знакомились в разделе о нанотехнологии, еще лет 20 назад заметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вычисляющих устройств до тех пор, «пока биты не достигнут размеров атомов и квантовое поведение не станет доминирующим».

Сегодняшняя технология позволяет создавать элементы с размерами в десятую долю микрона (10~⁷ метра), а чип содержит десятки миллионов транзисторов. Уже разработаны транзисторы, размеры которых составляют сотые доли микрона, а следующий шаг в сторону микромира приведет к нанометрам (10^–9 метра) и миллиардам транзисторов в одном чипе. В общем, еще чуть–чуть – и мы попадаем в диапазон атомных размеров, где все начинает подчиняться необычным квантовым правилам. Согласно тому же закону Мура, произойдет это в течение десяти ближайших лет.

И вот тут специалистам по микроэлектронике придется радикально перестраиваться. Законы квантовой механики таковы, что вы уже не сможете, например, говорить об определенном положении частицы в пространстве, ее точной скорости, но только о «вероятности обнаружения частицы в некоторой зоне пространства со скоростью из некоторого диапазона скоростей».

Бит классического компьютера, ныне находящийся только в одном из двух состояний («О» или «1»), на квантовом уровне «размажется». Он как бы будет находиться в обоих состояниях одновременно, и можно говорить лишь о вероятности обнаружения его в одном из них.

Так говорит теория. Реально же дело обстоит еще сложнее, поскольку согласно принципу суперпозиции квантовый бит будет представлять собой некую линейную комбинацию состояний классического бита. Как говорят специалисты, возникнет некий «квантовый шум».

То есть, говоря попросту, в этой ситуации ныне принятая схема последовательных (детерминированных) вычислений перестанет работать. Но, может быть, можно найти другую?

Квантовый шум

Российский математик Юрий Манин, который ныне работает в исследовательском центре «ИБМ», еще в 1980 году высказал предположение, что «квантовый шум», который в ходе миниатюризации микросхем неизбежно превратится в препятствие для их нормальной работы, можно в принципе использовать для конструирования компьютеров нового типа.

Правда, в то время странная идея молодого ученого не вызвала особого энтузиазма у его коллег. Однако когда через два года о заманчивых перспективах «квантовых вычислений» заговорил такой мировой авторитет, как Ричард Фейнман, исследователи спохватились. Ведь ученый привел достаточно убедительные аргументы в пользу того, что квантовые вычислительные системы не только возможны, но и благодаря принципу суперпозиции состояний битов окажутся гораздо мощнее классических. Он показал, что один квантовый компьютер (цепочка квантовых битов) сможет работать как комбинация очень большого числа классических компьютеров, производящих вычисления одновременно.

Квант света – фотон – переводит атом водорода, выступающий в роли триггера, из спокойного состояния («0» ) в возбужденное («1» )

После этого данной областью исследований заинтересовались сразу многие ученые. Работа закипела. И в 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета обнаружил, что некий «квантовый алгоритм» для некоторых задач действительно ускоряет счет, причем в фантастическое число раз!

Правда, в то время все эти рассуждения выглядели достаточно умозрительно – ни конкретных алгоритмов, ни технологичных вариантов реализации квантового компьютера в «железе» тогда никто не предложил.

Но прошло менее 10 лет, и в 1994 году исследователь Питер Шор, работавший в компании «Белл Лабораториз», придумал первый реально действующий квантовый алгоритм. С его помощью оказалось возможным взламывать так называемые шифры с открытым ключом. Это известие, как уже говорилось, вызвало обеспокоенность у наших спецслужб. А американские военные из Агентства перспективных исследований Министерства обороны США так прямо качали финансировать исследования по данной теме.

И ото принесло свои результаты. Вскоре российскому физику Алексею Катаеву, работающему в корпорации «Майкрософт», удалось модернизировать шоровский алгоритм. А еще через два года коллега Шора из тей же «Белл Лабораториз» Лов Ювер показал, что квантовые вычисления гораздо эффективнее классических не только при взломе шифров, но и во многих других случаях.

В общем, уже никто не сомневался, что компьютер, считающий по законам квантовой механики, – новый этап в эволюции вычислительных устройств. Дело оставалось за малым – надо было создать это чудо техники.

Теория кубита

Поначалу вперед выступили опять;таки теоретики. Американский физик Вен Шумахер ввел в обиход понятие «квантовый бит» или «кубит». Подобно классическому биту информации, кубит теоретически может быть реализован, например в атоме, который находится в принципе в одном из двух энергетических состояний – возбужденном или спокойном.

Главное препятствие на пути построения квантового компьютера – так называемое время декогерентности, в течение которого заданное квантовое состояние разрушается.

Поэтому при выборе той или иной технологии прежде всего принимается во внимание число «шагов вычисления», которое можно успеть совершить, пока процесс не будет разрушен. К этому моменту результат вычислений должен быть «снят» и «переброшен» в другую ячейку или вообще в другой квантовый компьютер.