Квантовите компютри

Бавно, но сигурно през последните няколко години прословутият Закон на Мур се приближава към онзи преломен момент, в който той чисто и просто ще спре да действа. Това означава, че масовите в момента силициеви процесори скоро ще достигнат предела на възможностите си, но дори и след тази точка нуждите на света от изчислителна мощ ще продължат да растат експоненциално.
Точно затова напоследък високотехнологичната индустрия трескаво търси техен наследник, оглеждайки се за следващата голяма стъпка напред, която ще обезпечи бъдещето й.
Сред многобройните разработки една от най-обещаващите е концепцията за така наречените квантови компютри. Иначе казано – изчислителни машини, работещи със... светлина.

Колкото повече – толкова повече

През 1947 година американският компютърен инженер Хауърд Айкън твърди, че група от шест електронни цифрови компютъра ще са напълно достатъчни, за да обезпечат всички нужди на целите Съединени щати.
Половин век по-късно това допускане ни изглежда леко комично.
Разбира се, през 1947 Айкън е нямало как да предвиди експлозивното нарастване на обема данни, генериран от различните сфери на научна дейност, широкото разпространение на персоналните компютри и бума на интернет. Ние днес обаче знаем, че бъдещето на света е информационно и нуждите на цивилизацията в това отношение само ще растат.
Затова от години учените си задават въпросите, ще успеят ли компютрите на утрешния ден да посрещнат тези нужди, ще имаме ли достатъчно много изчислителна мощ след 10, 20 или 50 години?

Факт е, че въпреки революционните скокове в масовата понастоящем силициева технология, тя вече започва да демонстрира ограниченията си. Процесът на миниатюризация, за който беше ясно, че не може да е безкраен, скоро ще достигне до непреодолима стена, отвъд която ще бъде невъзможно да преминем – не и със сега използваните технологии.
И докато преди едно десетилетие всяка следваща генерация процесори действително беше два пъти по-мощна и високопроизводителна от предходната, то днес нещата вече не стоят точно по този начин. Растежът се забавя и ако скоро не се появи алтернатива, в един определен момент той чисто и просто ще спре.

Какво да се прави?

Да, това е големият въпрос, занимаващ учените и инженерите, работещи в тази област от години. И един от най-перспективните възможни отговори се нарича „квантови изчисления”.
Сравнително нови като идея, те за пръв път са теоретично описани преди около 30 години от физика Пол Бениоф. През 1981 година той създава модел на квантова машина на Тюринг, на който се базират повечето от съвременните разработки в тази насока.
В основата си принципът на действие, който Бениоф описва, не се различава много от модела, описван от добре известната Теория на Алан Тюринг – английски математик, който се сочи като един от бащите на съвременната компютърна наука.
През 30-те години на миналия век той описва теоретично устройство, състоящо се от лента с безкрайна дължина, разделена на малки квадратчета. Всяко от тях може да съдържа символ (1 или 0) или да бъде празно. Специално четящо/записващо устройство разчита тези символи и празнини, даващи на машината определени инструкции, които тя изпълнява под формата на зададена програма. Иначе казано, това е възможно най-груб, примитивен модел на съвременните компютърни системи.

В квантовата си разновидност машината на Тюринг (т.е. компютърът) не се различава особено от оригиналния модел – единственото по-специфично тук е, че в този случай „лентата”, върху която е записана програмата и четящото устройство, съществуват в квантово състояние. Иначе казано, символите, записани върху „лентата”, могат да са 1 или 0 или суперпозиция на 0 и 1. С други думи символите са едновременно 0 и 1 (както и всички състояния между 0 и 1). Теоретичният фундамент като цяло е дори още по-сложен, но от чисто практическа гледна точка наистина съществената особеност на квантовата машина на Тюринг (квантовият компютър) се заключава във факта, че докато в класическия си вид тя може да извършва само едно изчисление за единица време, в квантовата си разновидност може да прави множество изчисления едновременно.

Нещо повече – докато всички съвременни компютри кодират информацията, с която боравят, с нули и единици, наречени „битове”, квантовите им аналози не са ограничени само до две стойности на всеки бит – те използват квантови битове или кюбитове, които могат да съществуват и като суперпозиция. Кюбитовете представляват атомите, йоните, протоните и електроните, както и съответните им „контролни устройства”, работещи заедно и изпълняващи едновременно ролята на памет и процесор. И тъй като квантовите компютри могат да включват тези множествени състояния едновременно, те (поне на теория) могат да извършват изчислителни операции със скорост милиони пъти по-висока от тази, на която са способни дори най-мощните съвременни супер-компютри.
И докато при актуалните в момента изчислителни машини, базирани на силициеви чипове, паралелизмът е един вид изкуствено наложен като концепция, квантовите компютри са паралелни по подразбиране и замисъл – изначално способни да боравят с множество изчисления едновременно.
В резултат 30-кюбитов квантов компютър би могъл да осигури потенциална изчислителна мощ, надхвърляща с лекота 10 терафлопса (трилион операции с плаваща запетая за секунда). За сравнение производителността дори на най-мощните съвременни персонални компютри се измерва с едва няколко гигафлопса (милиард операции с плаваща запетая за секунда).

Квантовите компютри използват и още един аспект на квантовата механика наречен „заплитане”. Той решава проблема с определяне на стойността (или суперпозицията) на всеки кюбит по следния начин. В общия случай субатомните частици могат да бъдат възбудени по определен начин и по този начин да бъде променена тяхната стойност (или заряд).

Ако обаче извършите наблюдение на кюбит в суперпозиция, за да определите каква е неговата стойност, той ще заеме една от двете възможни стойности – нула или единица, но не и двете едновременно (т.е. ще излезе от състояние на квантова неопределеност). В резултат чисто и просто ще превърнете вашия квантов компютър в обикновен компютър, боравещ с две стойности – 0 и 1.
Точно затова, за да създадат работещ модел на истинска квантова машина на Тюринг, учените е трябвало да намерят метод за определяне стойността на кюбитовете, без да извършват пряко наблюдение над тях и така да запазят интегритета на системата.
Квантовото заплитане е един от възможните отговори на тази дилема. В квантовата физика, ако приложите външно въздействие върху два атома, това може да провокира „обвързване” (заплитане), като единият от тях възприема характеристиките на другия. Оставен без въздействие, един атом ще се върти във всички посоки. В момента, в който върху него се окаже въздействие, обаче  той ще избере един спин (или една стойност, посока на въртене). В същото време свързаният с него атом ще избере точно противоположния спин (или стойност).
Именно това позволява на учените да определят стойността на кюбитовете, без в действителност да ги наблюдават директно.

Видове квантови компютри

Логично в различните си практически приложения методите за създаване на квантови машини на Тюринг се различават най-вече и основно по две неща: по вида атомни частици, които използват като кюбитове, и методите за управление на тяхното състояние.

Накратко днес учените използват следните типове контролни устройства за целта:

Йонни капани: използват оптични или магнитни полета (или комбинация от двата вида), за да улавят и контролират йони.

Оптични капани: използват светлинни вълни за улавяне и контрол на частици.

Квантови точки: създадени от свръхпроводим материал за улавяне и манипулиране на електрони.

Примеси в свръхпроводниците: задържат електрони, използвайки „нежеланите” атоми в някои свръхпроводими материали.

Свръхпроводими вериги: позволяват провеждането на поток електрони при почти нулево съпротивление при изключително ниски температури.

Колко далеч сме от ерата на квантовите компютри?

Според някои скептици – доста. Някои от тях твърдят, че говорим за десетилетия, дори повече, въпреки че още през 2007 една канадска компания на име D-Wave показа работещ прототип на 16-кюбитов квантов компютър, който можеше да изпълнява прости операции, като например решаването на судоку пъзели.

Дори и да оставим настрана обвиненията, че тяхната машина не е достатъчно скаларна, 16-кюбита са крайно недостатъчни за сериозна работа или поне не достатъчно, за да „засрамят” актуалните в момента силициеви чипове.
За целта ще са нужни квантови машини, използващи ефективно поне няколкостотин кюбита – нещо, което в момента все още представлява невъзможно технологично предизвикателство.
Една от най-сериозните пречки пред създаването на подобна система например е проблемът с... охлаждането. Макар на теория квантовите компютри да не би трябвало да отделят топлина при работата си, повечето съвременни прототипи разчитат на високоенергийни лазери за контролиране на енергийното състояние на кюбитовете, което ги прави едновременно лакоми за енергия и много горещи.

Точно затова дори най-запалените поддръжници на тази идея не отричат, че първите реално работещи квантови компютри вероятно ще притежават много от чертите на съвременните си предшественици, т.е. ще заемат цели стаи (или огромни лабораторни халета) и ще тежат тонове.
Предвид на факта, че голяма част от изчисленията понастоящем са клауд-базирани, това може би няма да е чак такъв голям проблем – точно както не е било по времето на легендарния ENIAC, когато терминът „персонален компютър” просто не е съществувал, а отдалеченият достъп до мегамашината, заемаща помещение с площ от близо 200 квадратни метра, се е осъществявал с помощта на терминали.
Иначе казано – колкото повече се променят нещата, толкова повече остават същите. Историята повтаря себе си.