Физика будущего - Мичио Каку

Квантовые компьютеры

Самое, пожалуй, амбициозное предложение состоит в том, чтобы использовать квантовые компьютеры, вычисления в которых проводятся на отдельных атомах. Некоторые ученые утверждают, что квантовые компьютеры — идеал и конечная цель, поскольку атом — мельчайшая единица, на которой можно производить вычисления.

Атом похож на крутящийся волчок. В принципе можно хранить цифровую информацию в группе крутящихся волчков, если условно считать волчок, вращающийся по часовой стрелке, цифрой 0, а против часовой стрелки — цифрой 1. Если вы перевернете один из волчков, 0 сменится 1 (или наоборот) и получится, что вы произвели некое действие.

Но в странном квантовом мире атом в каком-то смысле вращается одновременно и по часовой стрелке, и против нее. (Мы помним, что в квантовом мире находиться одновременно в нескольких местах считается нормальным.) Поэтому получается, что атом может хранить значительно больше информации, чем просто 0 или 1. Его состояние может описывать произвольную смесь 0 и 1. Так что квантовые компьютеры пользуются не битами, а «кубитами» информации. К примеру, какой-то конкретный атом может крутиться на 25 % по и на 75 % против часовой стрелки. Понятно, что информации здесь куда больше, чем один бит.

Квантовые компьютеры настолько мощны, что ЦРУ уже думает о потенциальной возможности использовать их для взлома кодов. В сущности, взлом шифра любой страны мира сводится к поиску ключа, а ключи к современным шифрам устроены чрезвычайно хитро. К примеру, ключ может быть основан на разложении некоего большого числа на множители. Конечно, число 21 легко представить как произведение 3 и 7. А теперь представьте, что у вас есть целое число из ста цифр и вам нужно представить его как произведение двух других целых чисел. У цифрового компьютера на такую операцию может уйти лет сто. А вот квантовый компьютер будет настолько мощным, что сможет в принципе легко взломать любой подобный шифр. Вообще, на подобных задачах квантовый компьютер легко обгоняет обычный.

Квантовые компьютеры — не фантастика, они уже существуют. Я своими глазами видел квантовый компьютер, когда был в МТИ в лаборатории Сета Ллойда (Seth Lloyd), одного из пионеров в этой области. Его лаборатория забита компьютерами, вакуумными насосами и датчиками, но самое главное в его эксперименте — это машина, внешне напоминающая стандартный аппарат для МРТ, только в уменьшенном масштабе. Как и в MPT-аппарате, в устройстве Ллойда имеется две большие катушки, создающие в пространстве между ними однородное магнитное поле, в которое помещается образец. Оси всех атомов в образце параллельны, атомы стоят как вращающиеся волчки. Если атом смотрит вверх, он соответствует 0, если вниз — 1. Ллойд посылает в образец электромагнитный импульс, изменяющий положение атомов. Некоторые из них переворачиваются, т. е. 1 превращается в 0, или наоборот. Таким образом машина произвела некое вычислительное действие.

Так почему на наших столах до сих пор не стоят квантовые компьютеры? Почему не все шифры раскрыты и не все загадки Вселенной разгаданы? Ллойд признался мне: настоящая проблема с квантовыми компьютерами заключается во внешних раздражителях, которые очень легко нарушают хрупкое равновесие атомов и избавиться от которых необычайно сложно.

Когда атомы «когерентны» и колеблются синхронно друг с другом, их равновесие настолько тонко, что от наимельчайших внешних помех синхронность нарушается и они «декогерируют». Даже пролет космической частицы или грузовик под окнами лаборатории может нарушить когерентность атомов и погубить вычисления.

Проблема нарушения когерентности — самый серьезный барьер на пути создания квантовых компьютеров. Всякий, кто сумеет ее решить, не только получит Нобелевскую премию, но и станет богатейшим человеком на свете.

Можно без труда представить, что создание квантовых компьютеров из отдельных когерентных атомов — тяжелый процесс, поскольку атомы быстро декогерируют и сбиваются с ритма. До сих пор самым сложным вычислением, которое удалось провести на квантовом компьютере, является 3x5=15. Выглядит, конечно, несолидно, но вспомните: это вычисление произведено на отдельных атомах.

Существует и еще одна странная проблема, берущая начало в квантовой теории и конкретно в принципе неопределенности. Все вычисления, проведенные на квантовых компьютерах, по сути своей обладают некой неопределенностью, так что любое вычисление необходимо проводить множество раз. Дважды плюс два будет четыре… по крайней мере иногда. Если повторить эту операцию много раз, ответ усреднится и вы действительно получите 4. Так что даже арифметика на квантовом компьютере становится какой-то расплывчатой.

Никто не знает, когда будет решена проблема декогерентности. Винтон Серф (Vinton Cerf), один из создателей Интернета, предсказывает: «К 2050 г. мы наверняка найдем способы проводить квантовые расчеты при комнатной температуре».

Необходимо также указать, что ставки в этой игре настолько высоки, что ученые одновременно исследуют несколько разновидностей новых компьютеров. Перечислим некоторые из конкурирующих конструкций.

•Оптические компьютеры. Эти компьютеры считают скорее на световых лучах, чем на электронах. Поскольку лучи света способны проходить сквозь друг друга, оптические компьютеры обещают то преимущество, что их можно будет сделать кубическими, без всяких проводов. Кроме того, лазеры можно изготавливать при помощи все той же литографической технологии травления, что и обычные сегодняшние транзисторы, так что теоретически на одну подложку можно впихнуть миллионы лазеров.

•Компьютеры на квантовой точке. Из полупроводникового материала, используемого в микросхемах, можно вытравить крохотные точки, настолько маленькие, что содержат, к примеру, всего по 100 атомов. При таком размере точки атомы могут стать когерентными и вибрировать в унисон. В 2009 г. была получена самая маленькая в мире квантовая точка, состоящая из одного атома. Вообще, квантовые точки уже доказали свою полезность в светоизлучающих диодах и компьютерных экранах. В будущем, если мы научимся корректно обращаться с такими точками, из них может получиться даже квантовый компьютер.

•Компьютеры на основе ДНК. Первый компьютер на основе ДНК-молекулы был изготовлен в 1994 г. в Университете Южной Калифорнии. Поскольку нить ДНК кодирует информацию при помощи аминокислот, обозначаемых буквами А, Т, С, G, вместо нулей и единиц, ее можно рассматривать как обычную компьютерную запись, только более емкую. Если обычный компьютер производит операции с большими числами посредством сдвигов и перестановок, то аналоговые операции можно производить физически, смешивая в пробирках жидкости, содержащие молекулы ДНК, которые можно всячески резать и сшивать. Процесс идет медленно, но одновременно работает так много молекул ДНК, что некоторые вычисления таким образом производить выгоднее, чем на цифровом компьютере. Хотя, конечно, цифровой компьютер удобнее: его можно поместить в корпус сотового телефона, а для работы ДНК-компьютера надо смешивать в пробирках ДНК-содержащие жидкости.

Середина века

(2030–2070 гг.)

Изменение формы

В фильме «Терминатор-2: Судный день» робота в исполнении Арнольда Шварценеггера атакует робот более продвинутой модели из будущего, некий Т-1000, изготовленный из жидкого металла. В неоформленном состоянии этот робот напоминает дрожащую массу жидкой ртути; он способен произвольно изменять форму и просачиваться сквозь любые препятствия. Он может проникнуть в крохотную щель и превратить в смертельное оружие собственные руки и ноги, а затем внезапно вернуть себе первоначальную форму и продолжить свой убийственный путь. Кажется, что Т-1000—это идеальная машина для убийства и остановить ее невозможно.

Конечно, все это фантастика. Сегодняшняя технология не позволяет произвольно изменять форму твердого объекта. Тем не менее к середине века технология изменения формы в каком-то виде может войти в наш быт. И это не просто разговоры; достаточно сказать, что среди основных компаний, занятых этой проблемой, такая серьезная фирма, как Intel.

По иронии судьбы к 2050 г. результаты, полученные при помощи нанотехнологий, распространятся повсюду, при этом оставаясь незаметными. Чуть ли не каждый продукт будет модифицирован при помощи молекулярных технологий — он станет сверхпрочным, неуязвимым и гибким. Датчики, созданные на основе нанотехнологий, будут круглые сутки защищать нас и оказывать помощь; они будут всюду, но скрыты из глаз. Внешне все будет выглядеть примерно так же, как сегодня, так что обычные люди даже не узнают, насколько нанотехнологии изменили мир вокруг нас.