0

Предельно возможный компьютер

Персональный компьютер, стоящий на моем столе, в сотни раз быстрее и имеет в тысячи раз больше памяти, чем универсальная ЭВМ, которая обслуживала весь мой университет в те годы, когда я был студентом. Предполагается, что такой прогресс в увеличении скорости обработки информации и емкости запоминающего устройства будет продолжаться до тех пор, пока законы физики не станут налагать определенные ограничения. В конце концов, мы не можем уменьшить атомы или увеличить скорость света.

А теперь представьте, что компьютерная технология наконец достигла этих пределов. Представьте, далее, что каждую звезду каждой галактики в обозримой вселенной каким-то образом сумели снабдить компьютерами этого «предельно возможного» типа. Было бы огромное количество очень быстрых компьютеров. Далее, если бы они были соединены вместе, мы могли бы думать о них, как об одном большом компьютере параллельного действия: назовем его «Вселенский компьютер».

Chicago Pollution

Climate Change in the Trumpocene Age

Bo Lidegaard argues that the US president-elect’s ability to derail global progress toward a green economy is more limited than many believe.

Конечно, есть такие задачи - к примеру, обработка текста - для которых этот воображаемый компьютер был бы полезен не более, чем любой из составляющих его компьютеров, работающий отдельно. Но для больших итерационных задач, решаемых методом проб и ошибок, например взлом кодов, скорость и мощность такого интегрированного «Вселенского компьютера» в значительной степени превосходили бы все, что мы когда-либо надеялись создать, ведь правда?

Запомните эту мысль.

Квантовая теория - раздел физики, где исследуются элементарные частицы и микроскопические свойства вещества - достигла самого глубокого проникновения в суть природы и описала на удивление полностью противоречащие чувству интуиции явления. Например, здесь предполагается, что элементарные частицы путешествуют одновременно по нескольким траекториям, а не локализованы в каждый момент времени каком-то одном положении.

Нет никаких сомнений, что квантовые явления, если их смогут применить, произведут революцию в обработке информации, сделают возможными такие методы вычислений, которые не сможет продублировать ни один из существующих ныне компьютеров, даже в принципе. Среди задач, для решения которых идеально подойдут квантовые вычисления, будут «алгоритмические поиски». Выражаясь простым языком, алгоритмические поиски - это то, что программисты компьютеров используют в качестве последнего средства, когда ищут математическую иглу в стоге сена: они заставляют компьютер поочередно проверять все возможные ответы до тех пор, пока он не найдет правильный.

Очевидно, что ресурсы, необходимые для таких поисков, пропорциональны числу возможных ответов: здравый смысл говорит нам, что проверка тысячи возможных ответов потребует в тысячу раз больше операций, чем проверка одного. Проверка миллиона возможных ответов требует в миллион раз больше операций.

Но в фундаментальной физике наше чувство здравого смысла неприменимо. В 1996 году ученый-компьютерщик Лов Гровер открыл квантовый алгоритм - способ программирования квантового компьютера - с помощью которого можно проверить миллион возможных ответов, затратив на это всего лишь тысячу отрезков времени, необходимых для проверки одного ответа. И триллион возможных ответов, затратив только миллион временных интервалов, необходимых для проверки одного, и так далее без ограничений.

Что будет происходить внутри квантового компьютера, когда он будет выполнять алгоритмический поиск? К сожалению, нужно признать, что большинство физиков этот вопрос поставит в тупик и приведет в замешательство. Многие будут объяснять квантовые явления, используя для этого расплывчатые выражения, или еще хуже, они просто постараются уклониться от ответа вообще. И действительно, квантовые явления нельзя наблюдать непосредственно. Но мы можем вывести их существование и свойства, измеряя их воздействие на вещи, за кот��рыми мы можем наблюдать непосредственно. Мы также никогда не наблюдали живых динозавров, но мы знаем, что они существовали - и достаточно много знаем о том, как они жили - на основании ископаемых следов и остатков.

Все возрастающее число физиков, в их числе и я, принимают интерпретацию квантовой механики как механики «многих вселенных». Мы пришли к заключению, что то, что мы наблюдаем, как единичную частицу, в действительности является одной из бесчисленного числа похожих сущностей из различных вселенных, неуловимым образом влияющих друг на друга посредством процесса, называемого «квантовой интерференцией». Для нас в квантовых вычислениях не существует никакой тайны, а лишь только чудо.

Согласно этой точке зрения квантовые вычисления возможны потому, что квантовый компьютер выполняет огромное число отдельных вычислений в различных вселенных и затем совместно использует результаты посредством квантовой интерференции. Уравнения квантовой теории описывают это явление шаг за шагом. Но поскольку совместное использование такой информации достигается лишь посредством квантовой интерференции, то те же самые уравнения резко ограничивают число типов задач, которые можно решить с помощью квантовых вычислений, или решение которых может быть ускорено с их помощью. Исключается, например, прямая связь между вселенными.

В действительности, на данный момент известно немного полезных квантовых алгоритмов. Алгоритм Гровера - один из них. С помощью других известных квантовых алгоритмов можно легко взломать наиболее широко используемые сейчас системы шифрования. Соответственно, в лабораториях привычным явлением уже стало использование систем шифрования, в которых применяют квантовые вычисления, и таким образом это является предвестником развития исключительно безопасных способов связи, защищенных даже против квантовой атаки и обладающих иммунитетом к будущим достижениям в области математики и технологии.

Fake news or real views Learn More

Так получается, что квантовую криптографию относительно легко применить. К сожалению, у нас нет компьютеров, мощности которых было бы достаточно для выполнения любых других полезных квантовых алгоритмов; создание мощного квантового компьютера явится главной научной и технологической проблемой последующих десятилетий. Но физики-теоретики уже знают, какое количество различных типов компонентов потребуется для создания квантового компьютера, и насколько сложными эти компоненты должны быть. Самое удивительное то, что фактически любое взаимодействие между двумя несущими информацию сущностями, включая атомы и элементарные частицы, годится для этих целей. Как заметил физик Сет Ллойд, «практически все становится компьютером, если вы светите на это правильным типом света».

Когда-то давно было выдвинуто предположение, что компьютер одного типа, при наличии необходимого времени и памяти, может смоделировать поведение любого другого состояния вещества. Оказалось, что существующие компьютеры, или даже воображаемый «вселенский компьютер» такими не являются. Но универсальный квантовый компьютер стал бы таким. В квантовой физике, такая вычислительная универсальность является частью сущности всего вещества - и таким образом постижимостью природы. Ни в каком другом разделе физики не происходит такого широкомасштабного взаимодействия теории, эксперимента, технологии и философии. Ни в какой другой области научных исследований нет таких многообещающих указаний на то, что нам удастся понять строение вселенной.