Квантовые компьютеры – объясняем, чем отличаются от классической вычислительной техники

Россия+7 (910) 990-43-11
Обновлено: 2021-06-18

Квантовые компьютеры – очень сложная тема, но мы постараемся изложить её как можно проще. Даже сегодня ученые, физики и инженеры обсуждают такой, казалось бы, простой вопрос, есть ли где-нибудь в мире работающий квантовый компьютер. «Но, почему же, такие компании, как IBM, давно хвастаются квантовыми компьютерами!» – может сказать кто-то. И он будет прав. Остаётся открытым вопрос, создала ли IBM квантовый компьютер или «квантовый компьютер».

Доктор Шохини Гхос, квантовый физик и президент Канадского общества физиков, использовал простую аллегорию для сравнения классических компьютеров (таких как наши ПК, ноутбуки и смартфоны) с квантовыми компьютерами. Если наши классические компьютеры – это свечи, то квантовые компьютеры – это лампочки. Их цель одинакова – излучать свет, а у компьютеров – выполнять вычисления. Однако, в обоих случаях цель достигается по-разному.

Гхош выражает это словами:

Квантовый компьютер – это не просто усовершенствованная версия современных компьютеров, точно так же, как лампочка – это не более сильная свеча. Вы не сможете получить лампочку, делая всё более мощные свечи. Лампочка – это другая технология, основанная на более глубоком научном понимании. Точно так же квантовый компьютер – это новый тип устройства, основанный на квантовой физике, и точно так же, как лампочка изменила общество, квантовые компьютеры могут повлиять на многие аспекты нашей жизни, включая потребности в безопасности, здравоохранении и даже сети Интернет.

Сегодня мы знаем некоторые теоретические основы работы квантовых компьютеров, но на пути их развития есть огромные препятствия, которые ждут своего решения.

Художественное представление использования квантового компьютера

Исследовательские центры и компании со всего мира проводят испытания и исследования, и специалисты в области квантовой физики согласны с тем, что пройдут десятилетия с момента создания полнофункциональных квантовых машин, прежде чем мы сможем использовать их для «повседневных задач».

По этой причине, некоторые ученые, такие как физик Артур Экерт, заявляют, что машины, которые в настоящее время называются квантовыми компьютерами, вообще не заслуживают такого названия:

Я бы сейчас не называл их квантовыми компьютерами. Им не хватает способности выполнять вычисления или решать задачи, которые мы не можем решить обычным, классическим способом. (...)

Мы еще не достигли той точки нашего технологического развития, когда мы можем построить квантовую машину, способную решать проблемы, которую будет трудно решить для классических компьютеров. Конечно, Google или IBM говорят о тех или иных проблемах, которые было бы сложно решить классическим способом, но на данный момент они неубедительны.

Что это за «квант»?

Квант – это не физический объект. В физике термин «квант» используется для описания наименьшей возможной части чего-либо. Это может быть «квант мощности», «квант времени» или «квант частицы». Следуя этому пути, мы придём к таким терминам, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть к областям науки, имеющим дело с минимально возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов и даже отдельных кварков.

Мы подошли к кубиту (квантовому биту), то есть «наименьшей и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы подходим к первой точке касания, которая говорит нам о сходствах и различиях в том, как классические компьютеры (с использованием битов) и квантовые компьютеры (с использованием кубитов) выполняют вычисления.

В классических компьютерах каждая часть информации хранится в виде последовательности нулей и единиц. Вкл/выкл – только такую информацию понимают и интерпретируют современные компьютеры, консоли, смартфоны, умные часы и умные телевизоры. То же самое и с операциями, выполняемыми с этой информацией. Просматриваем ли мы фотографии из отпуска, болтаем с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем сложные криптографические вычисления – всё происходит в двоичном формате, где либо 0, либо 1, и ничего больше.

Насколько неэффективна эта система, мы можем увидеть, когда подойдем к её пределам. И независимо от того, не хватает ли нам места на смартфоне для нового селфи или ученым приходится неделями создавать математические модели развития пандемии, вина кроется в том, что для этого нужно слишком много нулей и единиц, а места для их хранения и ресурсов для обработки не хватает.

Кубит решает эту проблему! Этот способ хранения информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ему оставаться в суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1 – он обладает свойствами всего спектра и может составлять, например, 15 процентов в данный момент и 85 процентов – в следующий. Теоретически это позволяет хранить гораздо больше информации или ускорить вычисления, но также связано с множеством проблем, которые сложно контролировать и даже понять.

Ещё одна особенность квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительную мощность – это использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены друг с другом, и всякий раз, когда мы наблюдаем за одним из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет группировать кубиты в ещё более эффективные единицы для записи и обработки информации.

Проблемы квантовых компьютеров

У квантовых компьютеров есть одна огромная проблема. В силу своих особых возможностей кубиты нуждаются в достаточно спокойной среде, чтобы можно было точно считывать с них любые данные. Каждое, даже самое маленькое нарушение сделает невозможным определение точного положения.

В случае классических компьютеров подобная проблема также играла важную роль в прошлом, но сегодня она настолько незначительна, что часто игнорируется даже в академической науке.

Для классических устройств вероятность ошибки составляет, примерно, 1 из 1017бит. В случае квантовых компьютеров это – один из нескольких сотен. И это в ситуации, когда квантовые компьютеры работают в максимально изолированных условиях и при температуре −272 градуса Цельсия, то есть немного выше абсолютного нуля. Любые колебания температуры, изменение электромагнитного поля и даже движение разрушают весь расчёт.

Другая проблема – «нестабильность» квантовых состояний. Каждый раз, когда мы измеряем квантовое состояние или хотим его нарушить, оно возвращается в одно из двух положений. Квантовое состояние распадется. Этот процесс называется квантовой декогеренцией.

Представьте себе это так: квантовый компьютер – это опытный математик, который выполняет сложные вычисления, а результаты составляют от 0 до 1 миллиона. Мы, в свою очередь, ребёнок, который понимает только то, что может быть много или мало чего-то. Каждый раз математик может получить разные результаты, например, 184662 или 356670, но в противоречии с нашим пониманием мира каждый из них будет классифицирован в один из двух «мешков» – маленький (0) или большой (1), без промежуточного значения. Это квантовая декогеренция.

Для чего мы будем использовать квантовые компьютеры?

Уже сегодня есть некоторые планы и предположения, но наиболее интересные направления для использования кубитов, вероятно, станут известны, когда квантовые компьютеры получат широкое распространение.

Одним из самых популярных способов и наиболее обсуждаемых в отношении квантовых вычислений является криптография. Это метод передачи информации очень безопасен, и безопасность основана не на вычислительных трудностях, а на законах физики, которые гласят, что некоторые вещи просто невозможны.

Безопасность в этом случае гарантируется самими физическими свойствами кубитов, которые, как объяснялось ранее, перестают проявлять особенности суперпозиции, как только получен результат. Таким образом, любая попытка перехватить или даже скопировать закодированное сообщение просто уничтожит его.

Квантовые компьютеры также могут позволить нам лучше понять природные процессы. «Хаос» суперпозиции гораздо лучше отражает, например, мутации в ДНК, и, следовательно, развитие болезней и эволюции. Квантовые вычисления уже используются для создания новых лекарств.

Одно из интересных квантовых приложений – телепортировать информацию с места на место без физической передачи. Это звучит как фантастика, хотя это возможно, потому что квантовые частицы могут запутываться во времени и пространстве, так что изменение одной частицы может повлиять на другую, и это создает канал для «телепортации информации». Это уже было продемонстрировано в лабораториях, и это может стать частью квантового Интернета будущего.

И это только одна из великих идей того, что можно сделать с помощью квантовой физики. Но, сначала нам нужно укротить её капризный характер.


5.0/3