Квантовый компьютер

Здравствуйте.

Итак, что такое квантовый компьютер. Далее для краткости КК.

1. КК это не компьютер, не вычислительная машина, не калькулятор, и вообще ничего общего не имеет с тем, что мы привыкли называть компьютером (штуковиной, основанной на полупроводниковых транзисторах, и тактах осциллятора).

КК ничего не считает, он не складывает и не вычитает числа (у него нет такого функционала). У него нет ни оперативной памяти, ни жёсткого диска, ни центрального процессора. Более того, расчёты, которые нужны при работе КК, выполняются на вполне обычном компьютере, только помощнее чем у нас дома. КК вообще больше похож на паровую машину, где нужно краны отворачивать чтоб газ пустить/лазеры включить. Она пыхтит, чёто делает, но никакие цифры из неё не вылезают.

2. КК это не что-то недоступное простому человеку, нет. Сейчас в мире полно этого барахла, работают десятки коммерческих и научных КК, доступ к которым может получить любой человек, прямо из дому, например. Нужно только зарегистрироваться на сайте и оплатить время использования КК. Стоит это чепуху, условно говоря один доллар за одну минуту использования. Одна минута вычислений — это дофига, можно гору расчётов выполнить. Правда ничего интересного в этом нет, не больше чем в обычном программировании или ковырянии в носу.

Можно кстати зарегаться как студент и получить вообще бесплатное время. Однако не надейтесь, ломануть соседский вайфай на КК у вас не получится. И не потому, что вам не дадут этого сделать, а потому, что современные КК на столько слабые, что даже не могут разложить число 21 на два простых сомножителя (3 и 7). Это если не прибегать ко всяким читерским хакам. Но и с читами там всё очень печально. Так что забудьте про халявный интернет.

3. В обычном компе в качестве единицы информации используется бит (может принимать два значения — ноль либо единица). Физически это заряд на транзисторе процессора — есть заряд, это 1, нет, это 0. И вообще всё в этом мире есть единица и ноль — положительный и отрицательный заряд порождаемые колебанием полей. Другого нет и быть не может, по определению, так решила Вселенная когда сама себя создавала. Но это отдельный разговор . А вот в квантовом компе в качестве единицы информации используется кубит. Что это за чертовщина мы разберём дальше, впрочем там и чёртовщины никакой нет, и вообще всё скучно. Так вот, в мире есть разные КК, все они используют кубиты и схожие принципы работы. Разница в том, что выступает в роли этих самых кубитов…

Есть КК на сверхпроводниках. Кубитами служат микросхемы из сверхпроводящих материалов. Принцип основан на управлении направлением и фазой электрического тока, который течет без сопротивления при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C). Короче, создают искусственно вакуум чтоб частица бежала себе спокойненько и ни обо что не ударилась раньше времени. Если ударится, то обязательно подцепит какой-то вирус заряд и всё пойдёт по известному месту.

Есть КК на ионных ловушках. Кубитами являются одиночные атомы (ионы), подвешенные в вакууме с помощью электромагнитных полей. Принцип основан на управлении энергетическими уровнями электронов с помощью точечных лазерных лучей.

Есть КК на нейтральных атомах, принцип схож с предыдущим.

Есть фотонные КК. Кубитами являются частицы света — фотоны. Принцип основан на пропускании лазерных импульсов через систему микроскопических зеркал, светоделителей и волноводов на оптическом чипе. Информация кодируется в фазе или поляризации света.

Есть спиновые КК. Кубитами выступают спины электронов (спин — это направление вращения частицы, если упростить до невозможности). Принцип основан на управлении направлением этого спина с помощью микроволновых импульсов.

Таким образом читатель уже догадался, что в основе всех КК лежит одна и та же задача — управлять частицами (ионами, электронами, фотонами) с помощью лазеров, полей или тупо зеркалами и полупрозрачными пластинками. Вот и весь принцип. А вот нафига ими управлять и как заставить всю эту сантехнику «вычислять» мы узнаем ниже.




И в довершение вступления — на картинке выше показан КК на сверхпроводниках (ад из трубочек и прочих железяк). То есть это реально больше похоже на хим. лабораторию из Fallout 4, чем на комп. А вот фотонный КК...



Фотонный КК. Просто куча лазеров прикрученных к верстаку чтоб не сдвинулись, вот и вся магия. Фоток нормальных нет ибо журналистам это говно не интересно, трубочки красивее.


Объяснение ниже будет построено на работе фотонного КК.

Однако прежде чем писать про работу КК нужно пояснить какую он вообще играет роль и нафига был придуман.

В мире есть криптография, шифрование. Это банковская тайна, безопасность государства и т.д., всё очень серьёзно. Шифрование бывает разное, все знают про RSA, AES. Остановимся на RSA — шифрование с возможностью передачи ключа по открытым каналам (типа всё видят твой ключ). Передача ключа в открытую, это очень круто так как это самая главная проблема. Мы можем придумать любой, самый изощренный метод шифрования, но что делать с ключём — способом расшифровки? Если мы возьмём его и понесём своему оппоненту в кармане на флешке, тогда, во-первых, возможно придётся далеко идти, а во-вторых, нет ни какой гарантии, что нам не дадут по башке и ключ не будет скомпрометирован — бандюги его захватят.

Эта проблема существовала долго, пока в 1977 два математика Диффи и Хеллман не придумали принцип асимметричного шифрования с использованием публичного ключа. Суть этого — на каждой стороне создаётся пара ключей, один секретный, один публичный. Секретных ключей не знает никто кроме хозяина (вы или банк), а публичные ключи летают по сети в открытом виде. И теперь, если применить хитровыдуманную математику, можно путем смешивания публичного и секретного ключа передавать и данные в зашифрованном виде, и сам ключ. Никуда ходить не нужно. А через год чуваки с фамилиями Rivest, Shamir и Adleman запилили на основе этого алгоритм RSA. Я тут естественно всё опять упростил, но суть не изменилась.

Алгоритм RSA основан на непогрешимости математики, больше ни на чём. В целом суть RSA я пояснял здесь, в самом начале, так что сильно вдаваться в детали не будем. Суть этой непогрешимости заключается в следующем — мы берём два простых числа, больших, и перемножаем. Умножение нам не стоит ничего, буквально пару десятков тактов обычного процессора, или пара строчек в тетрадке. Но, фишка в том, что теперь чтоб разложить получившееся огромное число обратно на эти два сомножителя (если мы их изначально не знаем), становиться практически не решаемой задачей.

Сделать это можно только методом перебора всех возможных вариантов, а это в свою очередь займёт время больше чем существование самой Вселенной, сотни миллиардов лет, какой бы мощный компьютер у нас ни был. Это математический закон, который вывели задолго до компьютерной эпохи. Математике в принципе насрать на все компьютеры, ей вообще на всё насрать, она просто работает всегда.

И вот исходя из понимания необратимости этого алгоритма и придумали шифрование (типа два сомножителя это две буквы вашего пароля, а теперь хакеры, если у вас есть немного свободного времени, пару-тройку миллиардов лет, идите и ломайте, раскладывайте это число обратно). Долгое время всё было хорошо, никто не парился по поводу надёжности шифров, пока на сцену не вышел чувак по фамилии Шор. Это был конец 20-го века, разговоры о квантовых компьютерах уже велись в лабораториях, но никто всерьёз к этому не относился. Не относился до тех пор пока Питер Шор не заявил и не доказал, что на достаточно мощном КК это операцию (обратного разложения), можно сделать за несколько часов. И вот тут обосрались все! Вообще все, банки, гос. структуры, министерства всех безопасностей и так далее.

Все поняли — кто первым создаст КК, тот и будет править миром шифрования. И бабки потекли рекой в те самые лаборатории.


Ну, а теперь держитесь малыши, будет тяжело.

Давайте вначале сведём нашу задачу к общему знаменателю. Итак, нам нужно разложить некое число на два простых сомножителя, и делать это будем с помощью того, что «запрограммируем» несколько фотонов определённым образом (приведём их в некое состояние), а потом считаем с этих фотонов некое другое состояние, которое потом на обычном компе переведём в числа и получим результат. Делать это будет наш фотонный КК используя «магию» квантовой механики (никакой магии, на то она и механика). И вот теперь мы готовы поговорить о том как работает КК…


Итак, поскольку у нас на верстаке фотонный КК, то кубитами послужат фотоны. В первую очередь нам нужно породить эти самые фотоны-кубиты. Однако нам нужны не абы какие фотоны, а фотоны повёрнутые определённым образом, то есть с заданной поляризацией.

«Поляризация» кажется непонятным словом, давайте восполним этот пробел в наших пояснениях. Сам по себе фотон, это «волна», и он трясётся (колеблется) как волна, туда-сюда. Да-да, именно трясётся, как струна гитары, так легче всего вообразить это себе в голове. Как мы помним, в основе всего сущего лежит поле, а поле это волна, а волна это колебание, а колебание туда-сюда порождает заряд, положительный и отрицательный, а заряд (как полюсы магнита) порождает притяжение (гравитацию). Всё, круг мироздания замкнулся.

В потоке света куча фотонов и они все трясутся в разных направлениях, влево-вправо, вверх-вниз, тудемо-сюдемо под разными углами. То есть каша из трясущихся в разных направлениях фотонов. Так вот, направление тряски, это и есть поляризация.

Но, нам, во-первых, нужен одиночный фотон, а во-вторых, этот фотон должен колебаться в конкретном направлении, в том, в котором нам нужно. Стрельнуть одиночным фотоном не проблема, это ещё при царе-горохе умели делать. Все знают опыт с двумя щелями и пролетающим через них фотоном, так вот первый такой опыт был сделан в 1801 году, Томасом Юнгом. В 1909 году Джеффри Тейлор, поставил этот опыт с одиночными фотонами, стреляя ими из газовой горелки, а в качестве отделителя фотонов использовал кусок оконного стекла закопчённого на свечке. Да, это вам не лаборатория за миллионы денег, только хардкор.

Так что нам осталось только повернуть фотон под нужным углом. В этом нам помогут поляризационные пластинки. Это что-то вроде плёнки наклеенной на ваш экран монитора или ещё лучше — поляризационные очки. Держишь их так — всё видно, поворачиваешь — изображение пропадает. Правда тут нужно сделать оговорку, в очках используется поляризатор, который отсеивает часть фотонов, то есть какие-то пролетают, а какие-то нет. Мы же будем использовать пластинку, которая пропускает все фотоны, но при этом поворачивает их. Мы же стреляем одним фотоном, нам не надо его терять.

Пластинка сделана из кристалла (из кристаллического кварца), который в природе растёт как и любой другой кристалл и у него от природы есть так называемая оптическая ось, это что-то типа волокон у деревьев. Этот кристалл распиливают так, чтоб получить пластинку определённой толщины, очень точной, до нанометров.

Пластинку ставят перпендикулярно относительно летящего в неё фотона. Фотон колеблется под каким-то углом (пофигу под каким) и влетает в пластину. При проходе колебание фотона раскладываются на две компоненты (не спрашивайте, что это такое) — вдоль оптической оси и поперёк неё. Эти две компоненты идут сквозь пластинку с разной скоростью, поэтому на выходе у них накапливается разная фаза — одна обгоняет другую. Когда фотон вылетает, компоненты складываются обратно. Но из-за разности фаз сложение идёт не так, как на входе. В одном направлении они гасят друг друга, в перпендикулярном — усиливают (работает интерференция). Итоговая поляризация оказывается повёрнутой. То есть тут нет никакого человеческого вмешательства в механику процесса, всё делают сами законы физики.

Проще это наверно не объяснить. Если всё равно тяжело, то просто представьте себе, что у пластины есть горизонтальная щель, фотон летел как-то криво, а когда пролез через щель повернулся как нам надо.

Вух, мы прошли первый этап подготовки фотона.


Итак, наш правильно повернутый фотон вылетел из пластины и летит дальше. На его пути мы ставим штуковину под названием светоделитель. Светоделитель представляет из себя две склеенных стеклянных призмы. На одну из граней перед склейкой наносят диэлектрическое покрытие из чередующихся слоёв материалов с разным показателем преломления. Именно это покрытие и задаёт пропорцию, в которой свет делится на двое таким образом чтоб 50% прошло насквозь, а 50% отразилось. Короче, это типа полузеркала, если хотите.

Когда наш одиночный фотон, с выровненной поляризацией, подлетает к светоделителю, он не «разрезается» на две половинки. С точки зрения квантовой механики, одиночный фотон переходит в состояние суперпозиции. Его волновой пакет переходит из состояния «лечу по одному пути» в состояние «лечу по пути А» + «лечу по пути Б». Тяжело, но не расстраивайтесь, Ричард Фейнман сказал — «думаю, я могу смело сказать, что квантовую механику не понимает никто». Однако важно здесь одно, то, что произошло с фотоном чистая правда, это научно подтверждённый факт.

Суперпозиция — это не «фотон во всех состояниях сразу». Это конкретное состояние, в котором у фотона нет определённого ответа на вопрос «какой путь?». Пока нет измерения, вопрос не имеет ответа. А когда измеряем — получаем один из двух исходов. То есть чтоб ответить на вопрос — «в каком же сейчас состоянии находиться фотон», нужно произвести измерение, нужен наблюдатель, который и ответит на этот вопрос. Всё, не добавить не убавить.

Теперь наш фотон находится в суперпозиции, в двух возможных состояниях — и так и сяк. Собственно как я и говорил выше, двойственность, единица и ноль, только одновременно. Такие дела . И да, это и есть наш кубит.


Теперь наш фотон летит дальше и на его пути мы ставим фазовращатель. Фазовращатель — это кусок прозрачного материала.

Статья не дописана.