Современная электроника №7/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 25 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2022 Рис. 1. Внешний вид нового универсального цифрового квантового вентильного компьютера IBM без камеры охлаждения направления. Одни лаборатории про- должили развивать технологии кванто- вых вычислений и переключились на направления, связанные с моделирова- нием задач квантовой химии и физики. Другие фирмы отказались от первона- чально заявленной цели (универсаль- ный цифровой квантовый компьютер с вентильным управлением) и начали искать другие применения кубитов. Третьи фирмы предпочли занимать- ся специфическими направлениями, такими как, например, «постквантовая криптография». Несмотря на то что на практике создать универсальный циф- ровой квантовый компьютер, взламы- вающий коды, не удалось, в рамках этих работ возникло новое направление, целью которого стала разработка кван- тово-безопасной криптографической технологии, устойчивой к квантовым атакам. Эта технология, получившая название «post-quantum cryptography – PQC» (постквантовая криптография), разрабатывается под эгидой Европей- ского Института Стандартов и Телеком- муникаций (ETSI) [7]. Сегодня всё более актуальными ста- новятся научные направления, связан- ные с использованием вероятностно- го моделирования многоуровневых систем, в которых при увеличении количества задействованных пере- менных экспоненциально увеличи- вается число возможных состояний. В ряде случаев, когда в моделях задей- ствованы сотни тысяч параметров, даже сверхмощные современные ком- пьютеры КДЛ просто не в состоянии справиться с некоторыми из подоб- ных задач. Поэтому для решения про- блем, связанных с динамикой сложных систем, необходимо либо существен- но упрощать математическую модель, либо использовать какие-то совер- шенно новые типы вычислительных методик. Одним из вариантов ускоре- ния подобных сложных вычислений являются «квантовые вычисления – quantum calculations». Под термином «квантовые вычис- ления» подразумеваются некие мани- пуляции со специальными вычисли- тельными устройствами, в которых используются квантово-механические процессы. Целью квантовых вычисле- ний является нахождение вероятност- ных решений математических задач специального класса, для которых не существует точных решений с исполь- зованием операций, число которых не превышает некоторого полинома в зависимости от размера исходных дан- ных (NP hard). Это совершенно иные математиче- ские действия, чем хорошо известные двоичные вычисления на стандартных компьютерах КДЛ с логикой «ноль и единица». Предполагается, что со временем квантовые вычисления помогут корен- ным образом решить перечисленные выше проблемы с моделированием сложных нестационарных процессов. В современной англоязычной науч- но-технической литературе старают- ся избегать общего термина «quantum computer» и пытаются конкретизиро- вать тип устройства согласно его пря- мому назначению. В данной статье мы будем стараться придерживаться этого правила. В настоящее время существует пять основных типов устройств, предна- значенных для квантовых вычислений: ● универсальный квантовый цифро- вой компьютер с вентильной обра- боткой (Universal Digital Quantum Gate Computer UDQGC); ● квантовые адиабатические вычисли- тели (Adiabatic Quantum Processing Unit); ● вычислители с квантовым отжигом (QuantumAnnealing Processing Unit – QAPU); ● вариационные квантовые решатели (Variational Quantum Eigensolvers); ● криптографически релевант- ный квантовый компьютер (Cryptographically Relevant Quantum Computer – CRQC). В качестве единиц информации все эти устройства используют так назы- ваемые квантовые биты (quantum bit – кубит). Это то, что объединяет эти устройства в единый класс – кванто- вые вычислители. Квантовые вычислители – это устройства, которые принципиально отличаются от наших стандартных компьютеров КДЛ. Квантовые вычис- лители в результате некоторых манипу- ляций с кубитами позволяют получить ответ на поставленную в форме специ- ального алгоритма задачу в виде неко- торого события, спрогнозированного с некоторой вероятностью. Особенности кубитов заключают- ся в том, что они, являясь объектами квантового микромира, могут суще- ствовать в трёх состояниях – два край- них определённых состояния и одно неопределённое квантовое состояние, постулируемое теоретической кванто- вой механикой как «суперпозиция». К этому понятию вернёмся несколь- ко позже. Современные технологии позволяют создавать кубиты на базе самых разных квантовых объектов, таких, например, как ионы, нейтральные атомы, фото- ны, дефекты в кристаллах, квантовые эффекты в сверхпроводниках и т.д. Использовать эти квантовые состояния можно только при сверхнизких темпе- ратурах. Поэтому сами кубиты разме- щаются в специальной холодильной машине (dilution refrigerator), внутри которой поддерживается температура, близкая к абсолютному нулю. Совре- менный квантовый компьютер – это сооружение достаточно внушитель- ных размеров (рис. 1) [8].