Кстати, в некоторых случаях «хрупкость» квантового состояния системы может оказаться весьма ценным свойством. Особенно для представителей спецслужб и других структур, курирующих каналы секретной связи, которая на сегодняшний день далеко не идеальна. Код можно подслушать, метод шифрования — украсть, передаваемые сигналы — записать и со временем расшифровать.
Если же удастся построить квантовый компьютер, способный выполнять разложение больших чисел на простые множители с помощью алгоритма Шора, защита информации в подавляющем большинстве современных секретных систем будет вообще ненадежной. Квантовый мир может дать и средство для обеспечения небывалой секретности при обмене информацией.
Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания системы глобальной секретности.
Но вернемся к когерентности. Для того чтобы квантовый компьютер работал бесперебойно, необходимо научиться поддерживать в нем определенные квантовые состояния и следить за тем, чтобы неконтролируемые воздействия со стороны окружающего мира не нарушали процесс квантовых вычислений. Исключительно чувствительны к подобным процессам сцепленные состояния кубитов, так как одно-единственное воздействие на любой из них может разрушить все состояние квантового регистра. Поскольку сбои, связанные с непредсказуемым изменением состояния бита, присущи любому вычислительному устройству, нужно постоянно проводить коррекцию ошибок, которая позволяет существенно продлить время работы квантовой системы. Накопились ошибки — почистили.
Классическая коррекция ошибок основывается на введении дополнительных «контрольных» битов (например, бита четности) и на регулярной проверке состояния этих битов в процессе вычислений. Однако есть и другой способ, основанный на избыточном кодировании исходной информации. К примеру, вместо одного кубита можно использовать три. В этом случае обработку информации строят таким образом, чтобы в процессе выполнения логических операций все три кубита изменялись одинаково. Нарушение когерентности может привести к изменению состояния одного из них. Поэтому для поиска возможных ошибок выясняют, находятся ли все три кубита в одинаковом состоянии, не определяя при этом самих состояний. При выявлении ошибки ее легко исправить, изменяя «неправильное» состояние.
Понятно, что квантовая коррекция требует значительного дублирования информации и как следствие — увеличения оперативной емкости квантовой системы.
Час «Х»Когда же действительно войдут в нашу жизнь квантовые компьютеры и нужно ли нам это в решении повседневных задач? Некоторые специалисты считают, что если проблему создания квантовых компьютеров решать не в отдельных исследовательских лабораториях, а на государственном уровне, как решали в свое время вопросы космонавтики, атомной энергетики и микроэлектроники, то на это уйдет около четверти века.
Что касается применения, то на первых порах квантовый компьютер мог бы стать составной частью суперкомпьютера, как некий спецпроцессор. Все, что по силам классической части компьютера, она брала бы на себя, а по мере возникновения задач «нерешаемых» в дело включался бы спецпроцессор. Если говорить о размерах «компьютера будущего», то никакого «гигантизма» специалисты не прогнозируют. Работающая часть — всего несколько тысяч атомов, а остальное оборудование отвечает за изоляцию квантового мира от окружающих помех и связь с управляющим процессом вычислений компьютером. Все устройство будет выглядеть как обычная лабораторная установка, обеспечивающая вакуум и сверхнизкие температуры.
Некоторые ученые полагают, что мечта о появлении квантовых компьютеров сможет осуществиться лишь при определенных прорывах в физике и технике эксперимента, когда квантовый мир станет более понятным людям. Однако вне зависимости от того, будет построен квантовый компьютер или нет, квантовые вычисления уже заняли свое место в информатике и математике, а опыт работы с отдельными атомами существенно обогатил возможности экспериментальной физики, химии и инженерии.