Квантовые технологии вызывают огромный интерес, потому что позволяют увеличить скорость вычислений в десятки, если не тысячи раз. Узнав про это явление, многие задаются вопросом, что такое квантовый компьютер и для чего он нужен. В этой статье мы постараемся простыми словами описать суть этого изобретения, объясним, как работает квантовый компьютер, и поговорим, чем отличается квантовый компьютер от обычного.
- Источник:
metamorworks via Shutterstock/Fotodom.ru
Что такое квантовый компьютер
Квантовый компьютер — это мощное вычислительное устройство, основанное на принципах квантовой физики. В отличие от классического компьютера, который работает с битами (0 или 1), квантовый компьютер оперирует кубитами, которые могут одновременно представлять собой значения 0 и 1. Это явление называется «суперпозицией». Такой подход меняет суть вычислений и предлагает принципиально другой тип обработки информации.
Представьте монету, одна сторона которой может быть одновременно орлом и решкой. Что такое квантовый компьютер простыми словами? Это машина, которая работает с такими «монетами» вместо классических битов. Или вспомните кота Шредингера, который остается для нас одновременно живым и мертвым, пока мы не откроем коробку и не увидим его. Квантовый компьютер решает задачи, имея в виду одновременно оба возможных состояния, и когда таких кубитов в нем много, то и вероятностей он может рассчитать гораздо больше.
Из этого можно понять, для чего нужен квантовый компьютер: он способен решать требующие сложнейших вычислений задачи, которые обычный компьютер либо не может решить, либо это займет у него миллионы лет. Пока что эту технологию только развивают, но в будущем квантовые компьютеры смогут работать во много раз быстрее компьютеров.
Как работает квантовый компьютер
Основной принцип работы квантового компьютера — использование кубитов, способных находиться в суперпозиции и при этом объединенных в квантовой запутанности. «Запутанность» появляется тогда, когда две (или больше) частицы становятся настолько «связаны», что влияют друг на друга даже на большом расстоянии.
Например, у нас есть два спичечных коробка, мы знаем, что в них лежат частицы 0 и 1, но не знаем, какая в каком. Мы отправляем коробки на Марс и на Луну, и как только мы откроем спичечный коробок на Марсе и увидим, что в нем находится частица «ноль», то вторая частица станет в тот же самый момент «единицей». Но до этого ни у одной из них не было определенного значения. И как только это значение появилось, дальше никакие действия с ними невозможны — наше наблюдение заканчивает весь эксперимент.
Математик Питер Шор (р. 1959) — создатель используемого квантовыми компьютерами и названного в его честь квантового алгоритма факторизации
- Источник:
International Centre for Theoretical Physics, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons
Звучит как фантастика, но это подтверждено многими исследованиями, например, тестами Белла. Такая комбинация дает преимущество: можно одновременно проверять множество вариантов решения задачи.
Как работает квантовый компьютер? Сначала кубиты подготавливаются в начальное состояние, затем через квантовые логические элементы (ворота) на них воздействуют, вызывая нужное квантовое преобразование. После этого происходит измерение, и кубиты «решают» задачу.
Важно еще раз подчеркнуть, что само измерение разрушает суперпозицию — возвращает кубит в 0 или 1. А благодаря тому, что они остаются до поры до времени ненаблюдаемыми, можно решать очень сложные задачи намного быстрее, потому что квантовый компьютер просчитывает все возможные варианты значений. Используя суперпозицию и интерференцию состояний (квантовый алгоритм факторизации, именуемый также алгоритмом Шора), он находит множители за меньшее время, чем обычный компьютер.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного
Обычный компьютер хранит единицу информации как бит, то есть 0 или 1. Квантовый кубит может находиться в состоянии, которое одновременно представляет собой 0 и 1 до измерения.
Наблюдение квантовых состояний разрушает суперпозицию, поэтому квантовые алгоритмы проектируются так, чтобы максимизировать вероятность верного ответа после измерения. В этом смысле обычные компьютеры выигрывают: в них процесс решения задачи можно наблюдать, а в квантовых — нет.
По тем же причинам квантовый компьютер все еще чувствителен к внешним воздействиям, и состояния кубитов быстро разрушаются, поэтому вычисления могут стать ошибочными. Классические компьютеры не сталкиваются с этой проблемой.
Для чего нужен квантовый компьютер
Самыми перспективными областями, в которых могут найти применение квантовые компьютеры, считаются химия и фармацевтика (симуляция молекул и материалов), логистика (оптимизация маршрутов), машинное обучение и криптография. Например, в химии квантовый компьютер может моделировать реакции веществ и искать новые лекарства, в то время как обычный компьютер не справится с экспоненциальным ростом сложности.
Что же касается криптографии, то квантовые технологии позволяют разрабатывать надежные методы защиты информации, но при этом представляют угрозу классическим системам шифрования. Поэтому есть опасения, что с помощью квантовых компьютеров мошенники смогут расшифровывать данные буквально за секунду.
Простое объяснение сути и возможностей квантовых компьютеров от редакции журнала Nature (nature video / YouTube)
Каким был первый квантовый компьютер
Первый физически реализованный квантовый компьютер на два кубита был создан в 1998 году группой ученых из Калифорнийского университета в Беркли (США) под руководством Айзека Чуанга. Хотя система работала всего несколько наносекунд и могла выполнять только простейшие алгоритмы, она доказала всю концепцию, которая до этого многие годы существовала только в теории.
В 2000 году была построена система на семи кубитах с использованием ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — это был первый квантовый компьютер, стабильно выполняющий алгоритмы, хоть и ограниченно.
Первый коммерческий квантовый компьютер D‑Wave One с 128 кубитами выпустили в 2011 году. Он использовал подход квантового отжига для оптимизации, но у него все еще не было преимуществ по стоимости или производительности по сравнению с классическими компьютерами.
Чип для работы в качестве 128-кубитного сверхпроводящего адиабатического квантового процессора оптимизации
- Источник:
D-Wave Systems, Inc., via Wikimedia Commons
Первое квантовое превосходство (то есть решение задач квантовым компьютером быстрее, чем обычным) было показано в 2019 году. Тогда компания Google использовала квантовый компьютер с 53-кубитным сверхпроводящим чипом Sycamore для решения малоизвестной математической задачи, и это получилось быстрее, чем у классического компьютера.
А в феврале 2022 года Исследовательский центр Юлиха в Германии квантовый компьютер с более чем 5000 кубитов на базе все той же системы D-Wave, но с удаленным облачным доступом.
Растущий интерес к этой теме стимулировал многомиллиардные исследовательские программы как частных компаний, так и государственных, а также координацию усилий в США, Европе и Китае.
Квантовый компьютер IBM Quantum System One, представленный в 2019 году
- Источник:
IBM
* * *
Несмотря на то, что современные квантовые системы все еще находятся в начальной стадии развития, они уже представляют фундаментальную инновацию в технологиях. По мере развития архитектур, систем защиты от ошибок и увеличения числа кубитов квантовые компьютеры смогут изменить науку, промышленность, безопасность и многое другое. Но при этом нужно понимать, что эта технология, попав не в те руки, может нанести и серьезный вред, как это не раз случалось с прорывными изобретениями.
