состояний и коррекции ошибок данных, показав, что теоретического запрета на полное устранение таких ошибок не существует. В 1996 г. Л. Гровер, также работавший в Lucent Technologies, предложил теорию квантовой реализации другой важнейшей задачи – поиска заданной информации в неупорядоченной базе данных.
В 1998 г. в США впервые осуществили на практике схему коррекции ошибок в квантовом компьютере. Смешанное состояние каждого из кубитов раскладывалось на составляющие, в результате чего формировался спектр состояний, который можно было сохранить и использовать для сравнения с состоянием кубита в дальнейшем. Если при последующем снятии спектра он отличался от контрольного, производилась необходимая коррекция, т. е. фактически осуществлялась операция, аналогичная обновлению динамической (привычной нам оперативной) памяти. Годом позже был создан однокубитный ротационный вентиль, позволяющий менять содержимое одного кубита.
И только в начале 2003 г. сотрудникам одной из лабораторий Массачусетсского технологического института удалось осуществить первую в мире факторизацию при помощи квантового компьютера. А японские исследователи из компании NEC в том же году продемонстрировали полностью работоспособный квантовый вентиль CNOT, выполняющий операцию двоичного отрицания. Теперь осталось объединить однокубитный и CNOT-вентили в универсальное устройство, которое позволило бы с относительной легкостью осуществлять операции над регистрами кубитов.
Разработчики криптографического ПО идут на всевозможные ухищрения: дополняют вводимые пользователем короткие пароли особыми комбинациями символов или просто нулями, получая слова в десятки и сотни букв длиной. Пользователи тоже становятся умнее – скажем, очень удобно выбирать в качестве пароля некую внятную фразу (по-русски) и набирать ее на клавиатуре, оставляя регистр латинским, но глядя на буквы кириллицы, нанесенные на клавиши: в итоге получается довольно бессистемная белиберда, а запомнить пароль несложно. Пусть потом интеллектуальный взломщик паролей пытается найти словарные слова во фразе «:bk-,sk e,f,eirb cthtymrbq rjpkbr»...
Но квантовый компьютер такими фокусами не проведешь. Ему нет дела до словарей – он задействует гигантский объем своей памяти и не нуждается в «интеллекте». Впрочем, помимо «грубой силы», существуют и более тонкие методы взлома криптозащиты, направленные на поиск уязвимостей в самом алгоритме шифрования. В частности, для преодоления повсеместно применяемого сейчас алгоритма RSA необходимо как раз научиться эффективно раскладывать большие числа на простые множители. Для традиционных вычислительных систем такие способы пока не известны, тогда как с применением квантового компьютера и алгоритма Шора задача оказывается легкоосуществимой. Нет ничего удивительного, что Министерство обороны США вкладывает немалые средства в практическую разработку квантовых вычислений – хочется ведь как можно скорее приложить витающую в воздухе потенциальную мощь дрессированных кубитов к решению вполне насущных проблем национальной безопасности. Ведь, в самом деле, построй ЦРУ такой компьютер, резидентуре прочих стран мира придется срочно переходить на эзопов язык: шифровать донесения станет попросту бесполезно.
И все же – нет у ЦРУ такого компьютера, и до сих пор не очень понятно, когда он, полностью готовый к эксплуатации, появится. Хотя работоспособные прототипы уже существуют, демонстрируя не только безусловные достоинства этого направления, но и присущие ему объективно недостатки.
А недостатки эти (ничего удивительного!) – логическое продолжение достоинств. Какими бы физическими средствами ни реализовывался кубит, приходится учитывать воздействие помех в информационных каналах на полезный сигнал. И если такие помехи становятся все более ощутимыми уже в современной массовой микроэлектронике, то в электронике квантовой, где вычислениями занимаются считанные атомы (электроны или миниатюрные сверхпроводящие колечки), желательно начисто отфильтровать любой вредоносный шум. Но на этих масштабах и сами эффекты шума являются квантовыми, т. е. до конца не устранимыми принципиально...
Помимо сложностей с шумом, организация квантовых вычислений ставит перед разработчиками еще и проблему собственно ввода информации в линейку кубитов. Да, каждая из квантовых ячеек способна принять гораздо больше данных, чем классическая, оперирующая лишь примитивами нуля и единицы. Но надо ведь как-то эти данные к ячейке доставить. Надо обеспечить систему множества (десятков, сотен, тысяч) управляющих элементов, каждый из которых способен четко и однозначно воздействовать на отдельный кубит. Как это сделать? Оптическими, лазерными средствами? Но кажущийся нам тончайшей нитью лазерный пучок, даже сфокусированный на кубите, неизбежно (снова квантовые эффекты!) окажет паразитное воздействие на его соседей вследствие дифракции. Применить старую добрую электронику, виртуозно дирижировать тончайшими колебаниями магнитных полей у каждого кубита? Да, вполне возможно, что это направление более перспективно: по крайней мере, обращаться с электроникой мы действительно умеем очень хорошо.
Невзирая на все трудности, реально работающие прототипы квантовых вычислительных систем уже имеются (с 1998 г., когда был создан двухкубитный экземпляр), наряду с практическими соображениями по их дальнейшему совершенствованию. Так, группа И. Чанга, действующая в составе исследовательского подразделения фирмы IBM, еще в 2000 г. создала полнофункциональный квантовый компьютер на пяти кубитах. В качестве самих кубитов доктор Чанг предложил применять ядра атомов в структуре органических молекул, отслеживая поведение их спинов в магнитном поле. Оперировать с ядрами крупных молекул все же легче, чем с более «элементарными» частицами. В российском Институте теоретической физики РАН им. Л. Д. Ландау разрабатывают конструкцию квантового компьютера на базе микроскопических сверхпроводящих колец, по которым бежит электрический ток. Другие предложения по организации кубитов – внедрение ядер крупных атомов (например, фосфора) с хорошо измеримыми спинами в полупроводник, создание двух близко расположенных потенциальных ям-«ловушек» для одиночного электрона в сверхтонком слое полупроводника и т. п. Оптимистические оценки инженеров, вплотную занимающихся проблемой, таковы: лет через десять технология квантовых компьютеров будет окончательно отшлифована, и первые (единичные или малосерийные) образцы отправятся в распоряжение счастливых заказчиков. А вскоре удастся добиться миниатюризации контролирующих и управляющих систем, и тогда квантовыми (по крайней мере, частично) смогут стать и наши с вами настольные компьютеры. Если не будет возражений со стороны компетентных органов, конечно. Ведь в этом случае придется что-то кардинально менять в самой идеологии безопасности электронного документооборота.
Собственно, революционного изменения компьютерных систем как таковых массовое внедрение квантовых методов вычислений означать не будет. Есть множество насущных задач, для решения которых все равно выгоднее пользоваться классическими последовательными алгоритмами, замечательно реализуемыми на полупроводниковой технике. А вот отношение к сохранности и уязвимости информации, вполне возможно, изменится. Старые способы шифрования не будут работать, значит, для хранения чувствительных данных придется использовать те же самые квантовые компьютеры, изобретая и реализуя такие алгоритмы, с которыми непросто будет справиться уже им. А это означает необходимость построения таких информационных сетей, по которым могли бы передаваться сами кубиты – фактически «квантового Интернета». Насыщенность такой сети данными будет, как нетрудно понять, очень велика, учитывая невероятную емкость кубитовых регистров.
