Немногие области науки могут похвастаться наличием таких жарких споров, как квантовая информатика. Одни ученые активно занимаются исследованиями и предлагают новые решения, другие упорно пытаются найти недостатки, доказав невозможность существования универсальных квантовых компьютеров. Недостаток современных ПК очевиден — рано или поздно будет достигнут минимально возможный размер классического транзистора, и на этом прогресс остановится.
Иллюстрация закона Мура
Основа таких компьютеров — бит, объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо "0", либо "1". Бит может изменяться в зависимости от напряжения полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то состояние бита — логическая "1", а если меньше, то логический "0". Память компьютера представляет собой массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.
Квантовый компьютер использует принципиально иной метод расчетов на основе кубитов. В отличие от битов, они могут находиться в двух логических состояниях одновременно.
Сравнение элемента персонального компьютера — бита и элемента квантового компьютера — кубита
Такое состояние квантовой системы называется суперпозицией.
Вычислительная мощность квантовых компьютеров вырастает относительно классической транзисторной схемы за счет реализации большего числа операций в единицу времени.
Существует много вариантов технической основы для создания кубитов. Первый вариант — микроскопические сверхпроводящие кольца, в котором логическое состояние зависит от направления тока по кольцу (ток в такой системе может одновременно течь как по часовой стрелке, так и против). Второй вариант — атомы, охлажденные до температуры в несколько кельвин ("0" и "1" — это разные энергетические состояния атомов). Третий — ловушки на ионах.
Схема кубита на ионной ловушке
Количество кубитов — это только одна характеристика квантового компьютера. Есть еще много других параметров: как долго могут существовать кубиты, насколько легко ими управлять, воспроизводятся ли результаты вычислений, можно ли масштабировать систему до больших размеров?
Компьютер в Гарварде из 51 кубита способен решать только одну задачу — изучение определенных явлений в квантовой многочастичной модели. Для решения другой задачи придется существенно модифицировать его. Максимальное число кубитов, из которого сделан репрограммируемый квантовый компьютер, способный решать разные задачи, пока равно 16. Создавшая его компания IBM заявила, что компьютер уже использовался для проведения 300 000 экспериментов с квантовыми вычислениями ее пользователями при помощи облачных сервисов.
IBM-квантовый компьютер на 16 кубит
Итак, прогнозы скептиков, считающих, что квантовый компьютер не сможет работать вообще, не сбылись. Конечно, существующие системы пока не являются универсальными, то есть способными решать любую задачу и демонстрировать в ряде задач ускорение, которое недоступно классическим компьютерам, благодаря квантовым эффектам.
Но несмотря на воодушевление приверженцев квантовых компьютеров, последние имеют свои слабые места. Во-первых, квантовые состояния хрупки настолько, что любое возмущение (измерение состояния системы) может привести к разрушению состояния. Так достоверность расчетов оказывается под вопросом, и нужно собирать отдельные системы для проверки их работы. Второй минус заключается в возможности потери информации.
При существовании двух (или нескольких) кубитов, находящихся в одинаковых квантовых состояниях, вероятность потери бита информации стремится к нулю. Однако в противном случае, при разных квантовых состояниях, между ними происходит взаимодействие, приводящее к потере одного бита. Очень сложно создать большую квантовую систему, элементы которой будут достаточно хорошо взаимодействовать между собой и при этом будут достаточно хорошо защищены от окружения, которое может разрушить суперпозицию кубитов.
Исследователи признают, что на данный момент квантовый компьютер не подходит для рядового пользователя. Да и оправдана ли будет цена квантовых компьютеров для домашнего пользования? Нужна ли будет его вычислительная мощность для просмотра фильмов и поддержки интернета?
Вычислительный центр
Наверняка квантовые компьютеры заменят нынешние суперкомпьютеры в исследовательских лабораториях, станут незаменимыми для моделирования сложнейших физических процессов. Но станут ли они заменой ПК у нас дома и оправдана ли будет эта замена? Можно предположить, что у нас в домах будут стоять гибриды квантовых и классических компьютеров, но как это будет точно, сейчас сказать не может никто.
"Я полагаю, что создание квантового компьютера разделит историю человечества на две эпохи: до и после. Кстати, у России есть возможность составить достойную конкуренцию самым технологически развитым странам в квантовой гонке. Возможности квантового компьютера не только приведут к колоссальному технологическому скачку, но и дадут ответы на фундаментальные вопросы. Так что это на самом деле технология будущего. И приближается оно быстрее, чем кажется", — комментирует Алексей Федоров.