Глава 1

— Эй, братик, что такое квантовый компьютер?

Сколько на самом деле существует в мире старших братьев, которые могут без запинки дать адекватный ответ на вопрос младшей сестры-старшеклассницы, никогда не блестевшей умом в математике или физике и вообще ничего не смыслящей даже в архитектуре фон Неймана?

Я, по крайней мере, точно не такой супербрат, потому конские бобы на моей вилке зависли над столом по пути ко рту, и я секунду промычал.

— Хммммм.

В тот миг моя младшая сестра изобразила глубочайшее сожаление и слегка опустила голову.

— Ах, прости, есть вещи, которые даже ты не знаешь, братик? Мне не следует постоянно спрашивать тебя обо всём, а попытаться иногда узнать всё самой.

Быть в положении «братика» жёстко, и я не мог покорно сдаться, когда она такое сказала. Пока бобы оставались висеть в воздухе, я кашлянул.

— Нет, ну, дело не в этом. Я расскажу, если тебя устроит грубое объяснение.

— Ага!

Энергично закивав, моя сестра, Киригая Сугуха, невинно улыбнулась.

Наша мама, которая работала редактором в журнале новостей цифрового мира, почти всегда просыпается поздно по выходным, потому Сугуха и я попривыкли готовить завтрак на троих, а есть его только вдвоём. Сегодняшнее меню состоит из простого для приготовления ризотто с консервированным белым соусом, римского салата, цветной капусты, конских бобов, йогурта со свежей черникой и кофе с молоком, с кучей молока.

Отправив правой рукой бобы себе в рот, я сразу начал прокладывать дорогу к объяснению сути.

— Эээ, сперва о том, что такое квант…

— Я знаю. Это элементарная частица! Как атом или электрон.

Не промедлив ни секунды, я придрался к словам Сугухи.

— Бзз[✱]Кадзуто изобразил звуковой сигнал, знаменующий неправильный ответ в телевикторинах.! Двойная ошибка.

— Что? Где?

— Прежде всего, атом не элементарная частица. Потому что атом состоит из протонов, нейтронов и электронов.

— Тогда они и есть элементарные частицы?

— Бззз! Старые учебники могут так их описывать, но сейчас из них только электрон остаётся элементарной частицей. Потому что протоны и нейтроны, как выяснилось, образованы из более мелких частиц под названием «кварки». Другими словами, элементарными частицами стали кварки.

Добавив про себя «пока что», я указал на вторую ошибку.

— К тому же квант не эквивалентен элементарной частице.

— Чтооо?..

— «Элементарная частица» — выражение, которое указывает на «существование», а «квант» — слово, которое указывает на «состояние»…

— Чтооо?..

К этому моменту над головой Сугухи уже повис небольшой знак вопроса, так что я не промедлил с пояснением.

— Д-другими словами, элементарные частицы — мельчайшие единицы «материи», а кванты — мельчайшие единицы «физической величины»…

Знак вопроса над Сугухой увеличился. Если она спотыкается уже сейчас, то нам никак не добраться до квантовых компьютеров.

— Л-ладно, я объясню это проще. В ризотто где-то двести… нет, триста килокалорий, так?

Когда я сказал это, Сугуха слегка недовольно кивнула.

— Тогда рисинка — элементарная частица, которая не может развалиться и несёт в себе только 0,001 килокалории… другими словами, одну калорию, так?

— Хм, невозможно. Если не ошибаюсь, мы учили, что в порции риса где-то три тысячи зёрен, а если там так много зёрен, то в одном содержится: триста разделить на три тысячи — 0,1 килокалории… Сто калорий, так? Чтобы получить одну калорию, нужно разделить зерно на сотню кусочков.

— Но раз это элементарная частица, у тебя не выйдет. Говоря иначе, калория, нет, энергия ризотто может быть представлена лишь в виде разбросанных тут и там зёрен… на каждое из которых приходится сто калорий. Обдумай идею, что наименьшее количество энергии — это квант.

— Хмм… Кажется, я и понимаю, и не понимаю…

Сугуха всё ещё смотрела неуверенно, но я не знал, насколько это затянется, если мы сейчас застрянем на одном месте, потому продолжил:

— Ну, на практике ты можешь разрезать зерно на столько частей, сколько хочешь, но в случае, например, электроэнергии мельчайшая частица — электрон, и его совершенно точно нельзя разделить, так что в данном случае электрон — это квант. Энергия света тоже обладает мельчайшей единицей, и это фотон. Он тоже квант. Другими словами, квант — отсылка к элементарной частице с акцентом на её неделимость… хотя я не уверен, что можно так говорить.

— Угу.

Сугуха положила единственную рисинку на кончик ложки, будто уловив суть, вытянула губы и засосала её в рот.

— Тогда квант не объект, а, скорее, единица, так?

Хотя мне казалось неприемлемым согласиться с таким утверждением, я решил сказать «ага» и закрыть глаза на её мелкую ошибку.

— Ага, ну, пока что можно думать так. Итак, мы наконец вернулись к началу… Квантовый компьютер — это именно то! Компьютер, который работает на квантах!

«Тадам». Я представил в уме звуковой эффект, завершающий блистательное предложение, и смочил горло своим кофе с молоком, вздохнув с облегчением.

Однако…

— Эй… ну… ты! Такое любой поймёт! Словно спросить про «кирикаэси госоку», и ты ответишь, что это «пять правил при выполнении кирикаэси»[✱]Кирикаэси — термин из кендо, означающий серию последовательных ударов. Госоку — букв. «пять правил».!

Услышав её моментальный ответ, я пристально уставился в лицо своей сестры, состоявшей в клубе кендо. Точно, кирикаэси госоку походило на терминологию кендо. И это всё, что я понял.

— П-прости… Тогда я продолжу…

— Агась, не возражаю.

— …

Набив щёки сливочным ризотто с сыром, чтобы восполнить энергию, я задумался, как же теперь решить ещё более сложную задачу. Начать мне следовало точно с «эээ».

— Эээ, Сугуха-сан. Так называемая архитектура Неймана, которая используется в обычных компьютерах… тоже требует объяснения... да?

— Что это?

— Точно требует.

Готовясь к долгому объяснению, я снова кашлянул.

— Эээ, ну, проще говоря, архитектура Неймана основана на цифрах 0 и 1… Другими словами, управляется бинарным кодом. Информация, представленная одним нулём или единицей, это один бит. Если они объединяются в набор из восьми, то получается восемь бит. Передовой 128-битный процессор может обрабатывать сто двадцать восемь нолей и единиц одновременно.

— Хмм… И это так здорово?

— Именно! Есть только два способа, которыми можно выразить ноль и единицу с помощью одного бита. Если это два бита, то четыре способа: 00, 01, 10, 11. Если переведём в десятичную систему, то получится 0, 1, 2 и 3. А когда у нас четыре бита, сколькими способами их можно выразить?

— Восемь… нет, стой! Эээ… Если два бита — четыре способа, три бита — восемь, тогда четыре бита — шестнадцать?

— О, правильно. Другими словами, числа, с которыми справится 4-битный процессор, это 0-15.

— Хмм. Когда увеличиваются эти биты, происходит что-то хорошее?

Когда меня спросили о таком с серьёзным взглядом, я не смог тут же ответить. Много чего можно было рассказать, но когда речь заходит о примерах, которые может понять Сугуха…

— Ну, например, если возьмём старую 32-битную ОС, она может использовать в ОЗУ максимум 4 гигабайта, но если это 64-битная ОС, в теории она способна использовать шестнадцать эксабайтов, или 17200 миллионов гигабайт…

— Чтооо, в старых компах было всего четыре гига памяти? Даже в Амусфере намного больше…

— В-видишь, увеличение битности — хорошая штука, правда?

Так или иначе, я смог донеси до неё идею и, напившись кофе с молоком, вернулся к теме.

— Ладно, тогда… Давай посчитаем снова, сколькими способами можно выразить число, с которым управляется 128-битный процессор?

— Эээ… Р-раз умножаем на два, пять бит — тридцать два способа, шесть бит — шестьдесят четыре, семь бит — сто двадцать восемь, восемь бит — двести пятьдесят шесть… Такими темпами я не смогу сосчитать в уме до ста двадцати восьми!

— Ага, я тоже. Другими словами, это два в степени сто двадцать восемь, так что давай посмотрим…

Как и ожидалось, я никак не мог высчитать подобное число в уме, потому попробовал вычислить его с помощью коммуникатора, оставленного на столе.

— Посмотрим… похоже, 340282366920938463463374607431768211456 способа. Тридцать девять знаков, да?.. Какое там максимальное число можно выразить с помощью кандзи?.. Десять миллиардов и…

— Понятия не имею, давай назовём его просто суперздоровенным числом! В смысле… если даже нынешний компьютер способен выполнять такое немыслимое число операций, то уже нет смысла в квантовом компьютере!

Я поспешно остановил свою младшую сестру, единственной фразой перечеркнувшей машину мечты, которую с такими усилиями разрабатывают учёные по всему миру.

— С-стой. Даже удивительный 128-битный процессор плох в некоторых вещах.

— Каких же?..

— Например, разложение на простые множители.

Услышав такое, Сугуха выражением лица спросила: «Что это?»

— Ты ведь учила это в средней школе? Выражение целого через его составные простые числа. Как помню, ничего хлопотного.

— О, раз уж ты заговорил. Как насчёт разложить 33 на простые числа?

— Посмотрим, на два не поделить, а если разделим на три, получим одиннадцать… вот и простой множитель, так что всё. Ответ три на одиннадцать.

— Правильно. Тогда…

— Как насчёт разложить на простые множители 7663?

— Уиии?!

Издав странный звук, Сугуха наморщила лоб и, подумав немного, принялась химичить с коммуникатором.

— На три… не делится, пять тоже не подходит, 7… тоже, 11 тоже, 13 тоже, эхх, и какое там следующее простое число…

— Видишь, не так-то просто. Кстати, ответ 79 на 97. Задать вопрос легко, вот только разделить получилось лишь на большое простое число.

— Ух, думаю, я догоняю… А, но, если воспользуешься компьютером, ему ведь потребуется на вычисление мгновение? Я просто могу разделить 7663 на простые числа по очереди и найти ответ, дойдя до 79.

— Ага, типа того. С такими числами потребуется меньше десяти секунд. Но простые числа идут до бесконечности. По мере увеличения цифровых значений значительно увеличивается время, необходимое для разложения. Разложение на простые множители используется в RSA-криптосистеме, которая помогает нам в Сети, но если решишь разложить число из ныне используемых 2048 бит… другими словами, шестьсотсемидесятизначное число… на простые множители с помощью компьютера с архитектурой Неймана, то на это может уйти больше десяти лет даже на самом шустром компьютере в мире.

— Д-ДЕСЯТЬ ЛЕТ?!. Даже Юи-тян?!

В момент, когда я услышал вопрос Сугухи, я принялся озираться по сторонам, хотя и находился в реальном мире.

К счастью, моя любимая дочка, ИИ типа сверху-вниз Юи, это не услышала, так что я выдохнул с облегчением.

— Эй, не говори так про Юи! Знаю её, она поди скажет что-нибудь «Я попробую!» и не вернётся десятки лет.

— Ахаха, похоже на то.

Глядя на беззаботно смеющуюся Сугуху, я вздохнул. Затем закинул в рот сливочное ризотто и привёл мысли в порядок, пережёвывая еду.

— Итак, ну, есть вещи, в которых плохи даже нынешние компьютеры. Но если использовать квантовый компьютер, он может в мгновение ока разложить на простые множители даже большее число… наверно. Если внедрить эту возможность сейчас, то не останется ни одной надёжной криптосистемы.

— Хмм… И как же квантовый компьютер может их быстро разложить?

От мысли, что мне придётся объяснять и это, я ненамеренно закрыл глаза. Если честно, я сам не уверен, что полностью понимаю, «как» такое возможно.

Но если я сейчас сдамся, какой смысл было так распинаться, потому я принял вызов, хотя это уже начинало попахивать безрассудной отвагой.

— Ну, в самом начале я объяснил про квант.

— Ага. Рисинки, которые нельзя больше разделить.

— Н-ну… точно. Итак, поскольку квант очень маленький, происходит много странных вещей. Одна из них — нечто под названием «состояние суперпозиции»… Например, если попытаешься закрыть атом в маленьком ящике, он станет вращаться либо по часовой, либо против часовой стрелки, но до наблюдения это не определено. Дело не в том, что это неизвестно, оно именно не определено. Это состояние, при котором вращение по часовой и против часовой стрелки накладываются друг на друга.

— Чтооо? — сказала Сугуха с лицом, выражающим «Что этот парень говорит?» — Тогда возьми и определи это! Если откроешь ящик, тут же узнаешь!

— Смешно такое слышать, учитывая очень малые размеры атома, который после открытия ящика изменит своё колебание, вращение и тому подобное. Короче говоря, подлинный квантовый компьютер до сих пор не существует потому, что очень сложно измерять атомы… точнее, их квантовое состояние.

— Хмм…

Хотя ей давалось это нелегко, Сугуха кивнула.

— Значит, если вращение атома перекрывается, происходит что-то хорошее?

— Да. Например, если примем вращение вправо за ноль, а вращение влево за единицу, тогда один атом может нести информацию об одном бите, но… наложение вращения означает, что возможно состояние одновременно нуля и единицы. Это называется квантовым битом или кубитом, и что важно, в отличие от существующих компьютеров, которые в основном могут обрабатывать одновременно одно число, квантовый компьютер, использующий квантовые биты, может высчитывать множество чисел в один момент времени. В общем, как видишь, благодаря их наложению.

— Чтоооо?

— Я хорошо понимаю, что ты сейчас чувствуешь, Сугу. Но прошу, пока что глотай как есть!

Набив щёки конскими бобами и захлопнув рот, Сугуха сделала лицо, которое трудно поддавалось чтению, но вскоре она разом проглотила бобы и что-то забормотала.

— Ладно, начну с тех частей, которые понимаю… Итак, мы собрали квантовый компьютер, выстроив в линию две тысячи сорок восемь атомов, которые могут вращаться по часовой или против часовой стрелки. Потом мы вводим 2048 бит… другими словами, шестисотсемнадцатитизначное суперздоровенное число, которое я упоминал раньше, и разложим его на простые множители. Квантовый компьютер выполнит множество операций деления на простые числа одновременно, используя состояние суперпозиции, и закончит вычисление за какой-то миг, хотя существующим компьютерам потребуются десятки лет. Ну, что думаешь, правда здорово?!

Меня, приложившего массу усилий и таки решившего её проблему, Сугуха окатила взглядом почти исподлобья и выдала короткое, безжалостное заявление.

— Братик, прости. Где-то со второй половины я совсем ничего не поняла.