Пока программисты выбирают себе компьютеры, которые не «тормозят» при вычислениях, ученые и инженеры работают над созданием машины, позволяющей забыть о подобных проблемах навсегда. Рассказываем простыми словами, что такое квантовый компьютер.
Кто изобрел квантовый компьютер
Основы теории квантового компьютера были заложены серией научных открытий, сделанных в первой половине XX века. Ученые, совершившие их, позже стали нобелевскими лауреатами. Один из них — основоположник квантовой физики, немецкий физик-теоретик Макс Планк. В 1918 году он ввел в научный обиход понятие элементарной частицы — кванта.
Квант — минимальная неделимая порция энергии, которая может быть передана или поглощена при определенных условиях. То есть квант может иметь различные формы и названия в зависимости от вида энергии. Например, квантами света и электрического поля являются фотон и электрон соответственно.
Во второй половине 1930-х годов знаменитый ученый Альберт Эйнштейн совместно с американскими физиками Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью, благодаря которой в физической науке появился парадокс, названный в честь авторов.
Парадокс ЭПР — попытка указать на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента. Он состоит в измерении параметров микрообъекта без непосредственного воздействия на него. Цель — извлечение дополнительной информации об объекте, квантово-механическое описание его состояния.
После формулировки парадокса Эйнштейна, Подольского и Розена австрийский физик Эрвин Шредингер выступил с продолжением и уточнением выводов. Его статья «Нынешняя ситуация в квантовой механике» описывает концепцию квантовой запутанности и знаменитый мысленный эксперимент с котом, помещенным в стальной сейф вместе со смертоносным механизмом, — этот парадокс описывает явление суперпозиции.
Принцип суперпозиции — принцип, лежащий в основе квантовой механики. Согласно ему, если квантовая система может находиться в состояниях ψ1 и ψ2, то возможна и их линейная комбинация, которая называется суперпозицией состояний.
Объясним проще: допустим, микрочастица может находиться в двух областях, a1 или a2, и принимать состояния ψ1 и ψ2 . Согласно принципу суперпозиции, кроме этих состояний, у частицы есть еще одно. Оно представляет собой результат сложения первых двух: ψ3 = a1*ψ1 + a2*ψ2.
В этом случае ψ3 — квантовая суперпозиция, новое квантовое состояние, которое возникает при наложении возможных состояний до того, как они будут уточнены. Поэтому кот Шредингера до открытия сейфа и жив, и мертв одновременно.
Пациент скорее жив, чем мертв? Посмотрим — увидим!
Также в квантовой теории существует еще одно важное понятие, которое использовали при создании квантового компьютера, — квантовая запутанность. Оно предложено Альбертом Эйнштейном еще в первой половине XX века, но метод его математического доказательства вывел в 1964 году ирландский физик Джон Белл — этот метод получил название «неравенства Белла». Если в конкретном изучаемом случае эти неравенства не имеют решения, то квантовая запутанность считается доказанной.
Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух или более частиц могут быть взаимосвязаны независимо от их расстояния друг от друга.
Интерес к этому явлению не угасает. Так, в 2022 году трое ученых — Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер — получили Нобелевскую премию за исследования в области квантовой запутанности. Эти научные изыскания дают богатую почву для развития квантовой информатики.
Компьютер: квантовый и обычный
Квантовый компьютер — это нечто большее, чем просто машина для вычислений. Его разработка — действительно «переворот» в мире технологий, путь к мощному качественному развитию, основанный на принципах квантовой механики. Они заставляют нас переосмыслить саму природу информации и ее обработки.
Начнем со сравнения. Что такое обычный компьютер? Это машина, работающая в двоичной системе, где единицей информации служат биты, принимающие значения 0 или 1. Двоичный код реализуется с помощью транзисторов, которые являются основными строительными блоками современных компьютеров. Они быстро включаются и выключаются, меняя значение бита, и это позволяет нам выполнять сложнейшие задачи на поразительных скоростях. На этой основе построены все современные вычисления.
Однако существуют задачи, которые даже для самых производительных компьютеров, работающих в двоичной системе, остаются непосильными — слишком много времени потребуется на их решение. Это время может исчисляться годами.
И тогда «на сцену» выходят квантовые компьютеры, единица информации в которых — кубит, или квантовый бит.
Бит принимает значение либо 0, либо 1.
Кубит может принимать значения 0, 1 и любые промежуточные: привет, квантовая теория!
Использование кубитов позволяет квантовым компьютерам обрабатывать информацию не просто быстрее, а на порядки эффективнее. Вместо того чтобы выполнять последовательные операции, они могут вести множество вычислений параллельно, что открывает двери для решения задач, ранее считавшихся невыполнимыми.
Зачем нужен квантовый компьютер
Кубитный компьютер можно использовать для оптимизации сложных маршрутов, криптографических расчетов — и даже разработки новых лекарств и создания искусственного интеллекта. Применение обычных компьютеров может сдерживать развитие технологий искусственного интеллекта. AI становится одним из главных факторов Четвертой промышленной революции. Ежегодный мониторинг глобальных цифровых трендов от «Ростелекома», охватывающий 18 миллионов источников, уверенно определяет его на первом месте.
Команда ученых из MIT, Университета Ёнсе в Сеуле и Университета Бразилиа опубликовала аналитическую работу, основанную на изучении более тысячи научных статей о технологиях машинного обучения — «Вычислительные пределы глубокого обучения». Их исследование подтверждает, что развитие технологий искусственного интеллекта напрямую зависит от мощностей вычислительных машин.
Производительность техники изначально служила ограничением для AI-систем. В настоящее время потребности новых моделей растут гораздо быстрее, чем доступные мощности компьютеров. Исследовательская группа подчеркивает, что AI приближается к пределу своих вычислительных возможностей. Ученые утверждают, что переход на новый уровень станет реальностью только благодаря квантовым вычислениям.
Технологии машинного обучения сейчас зависят от огромных объемов данных. Алгоритмы AI обрабатывают и классифицируют большие массивы информации. В этом плане квантовые компьютеры обещают упростить и ускорить процесс классификации, обнаруживая закономерности, на которые классическим компьютерам требовалось бы намного больше времени.
Ученые считают, что совмещение AI и квантовых вычислений поможет развивать область прогнозирования — например, просчитывать возможные изменения климата. Также такая техника сможет эффективнее работать с естественной речью, а значит, голосовые помощники выйдут на новый уровень, как и технологии «автопилота». Использование квантовых компьютеров позволит оптимизировать потребление ресурсов с помощью более точного расчета роста населения земного шара.
Квантовая техника: фантастика или реальность
Знаменитый американский физик Ричард Фейнман предложил использовать квантовые явления для проведения вычислений еще в середине XX века — но, разумеется, тогда подобный компьютер был лишь красивой футуристической теорией.
Я думаю, что смело могу утверждать: квантовую механику не понимает никто. © Ричард Фейнман, нобелевский лауреат
Несмотря на свое утверждение о непознаваемости квантовой механики, в начале 1980-х годов Ричард Фейнман опубликовал статью, в которой впервые описал принципы работы квантового компьютера — всё еще теоретические. Также одним из первых ученых, которые «приспособили» квантовую теорию к компьютерной технике, стал американский физик Пол Бениофф.
Практически все известные компьютеры используют теорию Тьюринга, и именно Бениофф первым обосновал теоретическую возможность создания квантовой машины Тьюринга. Советский физик Юрий Иванович Манин тоже приложил руку к разработке кубитного компьютера в будущем — он предложил и развил идею квантовых вычислений.
Но на создание первого рабочего прототипа потребовалось больше десятилетия. В 1997 году ученые Исаак Чуанг, Нил Гершенфельд и Марк Кубинец провели презентацию квантового компьютера, который мог производить вычисления. В его основу был заложен алгоритм Шора, а также принципы ядерно-магнитного резонанса.
Алгоритм Шора — квантовый алгоритм разложения на простые множители, позволяющий разложить число N за время O(log3N), используя O(log N) кубитов. Представлен научному миру в 1994 году американским математиком Питером Шором.
Существуют и другие алгоритмы:
- Алгоритм Дойча-Йожи — квантовый алгоритм, который помогает определить, является ли функция сбалансированной или постоянной. Предложен в 1992 году, стал одним из первых квантовых алгоритмов.
- Алгоритм Гровера — квантовый алгоритм решения задачи перебора, основанный на физическом эффекте «усиления амплитуды». Особенно эффективен в криптоанализе, взломе шифров.
После представления первой модели многие известные научные и технологические организации приступили к разработке своих прототипов. Цель каждой команды ученых и инженеров — достижение квантового превосходства.
Квантовое превосходство — решение с помощью квантового компьютера задач, которые невозможно решить с помощью обычного компьютера. Следует отличать от квантового преимущества — более высокой скорости решения задач.
Сегодня квантовые вычисления — уже не просто красивая «картинка будущего». Ведущие технологические компании во всем мире уже представляют свои машины, которые успешно справляются со сложнейшими задачами. Например, компания Google в 2019 году сообщила, что их компьютер Sycamore смог достичь квантового превосходства, решив задачу в 220 миллионов раз быстрее классического компьютера.
Гонка квантовых вычислительных машин остается напряженной, напоминая порой даже гонку вооружений. Каждая команда старается «обойти» других, представив более мощную и совершенную модель. Вот ряд ярких примеров:
- Известный конкурент Google, компания IBM в 2022 году представила компьютер Osprey с рекордным числом кубитов — целых 433. Точность вычислений этой машины составляет 99%, а по скорости она немного опережает Sycamore.
- Компания Intel в 2023 году презентовала Tunnel Falls — чип с двенадцатью кремниевыми спиновыми кубитами. Он стал новым шагом Intel в стратегии по созданию коммерческой системы квантовых вычислений.
- Российская технологическая отрасль не отстает от зарубежной: в феврале 2024 года «Росатом» представил 20-кубитный компьютер. Его точность составляет 95%, но ученые планируют развивать свою разработку и повысить точность до 98–99%.
Принцип работы квантового компьютера
Вычислительные машины, работающие по квантовым алгоритмам, значительно превосходят своих классических «собратьев» благодаря использованию таких свойств, как суперпозиция и запутанность. Вместо двоичных битов-транзисторов они работают с квантовыми битами, которые образуют единую связанную систему. Это означает, что, определив состояние одного кубита, мы автоматически получаем информацию о состояниях остальных, что существенно ускоряет обработку информации и позволяет достичь новых вычислительных возможностей.
Квантовые кубиты в составе компьютера могут быть созданы с помощью сверхпроводников, квантовых точек или другими способами. В отличие от транзисторов, которые обеспечивают работу двоичного кода в обычных компьютерах, в квантовых компьютерах важную роль играет вентиль, состоящий из кубитов. Существуют вентили, работающие с одним или двумя кубитами, а также наборы вентилей, позволяющие решать самые разнообразные задачи.
«И что же, это все выглядит как привычный компьютер с рабочим столом, окнами и кнопками?» — этот вопрос может возникнуть у человека, незнакомого с темой квантовых вычислений. Нет, обычный, хорошо знакомый нам софт совсем не подходит для работы квантовых компьютеров. Им нужны особенные приложения и операционная система, которые позволят использовать их возможности на полную мощность.
Еще одна проблема, которая мешает квантовому компьютеру выйти в широкий обиход, — декогеренция. Частицы в обычных внешних условиях легко теряют свои свойства, и это нарушает ход вычислений. Изменение температуры окружающей среды грозит срывом решения задач, поэтому ученым и инженерам приходится изолировать компьютеры от внешнего мира. Пока для этого используют мощное охлаждение: внутри системы температура искусственно опускается до абсолютного нуля, чтобы ничто не выводило частицы из суперпозиции.
Такой «холодильник» — огромная, совсем не маневренная система, основанная на действии жидкого азота или магнитного поля. Но классический компьютер тоже прошел эволюцию от ЭВМ, занимавших целые комнаты, до легких современных ноутбуков. Ученые продолжают совершенствовать квантовые вычислительные машины, и вполне вероятно, что они станут более компактными и простыми.
Большинству обычных пользователей квантовые машины недоступны на современном этапе развития. Поэтому корпорации, занимающиеся разработкой этих технологий, предлагают возможность производить квантовые вычисления в облаке. Такие услуги предлагает Microsoft, а в России их развитием занимаются Российский квантовый центр и VK Cloud.
Что будет дальше
Несмотря на все старания ученых, открытия, прорывы, квантовые вычисления пока остаются недоступны для свободного использования. Это скорее интересное технологическое новшество, основной потенциал которого раскроется в будущем. Но с каждым днем это будущее становится все ближе. Например, Александр Васильевич Латышев, директор Института физики полупроводников им. А.В.Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук, считает, что переход на твердотельные полупроводниковые устройства сделает квантовые вычисления не экзотикой, а эффективным инструментом.
Квантовые компьютеры, которые работают на сверхпроводниках, нуждаются в особых температурных условиях, сложных и громоздких системах контроля. В настоящее время, по словам Александра Васильевича, микроэлектроника все больше объединяется с твердотельной нанофотоникой.
Нанофотоника — активно развивающаяся наука, которая изучает физические явления, возникающие при взаимодействии фотонов с нанометровыми объектами. Прикладной аспект этой дисциплины связан с разработкой твердотельных и органических лазеров.
В Институте физики полупроводников ведутся работы по созданию базы для квантовых вычислений. Например, в качестве кубитов квантового компьютера здесь используют охлажденные одиночные атомы. Уже был проведен успешный эксперимент с атомом рубидия.
Постепенно развиваются всё новые варианты реализации квантовых компьютеров, ученые ищут пути получения более высоких мощностей с меньшими затратами. В перспективе создание квантовой машины получится упростить и удешевить, чтобы вывести ее «в массы».
Подведем итог
Квантовые вычисления — перспективная технология, способная произвести революцию в науке и технике. Компьютер, который может обрабатывать огромное количество запросов одновременно, очень быстро, еще в 1990-х годах перестал быть фантастикой, но по-прежнему остается не распространенным рабочим инструментом, а экзотикой, доступной далеко не всем. Исследователи и технические специалисты по всему миру продолжают создавать новые модели квантовых компьютеров, доводят технологии до совершенства, увеличивают количество кубитов, мощность и точность вычислений.
Достижение квантового превосходства компьютером Sycamore не остановило этот процесс: квантовые вычисления должны стать доступными для более широкой аудитории. Сегодня некоторые крупные технологические компании предлагают возможность проводить их «в облаке», но это еще не предел.
Квантовый компьютер может использоваться для решения таких задач, как:
- быстрый взлом сложных шифров;
- прогнозирование явлений, которые зависят от множества факторов: изменения климата, роста населения Земли и других;
- моделирование молекул при создании новых высокоэффективных лекарств;
- разработка и качественное развитие технологий искусственного интеллекта.
Пока рассуждения о пользе квантового компьютера носят характер прогнозов, но в будущем такая техника будет становиться все доступнее и ближе к широкой аудитории.
«Все так красиво в теории, а где же ложка дегтя?» — могут спросить хейтеры. Конечно, у квантового компьютера хватает и недостатков, проблем. Среди них:
- Крайне высокая стоимость на данном этапе развития. Достаточные ресурсы для строительства квантового компьютера и обеспечения его работы есть только у компаний — технологических гигантов.
- Потребление энергии и охлаждение. Для работы кубитному компьютеру требуется огромное количество энергии, при этом в процессе вычислений он очень сильно нагревается. Системы охлаждения, без которых машина не будет функционировать, дорогие, громоздкие и сложные.
- Сложности в программировании. Приложения распределяются между несколькими квантовыми процессорами, и нужно обеспечить их слаженную работу, иначе производительность будет ниже ожидаемой. Это долгий и сложный процесс.
- Нехватка специалистов. Технология квантовых вычислений сравнительно новая и пока недоступна большинству пользователей. Для успешной работы с квантовым компьютером людям придется долго учиться.
Но эти проблемы не остановят прогресс: исследования и разработки в области квантовой информатики продолжают активно развиваться. Поэтому уже сегодня можно строить оптимистичные прогнозы относительно будущего этой технологии.
