Продолжая исследование сложностей квантовой физики, сегодня мы погружаемся в детали, исследуя основные принципы и перспективы квантовых вычислений. В этом материале мы раскроем:
— Суть квантового компьютера;
— Принципы его работы;
— Преимущества перед классическими компьютерами;
— Исторический экскурс — о первом квантовом компьютере;
— Обзор производителей квантовых вычислительных систем;
— Практическое применение квантовых компьютеров в решении задач.
Что такое квантовый компьютер
Квантовый компьютер представляет собой высокотехнологичное устройство, которое в силу своих возможностей осуществляет вычисления, опираясь на принципы квантовой механики, такие как запутанность и суперпозиция. Хотя концепция может показаться абстрактной, попробуем разобраться в этом вопросе более последовательно.
Изучение школьного курса информатики дает знания о работе современных компьютеров, выстроенных на основе бинарной системы счисления. Основная информационная единица в таких системах – это бит, способный находиться в одном из двух состояний: либо 0, либо 1. С помощью различных логических операций над битами мы получаем возможность слушать музыку, просматривать видеоряды или создавать изображения с помощью искусственного интеллекта.
На физическом уровне бит представлен в виде миниатюрного транзистора, максимально простого устройства, которое может находиться в двух состояниях: активированном и деактивированном – аналогично лампочке на новогоднем украшении. Невзирая на простоту, высокая скорость переключения и взаимодействие с другими подобными элементами предоставляют обычному компьютеру возможности для проведения сверхсложных расчетов с исключительной оперативностью.
Современные электронные устройства, от интеллектуальных часов до персональных компьютеров и от смартфонов до высокопроизводительных суперкомпьютеров, находятся в зависимости от транзисторной технологии, которая уже доказала свою надежность и эффективность. Однако, несмотря на такой широкий спектр применения, транзисторные системы сталкиваются с определенными ограничениями, особенно когда дело доходит до решения некоторых задач, которые на первый взгляд кажутся тривиальными, но оказываются чрезвычайно трудоемкими для классических вычислительных систем.
В этом контексте на передний край выходят квантовые вычисления, обладающие потенциалом решать подобные классы задач на порядки быстрее, чем это возможно с помощью классических вычислительных систем. Квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для обработки информации, что позволяет им выполнять вычисления для определенных задач с невероятной скоростью, значительно превосходя возможности современных транзисторных устройств.
Принцип работы квантового компьютера отличается от традиционного компьютера за счет использования кубитов вместо стандартных битов. Кубиты основаны не на обычных транзисторах, а представляют собой квантовые частицы, такие как фотоны или электроны (а не протоны, как указано в исходном тексте). Отличительной особенностью кубитов является их способность удерживать состояние не только 0 или 1, но быть и в суперпозиции этих состояний, то есть они могут находиться в произвольном квантовом состоянии, что позволяет квантовому процессору производить гораздо больше вычислений за один такт, по сравнению с классическим компьютером.
Как работает квантовый компьютер
В предыдущем разговоре мы уже затрагивали тему квантовых компьютеров, и я хотел бы еще раз подчеркнуть, как важны для них такие понятия квантовой механики, как суперпозиция и запутанность.
Принцип суперпозиции позволяет квантовой частице находиться одновременно в разных состояниях. Это состояние нестабильно и мгновенно меняется при попытке его зафиксировать, что аналогично опыту с подбрасыванием монеты, когда результат остается неизвестным до момента остановки.
Применительно к кубиту — основной единице информации в квантовом компьютере — это означает, что без измерения он одновременно находится в состояниях, представляющих и ноль, и единицу. Судьба данной суперпозиции определяется в момент измерения, а до того она представляет собой сложную смесь всех возможных состояний.
Эта концепция может казаться нелогичной, но она является фундаментальной для квантовой механики и вызывает много дискуссий среди ученых. Возьмем, к примеру, известный парадокс кота Шрёдингера, который демонстрирует неоднозначность состояния квантовой системы — его можно интерпретировать как существование кота одновременно в живом и мертвом состоянии до того, как производится измерение.
Концепция суперпозиции недостаточна для выполнения вычислений — для этого кубиты должны находиться в определенном взаимодействии. В классических компьютерах аналогичную функцию выполняют электрические пути, тогда как в квантовых системах это обеспечивается за счет явления квантовой запутанности.
В лабораторных условиях возможно генерировать спутанные фотоны, что поражает воображение: независимо от удаленности этих фотонов друг от друга, даже если они находятся на противоположных сторонах космоса, они остаются взаимосвязанными. При воздействии на состояние одного из них мгновенно изменяется состояние всех связанных с ним частиц. Это звучит как что-то невероятное, словно магия, однако на самом деле это строгий физический принцип. Используя его, ученые научились передавать квантовые состояния на значительные расстояния, достигая телепортации последних на многие километры.
Чем квантовый компьютер лучше обычного
Благодаря свойству кубитов находиться в нескольких состояниях одновременно и их взаимосвязи, квантовые компьютеры способны одновременно обрабатывать все возможные варианты решений задачи. Это контрастирует с классическими компьютерами, которые осуществляют поиск решений последовательно, что значительно медленнее.
Данную особенность можно представить аналогией с калейдоскопом: в то время как с классическим компьютером требуется поочерёдное изменение параметров для получения новых узоров, квантовый компьютер уже выполняет все возможные комбинации, создавая сложный узор. Работа пользователя заключается в извлечении необходимого фрагмента из этого многомерного «полотна» результатов.
Начинаются трудности: квантовые вычислительные машины предоставляют результаты, основанные на вероятности, что подразумевает приблизительность к реальным данным. Это обусловливает необходимость в разработке специализированных квантовых алгоритмов для толкования полученной информации. Существующие алгоритмы направлены на выполнение специфических математических процедур и их применение в реальном мире ограничено. Воплощение реальных задач в квантовые вычисления представляет собой сложную задачу, что является одной из причин, по которой широкое распространение квантовых компьютеров относится к отдалённому будущему.
Ещё одной сложностью является декогеренция, которая происходит, когда частица теряет квантовые характеристики из-за взаимодействия с окружающей средой. Суперпозиция – это чрезвычайно деликатное состояние, нарушаемое самыми различными факторами, от солнечных вспышек до климатических изменений. Простая защита, наподобие металлической крышки или термопасты, не решит проблему, требуется более существенная изоляция для стабилизации квантовых систем.
Создание соответствующей изоляции является сложной инженерной задачей. На данный момент, основной метод защиты подобных систем заключается в их охлаждении до температуры абсолютного нуля для предотвращения влияния внешних факторов. В качестве охлаждающего агента обычно используется жидкий азот, кроме того, применяются ионные ловушки и магнитные поля. В результате, системы охлаждения получаются внушительных размеров. Обратите внимание на этот впечатляющий аппарат:
Ключевой основной тезис состоит в следующем: хотя квантовые компьютеры определенно превосходят по мощности традиционные, их возможности на данный момент еще ограничены. Кроме того, производство квантовых машин сопряжено со значительными сложностями. Однако научное сообщество оптимистично относится к преодолению этих барьеров, напоминая, как много места занял первоначальный компьютер Mark I и как за короткое время его функциональные наследники стали повсеместны — они украшают собой большинство жилых помещений и офисных пространств по всему миру.
Первый квантовый компьютер
Изобретение первого квантового компьютера стало итогом продолжительного исследовательского пути. Основополагающая идея была заложена еще в 50-х годах двадцатого века, когда выдающийся ученый Ричард Фейнман впервые выдвинул концепцию использования квантовых явлений в расчетных операциях. В 1965 году его вклад в физику был отмечен Нобелевской премией. Ричард Фейнман также известен своим утверждением о том, что истинное понимание квантовой механики остается за пределами человеческого познания. Это замечание остается актуальным и сегодня, так что не беспокойтесь, если некоторые аспекты квантовых вычислений кажутся вам сложными – даже Нобелевские лауреаты признают их загадочность.
В 1980-х годах наука достигла нового важного рубежа. В свет вышла работа Фейнмана 1982 года под названием «Физическое моделирование с помощью компьютеров», которая положила начало основам для создания квантовых компьютеров. Почти одновременно, математик Юрий Манин внёс свой вклад в концепцию квантовых вычислений, тогда как американский физик Пол Бениофф разработал квантово-механический аналог машины Тьюринга.
Прорыв в реализации квантового компьютера произошёл в 1997 году, благодаря исследователям из Массачусетского технологического института (MIT), которые представили первую функционирующую модель. Эта система, состоящая из двух кубитов, функционировала на основе ядерно-магнитного резонанса — той же технологии, которая применяется в медицинских аппаратах МРТ. Разработанная модель была способна решать сложные задачи с использованием алгоритма Дойча—Йожи.
Как следствие, свои уникальные модели ЯМР-компьютеров начали последовательно появляться в различных научных институтах и лабораториях по всему миру. Впрочем, найти их изображения в интернете может быть непростой задачей, так как ученые нечасто делятся снимками своих разработок, возможно, из-за политики конфиденциальности.
В отличие от этого, корпорации активно распространяют фотографии своих продуктов через пресс-релизы. Примером может служить опубликованное изображение первого в мире 16-кубитного процессора от компании D-Wave, которая является одним из лидеров данного сектора рынка.
Конечно, текущий потенциал вычислительной мощности еще не достиг своего апогея — к примеру, компания D-Wave Systems в 2022 году заявила о планах разработать квантовую машину на впечатляющие 7000 кубит. Однако на данный момент это пока не более чем мечты — наиболее мощный из существующих квантовых компьютеров насчитывает 1225 кубитов и является достижением американского стартапа Atom Computing.
А что сейчас?
Квантовые вычислительные системы превратились из чисто теоретических концепций в реальные рабочие устройства. На момент подготовки данного обзора, экземпляры квантовых компьютеров уже эксплуатируются многими корпорациями и научными учреждениями.
Вот краткий список некоторых прогрессивных моделей:
- IBM: Компьютер Osprey использует 433 сверхпроводниковых кубита, обеспечивает точность операций на уровне 99% и демонстрирует скорость выполнения операций в пределах 10 наносекунд;
- Google: Sycamore насчитывает 53 сверхпроводниковых кубита. У компьютера более высокая точность — 99,9%, но скорость его вычислений чуть медленнее — 25 наносекунд;
- Intel: Tunnel Falls включает в себя 12 кубитов, показывает точность на уровне 99%, но работает с относительно низкой скоростью — 100 наносекунд;
- IonQ: Quantum processor Harmony оснащен 32 ионными кубитами, время выполнения вычислений составляет 500 наносекунд, при этом точность достигает 99,9%;
- Xanadu: Квантовый процессор Borealis имеет 24 фотонных кубита, обладает наивысшей скоростью — 200 пикосекунд, однако точность его вычислений составляет 98%.
Российские научные институты активно участвуют в разработке квантовых вычислительных систем:
- МФТИ и НИТУ «МИСиС» объединили усилия и представили инновационный квантовый процессор на основе четырёх кубитов в 2022 году, продолжая разработки в направлении увеличения числа кубитов до восьми;
- Специалисты Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова занимаются исследованиями и созданием квантового компьютера с шестнадцатикубитной архитектурой.
Какие задачи могут решать квантовые компьютеры
Изначально стоит отметить, что квантовые вычислители на данном этапе еще не достигли уровня развития, чтобы в широком масштабе использоваться для решения специализированных прикладных заданий. Всё, что будет обсуждаться далее, касается лишь уникальных примеров использования или предположений об их будущем потенциале.
В арене научных исследований и разработки, квантовые компьютеры обладают перспективой стать ключевым инструментом в создании новых медикаментов и материалов. Благодаря своей способности моделировать химические соединения и их взаимодействия с другими веществами, они могут оказать существенное влияние на скорость и качество научно-технологического прогресса.
Традиционные высокопроизводительные компьютерные системы не могут эффективно справляться с задачами такого рода из-за огромной вычислительной сложности. Примером может служить ситуация, когда для моделирования молекулы, содержащей 70 атомов, современному классическому суперкомпьютеру потребуется примерно 13 миллиардов лет, в то время как квантовые вычислительные системы способны выполнить такую задачу всего за несколько минут. Реальное применение этой технологии находится в области генной инженерии, а также при исследовании и разработке инновационных лекарств и материальных веществ.
Профессиональная оптимизация логистических и энергетических процессов. Разработка наилучших логистических маршрутов, эффективное управление распределением теплоснабжения и освещения, а также точное прогнозирование потребностей относятся к сфере применения квантовых вычислений. Эти сложные задачи комбинаторики могут быть решены с помощью возможностей квантовых технологий.
Криптография представляет собой как универсальное решение, так и потенциальную опасность. С одной стороны, с применением квантовых ключей возможно создание систем безопасности, которые невозможно взломать с использованием современных средств. С другой стороны, квантовые компьютеры могут всего за секунды находить ключи для дешифровки большинства существующих криптографических алгоритмов, включая RSA-2048. Поэтому разработка квантово-устойчивых криптографических протоколов является крайне важной задачей.
Профессиональные метеорологические центры сегодня применяют высокопроизводительные суперкомпьютеры для прогнозирования погоды, оперируя сложными моделями, код которых насчитывает сотни тысяч строк. Несмотря на их впечатляющие возможности, существуют определенные аспекты погодных процессов, которые они не в состоянии полностью охватить. Квантовые же компьютеры обладают потенциалом к осуществлению моментальных расчетов большого объема данных, включая варьирование множества параметров, что делает их перспективным инструментом в метеорологии и дает основания для высоких ожиданий в данной отрасли.
С развитием квантовой вычислительной техники можно предвидеть и увеличение сфер ее применения, что обещает революцию в точности и надежности погодных прогнозов.