Что такое квантовый компьютер и как он работает

Продолжаем разбираться в премудростях квантовой механики. В статье про парадокс Шрёдингера мы рассказали о принципе суперпозиции и частично затронули тему квантовых компьютеров. Сегодня препарируем её уже как следует: выясним, что это за машина, как работает и правда ли, что за нею будущее.

Из этой статьи вы узнаете:

• что такое квантовый компьютер;
• как он работает;
• чем он лучше обычного;
• каким был первый квантовый компьютер;
• кто производит такие машины сейчас;
• какие задачи решает квантовый компьютер.

Статью проверил

Валерий Линьков

Директор «Неправильной школы», эксперт Skillbox по компьютерным сетям и кибербезопасности. Автор телеграм-канала «Кудрявый микрофон».

Что такое квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это вычислительная машина, которая использует в работе законы квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Звучит непонятно, на деле тоже всё непросто, поэтому давайте по порядку.

Из школьного курса информатики мы помним, что современные компьютеры работают в двоичной системе. Единицей информации в них служат биты, которые могут принимать два значения: 0 и 1. Логические операции с битами и творят всю компьютерную магию: вы слушаете песню, смотрите видео или генерируете картинки с котами в нейросети.

Физически бит выглядит как крохотный транзистор, который устроен на редкость примитивно: он умеет лишь включаться и выключаться, как лампочка в новогодней гирлянде. Но делает это настолько быстро и в такой тесной взаимосвязи с другими «лампочками», что это позволяет компьютеру выполнять сложнейшие вычисления практически со скоростью света.

Читайте также:

Революция транзисторов: от механических машин до суперкомпьютеров будущего

Такая система прекрасно себя зарекомендовала — на транзисторах работают практически все современные устройства: от умных часов до смартфонов, от домашних ПК до суперкомпьютеров. Однако и она не лишена недостатков — существуют задачи, которые с виду кажутся простыми, но на их решении «сыпятся» даже самые мощные машины.

Перед вами — знаменитая задача коммивояжёра, и она гораздо хитрее, чем кажется на первый взгляд. Если городов в условии будет больше 66, обычному компьютеру понадобится несколько миллиардов лет, чтобы решить её простым перебором. И тут на помощь приходят квантовые компьютеры, которые могут решать такие задачи в миллионы раз быстрее обычных.

Дело в том, что вместо привычных битов у квантовых компьютеров — кубиты. Физически это уже не транзисторы, а квантовые частицы — обычно фотоны или протоны. В отличие от бита, кубиты могут не только равняться 0 или 1, но и принимать любые значения между ними. Благодаря этому квантовый процессор может выполнять несоизмеримо больше операций за один такт.

Как работает квантовый компьютер

Как мы отметили ранее, квантовый компьютер использует два классических понятия из квантовой механики: принцип суперпозиции и спутанность.

Суперпозиция — это способность квантовой частицы находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. У суперпозиции есть интересное свойство: она тут же «схлопывается» при появлении наблюдателя.

Представьте, что вы подбросили монету и смотрите, как она вращается. Вы не можете точно сказать, что она сейчас вам показывает — орла или решку, всё вращается, ничего не понятно, остановите это кто-нибудь. Но стоит вам только «прихлопнуть» монетку на ладони, всё становится ясно. Точно так же ведёт себя и кубит — пока вы не воздействуете на него измерительным прибором, он так и будет пребывать сразу во всех состояниях между нулём и единицей.

Звучит странно, но это одна из главных заповедей квантовой механики. Вокруг суперпозиции вообще ведётся много споров в научных кругах — взять хотя бы знаменитый парадокс кота Шрёдингера, который то ли жив, то ли мёртв, то ли вообще живёт сразу в нескольких параллельных вселенных.

Читайте также:

Кот Шрёдингера: что это за эксперимент и в чём его смысл

Мало нам суперпозиции — чтобы вычисления совершались, кубиты должны быть связаны между собой. И если в обычной машине эту роль берут на себя токопроводящие дорожки, в квантовой нас выручает квантовая спутанность.

Например, в лабораторных условиях мы можем получить несколько фотонов в спутанном состоянии — и тогда, где бы эти фотоны ни оказались, хоть на разных концах Вселенной, они будут связаны между собой. Если изменить состояние одной, тут же изменятся и другие спутанные с ней частицы. Звучит совсем как магия, но это реальный физический закон: с его помощью учёные научились телепортировать квантовое состояние на многие километры.

Чем квантовый компьютер лучше обычного

Благодаря тому, что кубиты находятся сразу в нескольких состояниях и связаны между собой, квантовые машины могут параллельно перебрать сразу все варианты решения — в отличие от обычных компьютеров, которые перебирают варианты последовательно и довольно медленно.

Можно условно сравнить это с калейдоскопом: если с обычным компьютером вам нужно покрутить прибор, чтобы получить разные картинки, то квантовый уже давно всё «покрутил» и сложил в одно большое полотно — осталось как-то достать из него нужный фрагмент.

И здесь уже начинаются сложности — дело в том, что квантовые компьютеры выдают не точные результаты, а вероятностные, то есть приближённые к реальности. Поэтому для их интерпретации нужны особые, квантовые алгоритмы. Такие алгоритмы уже существуют — но заточены они на решение узких математических задач, а потому мало применимы в реальной жизни. Переложить реальные человеческие задачи на квантовый язык непросто — отчасти поэтому такие машины ещё нескоро станут массовыми.

Другая сложность — декогеренция. Это когда частица теряет свои свойства при столкновении с внешним миром. Дело в том, что суперпозиция — штука тонкая, и нарушить её может буквально что угодно: от солнечной бури до изменения климата. Поэтому здесь не получится просто накрыть всё медной крышкой и замазать термопастой — надо искать изоляцию посерьёзнее :)

Разработка такой изоляции — отдельный технологический вызов. Пока что единственный рабочий способ — охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы защитить её от внешних воздействий. Делается это обычно с помощью жидкого азота, ионных ловушек или магнитного поля, а потому такая система охлаждения выглядит весьма увесисто. Только взгляните на этого красавца:

Главный вывод такой: квантовые компьютеры, безусловно, мощнее обычных, но умеют пока далеко не всё. А ещё — довольно сложны в производстве. Но учёные уверены, что это преодолимо: достаточно вспомнить, сколько места занимал один из первых компьютеров Mark I. И ничего — сейчас его далёкие потомки красуются в большинстве комнат и офисов мира.

Первый квантовый компьютер

Путь к созданию первой в мире квантовой машины был долгим. Всё началось ещё в 1950-х, когда знаменитый физик Ричард Фейнман впервые предложил использовать квантовые эффекты для вычислений. Отчасти за эту работу он в 1965 году удостоился Нобелевки. А ещё Фейнман известен цитатой о том, что по-настоящему квантовую механику не понимает никто. Так что, если вам всё это кажется сложным, не переживайте: с вами целый нобелевский лауреат 🙂

Читайте также:

Как подготовиться к экзамену методом Фейнмана, или… резиновой уточки

Следующей важной вехой стали 1980-е. И здесь опять отметился Фейнман — в 1982 году он публикует знаковую статью «Физическое моделирование с помощью компьютеров», в которой, по сути, впервые описывает принципы работы квантового компьютера. Примерно в те же годы математик Юрий Манин предложил идею квантовых вычислений, а американский физик Пол Бениофф — квантово-механический вариант машины Тьюринга.

Первую рабочую модель квантового компьютера представили учёные из MIT в 1997 году. Двухкубитная система работала на принципах ядерно-магнитного резонанса (того же самого, что используется в аппаратах МРТ). Модель умела решать довольно сложные задачи по алгоритму Дойча — Йожи.

Дальше свои версии ЯМР-компьютеров стали по цепочке появляться во многих мировых институтах и лабораториях — к сожалению, их фотографии отыскать в Сети довольно сложно — учёные неохотно публикуют изображения своих детищ, вероятно, из соображений секретности.

Зато ими охотно делились корпорации в своих пресс-релизах. Вот, например, фото первого в мире 16-кубитного процессора от компании D-Wave, одного из ведущих вендоров в этой отрасли.

Конечно, такая мощность далеко не предел — например, та же D-Wave Systems в 2022 году объявила, что собирается разработать квантовый компьютер аж на 7000 кубит. Но пока это остаётся на уровне фантазий — а самый мощный на сегодняшний день квантовый компьютер работает на 1225 кубитах и принадлежит американскому стартапу Atom Computing.

А что сейчас?

Квантовые компьютеры уже вышли из области теоретических моделей, построены и давно работают. На момент написания статьи такие машины есть у многих компаний и научно-исследовательских институтов.

Перечислим несколько известных моделей:

• IBM: Osprey — 433 сверхпроводящих кубита, которые с точностью 99% выполняют вычислительные операции за 10 наносекунд;
• Google: Sycamore — 53 сверхпроводящих кубита. Точность вычислений выше — 99,9%, но скорость чуть ниже — 25 наносекунд;
• Intel: Tunnel Falls — 12 кубитов, которые показывают высокую точность — 99%, но относительно низкую скорость работы — 100 наносекунд;
• IonQ: Harmony — квантовый процессор на 32 ионных кубитах. Скорость вычислений 500 наносекунд, точность 99,9%;
• Xanadu: Borealis — 24 фотонных кубита, скорость самая высокая — 200 пикосекунд, но точность — 98%.

Разрабатывают квантовые машины и российские учёные:

• МФТИ совместно с НИТУ «МИСиС» представили 4-кубитный процессор в 2022 году и работают над 8-кубитным;
• МГУ работает над 16-кубитным квантовым компьютером.

Какие задачи могут решать квантовые компьютеры

Сразу скажем: квантовые компьютеры пока ещё слишком сырые, чтобы массово решать конкретные прикладные задачи. Всё, о чём пойдёт речь дальше, относится либо к отдельным кейсам, либо к отдалённым прогнозам.

Разработка новых лекарств и материалов. Квантовый компьютер может создать новое химическое соединение и просчитать его взаимодействие с уже существующими структурами.

Классические, даже сверхмощные, компьютеры неспособны быстро справиться с такой задачей. Подсчитано, что моделирование молекулы из 70 атомов займёт у классического компьютера около 13 миллиардов лет, тогда как у квантовых вычислителей на этой уйдёт всего пара минут. На практике такое моделирование востребовано в генной инженерии, при разработке и создании новых лекарств и материалов.

Оптимизация процессов в логистике и энергетике. Построение оптимальных маршрутов, распределение подачи тепла и света, прогнозирование спроса и другие сложные комбинаторные задачи — вполне в компетенциях квантовых компьютеров.

Криптография. Здесь наш герой выступает одновременно и панацеей, и угрозой. С одной стороны, на основе квантовых ключей можно создавать совершенные средства защиты, которые человеку взломать просто не под силу. С другой — квантовый компьютер способен за несколько секунд подобрать ключи почти к любому классическому алгоритму — например, к тому же RSA-2048. Поэтому разработка новых квантовых протоколов видится уже не как символ прогресса, а скорее как насущная необходимость.

Метеорология. Сейчас предсказаниями погоды в большинстве метеоцентров занимаются классические суперкомпьютеры на основе моделей, состоящих из сотен тысяч строк кода, но даже самые мощные машины не могут учесть все нюансы. А для квантовых компьютеров мгновенный перебор множества переменных и показателей — дело пустяковое, поэтому метеорологи возлагают на них большие надежды.

По мере развития квантовых вычислений области их использования наверняка будут расширяться.