Джордж и код, который не взломать

Квантовые компьютеры

Компьютеры стали неотъемлемой частью нашей жизни. Сегодня они есть у нас дома, в машине, а у большинства из нас ещё и в мобильном телефоне. Эта техническая революция стала возможна благодаря тому, что мы теперь лучше понимаем окружающий мир. И в основе этого понимания лежит математика.

Головоломки для математиков

В 1900 году немецкий математик Давид Гильберт составил список из 23 нерешённых математических задач. Работая над одной из этих задач, в которой предлагалось выяснить, всегда ли можно за конечное число шагов установить истинность или ложность математического утверждения, британский математик Алан Тьюринг предложил создать гипотетическую машину, которая сама сумеет производить вычисления. Эта машина – машина Тьюринга – и стала прототипом современного классического компьютера.

Механика классическая – и квантовая

Галилей, Ньютон, Максвелл и другие учёные очень точно описали мир вокруг нас, в результате чего появилась классическая механика. Но когда учёные перешли к уровню атомов и молекул, оказалось, что методы классической механики не работают. Понадобилась новая теория – квантовая механика.

Законы квантовой механики сильно отличаются от законов механики классической. К примеру, согласно принципу суперпозиции, если А – решение уравнения в квантовой механике и B – тоже решение этого уравнения, то и A + B также является решением. Что это означает на практике? Например, если при одном решении электрон находится тут, а при другом – там, то существует решение, при котором электрон находится и тут и там одновременно. Основываясь на этом же принципе, физик Шрёдингер показал, что на квантовом уровне мы можем наблюдать кота живым и мёртвым в одно и то же время – что совершенно невозможно в рамках классической физики.

Квантовые правила и компьютер

1. Сначала превратим бит информации в квантовый бит, или кубит (от quantum bit, qubit). Кубит может находиться в суперпозиции состояний 0 и 1 одновременно!

2. Два кубита могут находиться в суперпозиции четырёх состояний: 00, 01, 10 и 11. А для трёх кубитов это уже восемь состояний: 000, 001… 111.

3. Легко заметить, что с увеличением числа кубитов количество состояний растёт экспоненциально. Всего лишь заменив классическое или (0 или 1) на квантовое и (0 и 1), мы могли бы экспоненциально увеличить вычислительную мощность!

4. Это значит, что если изменить правила вычисления, то можно придумать новые алгоритмы для решения задач, которые сегодня не имеют решения, хотя квантовые компьютеры не обязательно будут эффективны для всех типов задач.

5. Таким образом, для некоторых задач квантовые компьютеры – ровно то, что надо! Пример квантового алгоритма: разложение на множители произведения двух больших простых чисел. На этой очень сложной для классических компьютеров задаче во многом основана современная кибербезопасность. Однако квантовый компьютер смог бы с лёгкостью раскладывать большие числа на множители и взламывать шифры. Квантовые алгоритмы можно будет применять и в других сложных сферах науки и жизни: в материаловедении (чтобы создавать новые квантовые материалы и изучать их свойства), химии (предсказывать поведение больших атомов и молекул – например, при создании новых лекарственных препаратов), здравоохранении (для разработки новых типов датчиков) и во многих других областях, которых мы пока даже не представляем. Квантовые правила позволяют нам разработать новый язык для «разговора» с квантовыми частицами – атомами и молекулами.

Квантовая механика дала нам ключ к пониманию основ Вселенной, её строительных блоков. А квантовая информатика позволит использовать всю мощь квантовой механики для со здания ошеломляющих технологий, таких как квантовый компьютер, квантовая криптография, квантовые сенсоры и многое другое, что пока невозможно даже вообразить.

Реймонд