Сет Ллойд - Програмуючи Всесвіт. Космос – квантовий комп’ютер

Квантова механіка добре відома своєю химерністю. Хвилі поводяться, мов частинки, а частинки – як хвилі. Речі можуть бути одночасно в двох місцях. І, мабуть, не дивно, що в мікроскопічних масштабах відбуваються дивні й парадоксальні речі, адже наші інтуїтивні знання розвинулися внаслідок взаємодії з об’єктами, значно більшими за окремі атоми. Квантова механіка спантеличує. Нільс Бор, батько квантової механіки, якось сказав: «Якщо хтось вважає, що він може пізнати квантову механіку без запаморочення голови, то він ще не розібрався в ній як слід».

Квантові комп’ютери використовують «квантову дивність» для виконування завдань, надто складних для традиційних комп’ютерів. І все тому, що квантовий біт, або кубіт, здатний передавати і 0, і 1 водночас (класичний біт може передавати лише те або друге), тому квантовий комп’ютер може виконувати водночас мільйони обчислень.

Квантові комп’ютери обробляють інформацію, що зберігається в окремих атомах, електронах та фотонах. Квантовий комп’ютер є втіленням демократії в контексті інформації: кожен атом, електрон та фотон однаково беруть участь у передачі та обробці інформації. І ця фундаментальна інформація не обмежується квантовими комп’ютерами. Усі фізичні системи зводяться до квантово-механічних, і всі вони містять та обробляють інформацію. Світ складається з елементарних частинок – електронів, фотонів, кварків, – і кожна елементарна частинка фізичної системи передає фрагмент інформації: одна частинка – один біт. У ході взаємодії вони трансформують і обробляють цю інформацію, біт за бітом. Кожне зіткнення між елементарними частинками – це проста логічна операція, або «оп».

Щоб зрозуміти будь-яку фізичну систему через її біти, необхідно докладніше розібратися в механізмі, який дозволяє кожній частинці передавати та обробляти інформацію. Коли ми зрозуміємо, яким чином комп’ютерові це вдається, нам буде зрозуміло, як це робить фізична система.

Ідею створити такий комп’ютер уперше запропонували ще на початку 80-х Пол Беніофф, Річард Фейнман, Девід Дойч та інші. Коли про квантові комп’ютери заговорили вперше, уявлення про них було суто теоретичним: ніхто й гадки не мав, як їх створити. На початку 1990-х я показав, яким чином їх можна створити, використовуючи експериментальне обладнання, що існує сьогодні. Останні десять років я разом із деякими вченими та інженерами зі світовим ім’ям займаюся розробкою, створенням та використанням квантових комп’ютерів.

Є вагомі причини для конструювання квантових комп’ютерів. Перша – це наші можливості. У сфері квантових комп’ютерів, що є технологіями для маніпулювання матерією в атомарних масштабах, за останні роки відбулися значні прориви. Тепер ми володіємо достатньо стійкими лазерами, достатньо точними технологіями виробництва та електронікою, досить швидкою для обчислень на атомному рівні.

Друга причина – це наші потреби, якщо ми хочемо продовжувати створювати дедалі швидші та потужніші комп’ютери. За останні півстоліття потужність комп’ютерів збільшувалася вдвічі кожних півтора року. Цей вибух потужності комп’ютера відомий як закон Мура – на честь Ґордона Мура, згодом голови компанії Intel , який помітив експоненційне зростання в 1960-х роках. Закон Мура – це закон не природи, а людської винахідливості. Кожні вісімнадцять місяців комп’ютери стають дедалі швидшими, бо кожні вісімнадцять місяців інженери додумуються, яким чином удвічі скоротити розмір дротів та логічних схем, з яких вони сконструйовані. Щоразу розмір базових компонентів комп’ютера зменшується вдвічі, оскільки вдвічі більше вміщується на чипі того самого розміру. Комп’ютер, який отримуємо в результаті, вдвічі потужніший за свого попередника півторарічної давнини.

Якщо ви спроектуєте закон Мура на майбутнє, ви виявите, що розмір проводів і логічних схем, з яких сконструйовані комп’ютери, досягне атомарних масштабів десь через сорок років; отже, згідно з законом Мура, ми повинні конструювати комп’ютери квантового масштабу. Квантові комп’ютери становлять найвищий рівень мініатюризації.

Квантові комп’ютери, що їх я та мої колеги вже створили, досягли цієї мети: кожен атом передає біт. Але квантові комп’ютери, які ми можемо створювати сьогодні, малі не тільки за розміром, але й за потужністю. Найбільший комп’ютер загального призначення, доступний на момент написання цієї книжки, має від семи до десяти квантових бітів і може виконувати тисячі квантових логічних операцій за секунду (для порівняння: традиційний настільний персональний комп’ютер може передавати трильйони бітів та виконувати мільярди класичних логічних операцій за секунду). Ми вже вміємо проектувати комп’ютери зі складниками атомарних масштабів; ми просто ще не вміємо створювати великі комп’ютери з такими складниками. Оскільки перші квантові комп’ютери розроблено десять років тому, так чи інакше кількість бітів, які вони обробляють, збільшується вдвічі майже кожні два роки. Навіть якщо експоненційний рівень прогресу можна підтримувати, все одно мине сорок років, доки квантові комп’ютери зможуть зрівнятися за кількістю оброблюваних бітів із сьогоднішніми класичними комп’ютерами. Квантові комп’ютери ще далекі від стаціонарних.