Квантовые компьютеры: как они работают и чего от них ожидать?

Квантовые вычисления похожи на научную фантастику, но в некоторой степени это реальность. Пока неизвестно, когда появятся коммерческие машины Google и IBM, а также других технологических гигантов и стартапов, которые соревнуются за создание первого действительно полезного квантового устройства. Чтобы понять, почему перспективы квантовых вычислений так привлекательны, мы можем начать с рассмотрения ограничений обычных вычислений и того, как квантовые вычисления позволяют избежать их. Затем мы можем посмотреть на приложения, которым эта технология особенно выгодна, и на то, почему она еще не реализована в повседневных продуктах, которые можно использовать. Итак, что это такое, и почему квантовые компьютеры еще не доступны в качестве производственных элементов?

Традиционные вычисления

Все современные компьютеры, будь то промышленные, коммерческие, персональные или любые другие, зависят от двоичной логики, где все числа и состояния представлены строками из единиц и нулей. Независимо от того, насколько велик или сложен компьютер, реализация этой двоичной логики зависит от затворов транзисторов. Каждые ворота либо открыты на 1, либо закрыты на 0.

Поскольку технология интеграции постоянно совершенствуется, транзисторы становятся меньше, что обеспечивает большую плотность обработки, лучшую эффективность и более быстрые и мощные машины. Однако этот процесс миниатюризации уменьшил транзисторы до размеров всего в несколько атомов в поперечнике. При дальнейшем уменьшении размера транзисторы, скорее всего, перестанут работать, поскольку электроны начнут обходить затворы независимо от того, включены они или нет. Это говорит о том, что мы достигнем предела вычислительной мощности, доступной для этой технологии, и что для дальнейшего прогресса необходим другой подход. Одна из разрабатываемых возможностей — использовать световые фотоны вместо электричества для перемещения информации внутри и за пределы интегральных схем. Другая — использовать квантовые вычисления.

Квантовые вычисления

Квантовая концепция ценна тем, что допускает более двух состояний. Она относится к взаимодействиям между частицами в крошечном масштабе, настолько малом, что правила физики, которые мы обычно испытываем, больше не применяются. Однако, возможно, что некоторые из необычных и противоречивых явлений, происходящих на этом уровне, могут быть использованы для преодоления ограничений традиционных вычислений.

В квантовых вычислениях самой маленькой единицей данных является не бит, а кубит. Как и бит, она может быть установлена в одно из двух состояний — 0 или 1 — но, в отличие от бита, это не похоже на то, как просто быть включенным или выключенным. Благодаря особенностям квантового уровня кубит также может находиться в любом соотношении обоих состояний, что называется суперпозицией. Иногда это описывается как одновременно 0 и 1, хотя это не совсем верно. Скорее, он может быть где угодно между полностью 0 и полностью 1,  но загвоздка в том, что как только мы действительно измеряем кубит, он коллапсирует в одно из двух определенных состояний.

Хотя это сложно или невозможно полностью понять, суперпозиция означает, что объем данных, которые могут быть сохранены, растет экспоненциально с увеличением количества кубитов. Группа из 20 кубитов может одновременно содержать более миллиона значений. Однако квантовые вычисления также включают в себя дополнительные концепции, в частности квантовую запутанность. Это означает, что, в отличие от традиционных компьютеров, которые могут обрабатывать данные только последовательно, квантовые компьютеры могут обрабатывать их все одновременно.

Квантовые приложения

Квантовые вычисления являются привлекательным кандидатом для обработки баз данных, поскольку они могут проверять множество записей одновременно. Искусственный интеллект — еще одно приложение, которое может значительно выиграть от одновременной обработки; он основан на извлечении уроков из опыта и становится более точным по мере получения обратной связи. И эта обратная связь основана на вычислении вероятностей многих возможных вариантов.

Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для тестирования программного обеспечения автопилота, которое в настоящее время слишком сложно для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки программного обеспечения, которое может отличать автомобили от ориентиров. Квантовые вычисления также могут нарушить работу приложений онлайн-безопасности и криптографии. Они зависят от больших зашифрованных номеров ключей, которые не могут быть расшифрованы традиционными компьютерами, пытающимися использовать все возможные комбинации, потому что процесс займет невероятно много времени. Однако возможности одновременной обработки данных могут снять эту защиту, поэтому потребуются новые «квантово-устойчивые» методы шифрования.

Квантовые ошибки

Чтобы квантовые компьютеры стали действительно полезными, необходима надежная квантовая коррекция ошибок. В настоящее время квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к потере квантовых свойств кубита. Этот процесс, известный как квантовая декогеренция, вызывает сбой системы, и это происходит быстрее, если  вовлечено больше частиц.

Квантовым компьютерам необходимо защищать кубиты от внешнего вмешательства, либо физически изолировав их, поддерживая в холодном состоянии, либо подавляя их тщательно контролируемыми импульсами энергии. Дополнительные кубиты необходимы для исправления ошибок, которые закрадываются в систему.

Квантовое превосходство

Несмотря на ошибки, квантовый прогресс увеличивается. Google, например, утверждает, что добился квантового превосходства. По мнению представителей компании, квантовый процессор, состоящий из 54 кубитов, может выполнять вычисление случайной выборки всего за 3 минуты 20 секунд. Они также утверждали, что Summit IBM, самому мощному суперкомпьютеру в мире, потребовалось бы 10 000 лет для выполнения той же задачи.

Если вы ничего не поняли про все плюсы квантовых вычислений, но вас они заинтересовали, вы можете бесплатно исследовать мир квантовых вычислений в IBM Cloud и научиться писать квантовый код, начиная с абсолютно нулевого опыта. Квантовые компьютеры IBM программируются с помощью Qiskit, набора для разработки программного обеспечения на Python. Qiskit — это бесплатная программа с открытым исходным кодом, которая сопровождается подробным учебником и семестровым курсом.

Квантовые компьютеры могут произвести революцию в вычислениях, сделав некоторые типы классически неразрешимых проблем решаемыми. Хотя ни один квантовый компьютер еще не является достаточно сложным, чтобы выполнять вычисления, которые не может выполнять классический компьютер, в настоящее время наблюдается большой прогресс. Несколько крупных компаний и небольших стартапов теперь имеют работающие квантовые компьютеры без исправления ошибок, состоящие из нескольких десятков кубитов, и некоторые из них даже доступны для общественности через облако. Кроме того, квантовые симуляторы делают успехи в различных областях — от молекулярной энергетики до физики. Прогресс может позволить реализовать некоторые преимущества и идеи квантовых вычислений задолго до того, как будет завершен поиск крупномасштабного квантового компьютера с исправленными ошибками.

Подписывайтесь на наш Telegram-канал и читайте новости первыми!