Введение

Эта книга задумывалась как полный справочник по программированию квантового компьютера в облаке. Ее появление стало возможным благодаря IBM Research. IBM создала свою экспериментальную квантовую установку, известную как IBM Q Experience. Она доступна не только для научных исследований — ею могут пользоваться разные люди, интересующиеся данной областью вычислений.

Сегодня квантовые вычисления набирают популярность, и настало время научиться программировать квантовые машины. В ближайшие годы должны появиться первые коммерческие квантовые компьютеры, которые обещают значительное повышение скорости вычислений по сравнению с классическими. Рассмотрим график, показывающий временну'ю сложность для двух алгоритмов факторизации больших целых чисел: лучшего классического алгоритма — метода решета числового поля в сравнении с квантовым алгоритмом факторизации, разработанным Питером Шором (рис. В.1).

Алгоритм Шора по сравнению с методом решета числового поля обеспечивает более быстрое решение задачи, на которой основана современная криптография. Практическая реализация этого алгоритма сделает актуальное сегодня асимметричное шифрование бесполезным!

В целом при написании книги я пытался глубже вникнуть во многие темы. Если вам трудно разобраться в концепциях, изложенных в главах, то вы не одиноки. Великий физик Ричард Фейнман однажды сказал: «Если кто-то скажет вам, что он понимает квантовую механику, это значит, что он не понимает квантовую механику». Даже титаны этой странной теории изо всех сил пытались понять ее.

 

Рис. В.1. График, показывающий временную сложность для двух алгоритмов факторизации больших целых чисел

Я постарался рассмотреть квантовые вычисления в меру своих возможностей, используя реальные алгоритмы, схемы, код и результаты в виде графиков. Некоторые из алгоритмов в книге бросают вызов логике и кажутся мало похожими на вычислительное описание физической системы. Несмотря на то что мне трудно понять ошеломляющие принципы квантовой механики, я всегда был очарован этой удивительной теорией. Таким образом, когда IBM предложила единственную в своем роде платформу квантовых вычислений в облаке и открыла ее для всех нас, я воспользовался данной возможностью для изучения этой темы и написания книги.

В конечном счете это мой взгляд на квантовые вычисления в облаке, и я надеюсь, что вы получите такое же удовольствие от чтения, как я от написания. Мой скромный совет: учитесь программировать квантовые компьютеры — скоро они будут стоять в каждом центре обработки данных и использоваться в разных целях: от поиска и симуляции до медицинских исследований и создания искусственного интеллекта. Вам останется лишь сформулировать для них задание.

Книга состоит из следующих глав.

• Глава 1. Странный и прекрасный мир квантовой механики.

Все началось в 1930-х годах с Макса Планка, гения поневоле. Он придумал новую интерпретацию для распределения энергии спектра света. Сначала он, не желая того, выдвинул постулат: энергия фотона описывается не непрерывной функцией, как полагают классические физики, а крошечными порциями — квантами. Так началась величайшая научная революция XX столетия — стала развиваться квантовая механика. Эта глава является введением к основному курсу и исследует конфликт двух титанов физики — Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Квантовая механика в 1930-х годах была революционной теорией, и большинство ученых, в том числе колосс века Альберт Эйнштейн, неохотно приняли ее. Только что получив Нобелевскую премию, Эйнштейн не признавал вероятностного характера квантовой механики. Это привело к его конфликту с крупнейшим сторонником теории — Нильсом Бором. Два великих человека десятилетиями обсуждали ее, но так и не пришли к единому мнению. В конечном счете квантовая механика выдержала 70 лет теоретических и экспериментальных испытаний, всегда выходя из них победительницей. Прочитайте эту главу и рассмотрите теорию, эксперименты и результаты — все сквозь призму невероятной истории этих двух выдающихся личностей.

• Глава 2. Квантовые вычисления: искривление ткани самой реальности.

В 1980-х годах другой великий физик, Ричард Фейнман, предложил квантовый компьютер, то есть компьютер, который может использовать преимущества принципов квантовой механики для более быстрого решения задач. Началась гонка по созданию такой машины. В этой главе в общих чертах рассматривается базовая архитектура квантового компьютера, в частности кубиты — основные элементы квантовых вычислений. Они могут показаться незначительными, но обладают почти волшебным свойством — суперпозицией. Верите или нет, но кубит может находиться одновременно в двух состояниях: 0 и 1. Данную концепцию трудно осознать в макромасштабах, в которых мы живем. Однако в масштабе атома все возможно. Этот факт доказывался экспериментально на протяжении более чем 70 лет. Таким образом, суперпозиция позволяет квантовому компьютеру превзойти классический компьютер и выполнять большое количество вычислений с относительно небольшим числом кубитов. Другим трудно постижимым понятием является запутывание кубитов — то, что при исследовании кажется больше похожим на мистику, чем на физический принцип. Запутанные между собой кубиты передают состояния во времени или в пространстве быстрее, чем со скоростью света! Хорошенько обдумайте эти слова. В целом в главе рассматриваются все физические компоненты квантового компьютера: квантовые вентили, кубиты разных типов, такие как сверхпроводящие контуры, ионные ловушки, топологические косы и многое другое. Кроме того, мы поговорим об основных современных исследованиях этой технологии, а также рассмотрим разные типы квантовых вычислений, например квантовый отжиг (квантовая нормализация, quantum annealing).

• Глава 3. IBM Q Experience: уникальная платформа для квантовых вычислений в облаке.

В этой главе вы познакомитесь с IBM Q Experience. Это первая платформа для квантовых вычислений в облаке, которая предоставляет реальные или симулированные квантовые устройства. Долгое время подразумевалось, что это квантовое устройство будет доступно только для исследовательских целей. Но теперь это уже не так благодаря ребятам из IBM, которые десятилетиями работали над платформой и любезно решили открыть ее для публичного использования.

Узнайте, как создать квантовую схему (quantum circuit, еще называют квантовым контуром) с помощью Visual Composer, или постройте ее, используя непревзойденный Python SDK. Затем реализуйте свою схему в реальных условиях, изучите результаты и сделайте первый шаг в карьере квантового программиста. Компания IBM создала первую платформу для квантовых вычислений в облаке, но ее конкуренты не отстают. Думаю, в ближайшем будущем мы увидим новые облачные платформы от других ИТ-гигантов. А сейчас — время учиться.

• Глава 4. QISKit — отличный SDK для квантового программирования на Python.

QISKit расшифровывается как Quantum Information Software Kit. Это Python SDK для написания квантовых программ в облаке или на локальном симуляторе. Из этой главы вы узнаете, как настроить Python SDK на своем ПК. Далее изучите описание квантовых вентилей с использованием линейной алгебры, чтобы глубже понять, что происходит за кулисами. Это позволит вам ознакомиться с синтаксисом Python SDK, чтобы затем приступить к созданию первой квантовой программы. Наконец, вы запустите ее на реальном квантовом устройстве. Конечно, квантовые программы могут быть созданы и визуально в Composer. Хорошо разберитесь в квантовых вентилях — основных составляющих квантовой программы. Все это и многое другое рассматривается в данной главе.

• Глава 5. Запускаем движки: от квантовой генерации случайных чисел до телепортации с остановкой на сверхплотном кодировании.

Эта глава представляет собой путешествие по трем замечательным функциям обработки информации в квантовых системах. Генерация квантовых случайных чисел позволяет исследовать природу квантовой механики как источника истинной случайности. Вы узнаете, как осуществить генерацию, используя очень простые логические элементы и Python SDK. Далее в этой главе рассматриваются два связанных протокола обработки информации: сверхплотное кодирование и квантовая телепортация. У них колоритные названия и почти волшебные свойства. Раскройте их секреты, постройте схемы для Composer, выполните удаленно, используя Python, и, наконец, интерпретируйте и проверьте на корректность их результаты.

• Глава 6. Развлекаемся квантовыми играми.

Из этой главы вы узнаете, как реализовать несложную игру на квантовом компьютере. Для этой цели мы воспользуемся классической игрой Quantum Battleship («Морской бой»), которая поставляется вместе с руководством по QISKit в Python. Первая часть посвящена технике игры, но на этом мы не остановимся. Во второй части главы перейдем на следующий уровень, значительно изменив интерфейс игры. В этой части вы поместите игру «Морской бой» в облако, предоставив ей пользовательский интерфейс, доступный из браузера, интерфейс Apache CGI для приема событий и отправки их на квантовый симулятор и многое другое. Произведите впечатление на своих друзей и семью, играя в квантовый «Морской бой» в собственных браузерах в облаке.

• Глава 7. Теория игр: с квантовой механикой преимущество всегда на вашей стороне.

В данной главе рассматриваются две головоломки, которые демонстрируют мощь квантовых алгоритмов по сравнению с их классическими аналогами: головоломка про фальшивую монету и магический квадрат Мермина — Переса. В первой применяется квантовый алгоритм для повышения скорости решения по сравнению с классическим поиском фальшивой монеты, при котором используется шкала весов и ограничено количество взвешиваний. Магический квадрат Мермина — Переса является примером квантовой псевдотелепатии, или способности игроков практически читать мысли друг друга, достигая результатов, возможных только в том случае, если они общаются во время игры.

• Глава 8. Алгоритмы Гровера и Шора: ускоренный поиск и угроза основам асимметричного шифрования.

Эта глава завершает работу с двумя алгоритмами, которые позволяют осознать возможности практических квантовых вычислений. Первый из них — алгоритм поиска Гровера — неструктурированный алгоритм квантового поиска, способный находить входные данные в среднем за √N шагов. Он работает намного быстрее, чем лучшее классическое решение при N / 2 шагах. Может показаться, что это не так уж и много, но, если говорить об очень больших базах данных, алгоритм Гровера может значительно превзойти классический алгоритм поиска. Подозреваю, что в будущем весь поиск в Интернете будет выполняться по алгоритму Гровера. Второй — алгоритм факторизации целых чисел Шора: пресловутая квантовая факторизация, которая, по мнению экспертов, может поставить на колени современное асимметричное шифрование. Этот алгоритм как нельзя лучше демонстрирует мощь квантовых вычислений, обеспечивая экспоненциальное увеличение скорости по сравнению с классическими вычислениями.