Современная электроника №7/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Зачем нужны квантовые вычисления? Часть 1. Что такое квантовый компьютер В первой части статьи описываются основные принципы работы квантовых компьютеров, рассматриваются в первом приближении различные их виды и проводится экскурс в технологии квантовых вычислений в целом. Также в этой части статьи приводится описание архитектуры квантового компьютера. Виктор Алексеев (victor.alexeev@gmail.com ) Сегодня не прекращаются дебаты относительно того, зачем нужны кван- товые компьютеры; нужно ли инве- стировать в эти проекты; насколько реальны перспективы появления пол- ноценных квантовых компьютеров, способных заменить и даже вытес- нить классические компьютеры в неко- торых приложениях. Особый интерес представляет вопрос о том, когда будет создан квантовый компьютер, который сможет мгновенно взламывать любые шифры. Данная статья является попыт- кой ответа на такие вопросы на языке, доступном для неспециалистов в кван- товой физике. В некотором смысле ста- тья может заинтересовать и людей, зна- комых с предметом, поскольку в ней цитируются интересные работы, опу- бликованные в последние годы в веду- щих научных журналах. С развитием науки и техники всё более актуальными становятся задачи моделирования в таких областях, как, например, квантовая химия и кванто- вая физика, современные криптогра- фические системы высокого класса устойчивости, разработки новых мате- риалов и лекарственных препаратов и в других аналогичных приложениях. В ряде случаев стандартные компью- теры с двоичной логикой просто не в состоянии справиться с некоторыми из подобных задач. Надежды на решение этих проблем связаны с новым типом вычислительных устройств, кото- рые используют квантово-механиче- ские явления микромира для работы со сложными вероятностными моде- лями. В отличие от стандартных ком- пьютеров с двоичной логикой, эти квантовые вычислители используют в качестве единицы измерения кванто- вые биты (кубиты). В настоящее время классифициру- ются два основных типа квантовых вычислителей – универсальные циф- ровые вентильные квантовые ком- пьютеры UDGQC и адиабатические аналоговые квантовые вычислите- ли, включающие в том числе модели с квантовым отжигом AQ, QA. В пер- вой части статьи представлен краткий обзор ситуации с текущими разработ- ками в области квантовых вычислений в ведущих лабораториях мира. Для неспециалистов сделан специальный раздел с простыми вводными поясне- ниями базовых терминов квантовых вычислений. Также в хронологиче- ском порядке рассмотрены основные типы квантовых кубитов. Вторая часть статьи посвящена ком- пьютерам классов UDGQC и NISQ, куда входят VQE, адиабатические квантовые вычислители и вычислители с кванто- вым отжигом. Введение Много ли людей в мире слышали в конце 1990-х выражения «квантовый компьютер» и «квантовая физика»? Вероятно, не очень много. Ситуация резко изменилась в начале 2000-х после того, как специалисты концерна IBM с помощью своего лабораторного вари- анта квантового компьютера с семью вычислительными элементами (куби- тами) экспериментально показали работоспособность алгоритма Шора, опубликованного еще в 1994 году. Этот алгоритм теоретически доказывает воз- можность реализации целочисленной факторизации больших чисел. Иными словами, с помощью этого алгоритма идеальный квантовый компьютер спо- собен достаточно быстро взламывать большинство используемых сейчас асимметричных криптографических схем. Физики из IBM в 2001 году смогли продемонстрировать успешную рабо- ту алгоритмаШора на своём квантовом компьютере, разложив число 15 на про- изведение простых чисел [1]. Эта тривиальная задача вызыва- ет ироническую улыбку. Однако идея была быстро подхвачена прессой и телевидением как реклама квантово- го компьютера в качестве инструмен- та, способного взламывать любые крип- тографические протоколы, в том числе банковские шифры и коды пуска ракет с ядерными боеголовками. Естествен- но, началась паника, стимулировав- шая неограниченное финансирование во всех странах проектов, связанных с квантовыми компьютерами [2–4]. Практически CRQC представляют собой разновидность универсально- го цифрового квантового компьюте- ра с вентильной обработкой сигнала, который способен атаковать реальные криптографические системы. Возникли сотни новых лаборато- рий по всему миру, которые с огром- ным энтузиазмом взялись за развитие квантовых вычислений и поиск путей создания так называемого «криптогра- фически релевантного квантового ком- пьютера» (Cryptographically Relevant Quantum Computer – CRQC), способ- ного взламывать шифры [5]. Но, несмотря на огромные финансо- вые вливания и интенсивные исследо- вания, потребовалось около десяти лет для того, чтобы научный мир пришёл к неутешительному выводу о невоз- можности создания на современном технологическом уровне квантово- го компьютера типа CRQC. Например, для того чтобы взломать протокол RSA-1024, нужно разложить на про- стые множители число 2 1024 . Поэтому для взлома протокола шифрования RSA-1024 в режиме реального време- ни понадобится универсальный кван- товый программируемый вентильный квантовый компьютер с квантовой кор- рекцией ошибок вычислений, содержа- щий сотни тысяч кубитов. Хотя теоре- тическая возможность создания такого компьютера существует, но когда она будет воплощена в жизнь, сейчас ска- зать крайне сложно [6]. Поскольку ажиотаж, связанный с разработкой CRQC, постепенно утих, многочисленные лаборатории, обра- зовавшиеся в результате «шифроваль- ного бума», переключились на новые