Действительно, теоретически гвоздь бифштексом забить, наверное, можно, если бить достаточно "нежно", чтобы сразу не измочалить сам бифштекс, и достаточно долго, пока гвоздю ничего больше не останется делать, как забиться. Возможно, для этого потребуется время, превосходящее даже время существования всей Вселенной.

Примерно столько же времени может потребоваться самому мощному суперкомпьютеру, действующему по принципу универсальной машины Тьюринга, для разложения, например, 400-500-значного числа на простые множители. Существует огромное множество задач, на которых обычные суперкомпьютеры могут отдыхать. Но хитрые физики придумали выход. Науку, которая многие десятилетия оставалась, скорее, теоретической экзотикой, особенно в своей интерпретационной части, они сделали основой технологического прогресса уже на ближайшее будущее. Речь идет о квантовой механике. Нежданно-негаданно открывшееся новое исследовательское поле квантовых вычислений и информатики рекрутировало специалистов из самых разных областей: от астрофизики и космологии до материаловедения и... журналистики. Первоначальные финансовые ручейки на глазах превращаются в бурные потоки. У "них", конечно. Только в США годовое финансирование по QIC (Quantum Information & Computation) или QIP (Quantum Information Processing) уже превысило финансирование космического проекта Apollo. Физики опять в почете!

С чем же связан этот грандиозный мировоззренческий переворот? И вообще: зачем все это нужно? Ведь обещанные Intel терагерцевые процессоры явно удовлетворят самые сокровенные желания самых зафанателых геймеров, а может быть, и навсегда отобьют охоту к бесконечному апгрейду.

А связано все это с тем, что стремительное развитие вычислительной техники и информационных технологий уже в 70-е годы ХХ века заставило многих физиков задаться двумя принципиальными вопросами: 1) налагают ли законы природы (физики) фундаментальные ограничения на вычисления с помощью устройств сколь угодно универсальной архитектуры и 2) каковы перспективы использования вычислительных устройств для моделирования реальных физических процессов?

Было осознано, что любой вычислительный процесс - это, в конечном счете, процесс физический и как таковой не может не сопровождаться рассеиванием энергии (согласно второму началу термодинамики). По мере миниатюризации электронных компонентов проблема "термодинамической необратимости вычислений" приобретает особую остроту. Но миниатюризация влечет и другое, еще более серьезное, следствие. Если развитие микроэлектронной технологии будет и впредь подчиняться известному закону Мура, то достижение атомных масштабов отдельными элементами будет неизбежно, а по существу, эти масштабы сегодня уже достигнуты. Но на атомных и субатомных масштабах законы (полу)классической физики уже не справедливы. Уже эти два обстоятельства - возможность создания почти "обратимого" вычислительного устройства с минимальной диссипацией энергии, в основном, затрачиваемой на коррекцию ошибок, и возможность использования объектов микромира для обработки информации - подтолкнули ученых к идее создания универсального квантового компьютера.

Первоначально в 1982 г. Р. Фейнман предложил идею квантовомеханического компьютера для решения задачи моделирования квантовых систем, состоящих из достаточно большого числа индивидуальных элементов. Он показал, что в общем случае никакой самый быстрый компьютер, работающий по принципу универсальной машины Тьюринга, с этой задачей за разумное время не справится, но что квантовый компьютер, позволяющий организовать мощный параллельный вычислительный процесс, с этой задачей справится без проблем.

Были и другие задачи подобного рода. В частности, так называемые NP-полные задачи, как, например, известная комбинаторная задача о "путешествиях коммивояжера" (см. "КВ" №18'2002). Но только в 1994 году "трезвые прагматики" были вынуждены обратить свои взоры на квантовую теорию информации и вычислений после того, как математик из AT&T Питер Шор опубликовал квантовый алгоритм, позволяющий разлагать очень большие числа на простые множители за время, зависящее полиномиально от длины факторизуемого числа, а не экспоненциально, как это имело бы место в обычных компьютерах. Так, для факторизации 155-значного числа потребовалось 3,7 месяца непрерывной работы распределенной вычислительной компьютерной сети. Недавний взлом 64-битного RSA-шифра потребовал 1757 дней и участия 331252 человек, объединивших свои компьютеры в сеть. Но даже если каждую частицу Вселенной заставить производить классические вычислительные операции, то для факторизации числа из 2000 цифр потребуется время, превосходящее прошедшее с момента "Большого Взрыва", т.е. рождения нашей Вселенной. Как показал Шор, квантовый компьютер затратил бы время, исчисляемое только годами. Но главное в этом алгоритме то, что он полностью развеял иллюзии о якобы принципиальной невзламываемости криптографических алгоритмов, основу которых и составляла факторизация чисел, например, широко применяемой системы RSA с открытым ключом. Тут уж пришлось призадуматься и военным, и спецслужбам. Тем более, что квантовые системы давали и решение проблемы секретности передачи информации. Еще десятью годами ранее в 1984 году Ч. Беннетт и Дж. Брассар предложили коммуникационный протокол квантового распространения ключа (quantum key distribution), позволяющий обнаружить любые попытки перехвата секретных сообщений и принять соответствующие контрмеры. Протокол, названный BB84, основывался на фундаментальном свойстве квантовых систем, состоящем в том, что любое измерение квантового состояния приводит к разрушению этого состояния.

Через два года, в 1996 году, Л. Гровер предложил квантовый алгоритм поиска информации в больших массивах данных, в котором квантовый параллелизм играл также ключевую роль. Были разработаны алгоритмы для моделирования поведения квантово-механических систем, сфера приложения которых - квантовая химия.

Перспективным направлением квантовых вычислений может стать, в частности, моделирование процесса протеинового синтеза, требующее огромных вычислительных мощностей. Недавно суперкомпьютер смог смоделировать формообразование простейшего белка, состоящего всего из 20 аминокислот. Моделирование белков из сотен, а то и тысяч аминокислот современным компьютерам "не по плечу". Не обойтись без квантовых компьютеров и в решении задач оптимизации трафика быстро растущих глобальных информационных сетей типа World Wide Web с помощью особых программ-агентов.

Однако круг задач, которые будут решать квантовые компьютеры, очертить в полном объеме пока достаточно сложно, так как нам, по словам Дж. Прескилла, "все еще не достает глубокого понимания того, как работают квантовые алгоритмы". Одно можно сегодня констатировать с уверенностью: квантовые компьютеры - это уже не фантазия оторвавшихся от земли теоретиков, а научная и технологическая реальность, и многим из ныне живущих уже доведется пожить в квантово-информационную эпоху.

Сергей САНЬКО