Что такое квантовый компьютер и как он работает

Квантовые машины предположительно перегонят даже самые мощные обычные суперкомпьютеры. Правда, классические компьютеры никуда не денутся, они останутся самым простым и дешевым способом справляться со множеством ежедневных задач.

Квантовым компьютерам отводят глобальные задачи, вроде экономических прогнозов, разработки более мощных батарей для электрокаров или новых лекарств. Секрет мощности таких компьютеров — в возможности генерировать и манипулировать кубитами (квантовыми битами).

Что такое кубит?

Обычные сегодняшние компьютеры используют биты — поток электрических или оптических импульсов, обозначающих нули или единицы. Все, от твитов и мейлов и до песен на iTunes и видео на YouTube – это в основе своей длинные потоки двоичного кода.

Квантовые компьютеры, с другой стороны, используют кубиты, которые в основе своей являются субатомарными частицами, такими как электроны или протоны. Генерирование и управление кубитами — нетривиальная научная и инженерная задача. Некоторые компании, такие как IBM, Google и Rigetti Computing, используют сверхпроводящие цепи, охлажденные до температур ниже, чем в глубоком космосе. Другие же, к примеру, IonQ, «ловят» отдельные атомы в э/м-поля на кремниевых чипах в вакуумных камерах. Цель в обоих случаях: изолировать кубиты в контролируемом квантовом состоянии.

Кубиты наделены некоторыми необычными квантовыми свойствами, которые обозначают, что объединенная группа кубитов может обеспечить намного большую вычислительную мощность, чем подобное же количество бинарных битов. Одно из этих свойств называется суперпозиция, второе – квантовая запутанность.

Что такое суперпозиция?

Кубиты могут представлять многие возможные комбинации единицы и нуля одновременно. Возможность частицы одновременно находиться во множественных состояниях называется суперпозицией. (Один из примеров, которыми медиа упрощенно объясняют суперпозицию, звучит так: «Представьте, что вы подкинули монету: пока она находится в воздухе, вы не можете сказать, выпадет орел или решка; эта монета — как бы орел и решка одновременно. Примерно так ведут себя квантовые частицы» — ред.).

Чтобы ввести кубиты в суперпозицию, исследователи манипулируют ими, используя высокоточные лазеры или микроволновые лучи.

Благодаря этому парадоксальному феномену, квантовый компьютер с несколькими кубитами в суперпозиции может одновременно просчитать множество потенциальных результатов. А финальный результат вычисления возникает, как только кубиты измерили, что немедленно приводит к тому, что их квантовое состояние «сводится» или к нулю, или к единице.

Что такое запутанность?

Исследователи могут генерировать пары кубитов, которые «запутанны», это означает, что оба члена пары существуют в одном квантовом состоянии. Изменение состояния одного из кубитов мгновенно приведет к изменению состояния второго предсказуемым образом. Это происходит, даже если кубиты разделены значительными расстояниями.

Достоверно пока неизвестно, как именно работает запутанность. Она изумляла даже Эйнштейна, который описал ее как «жуткое действие на расстоянии». Но она — ключ к мощи квантовых компьютеров. В обычном компьютере удвоение битов удваивает его вычислительную мощность. Но благодаря запутанности добавление кубитов в квантовый компьютер экспоненциально влияет на его способность манипулировать числами.

Квантовые компьютеры манипулируют запутанными кубитами способом, который можно упрощенно сравнить с плетением венка. Их способность ускорять вычисления, используя специально разработанные квантовые алгоритмы – та причина, по которой о них столько говорят.

Это — хорошие новости. Плохие новости в том, что квантовые машины — намного более подвержены ошибкам, чем классические, из-за явления декогерирования кубита.

Что такое декогеренция?

Взаимодействие кубитов с внешней средой, которое приводит к затуханию и исчезновению их квантовых свойств, называется декогеренцией. Квантовые состояния — очень хрупкие. Наименьшая вибрация или смена температуры — возмущения, называемые «шумом», могут приводить к нарушению суперпозиции перед тем, как вычисления закончены. Поэтому-то исследователи и стараются максимально оградить кубиты от внешнего мира, в том числе, в суперохлажденных или вакуумных камерах.

Несмотря на эти усилия, шум все равно приводит к тому, что в вычисления закрадывается множество ошибок. Умные квантовые алгоритмы могут компенсировать некоторые из них, также помогает добавление кубитов. Однако, может понадобиться до тысяч стандартных кубитов для создания одного надежного, известного как логический кубит. Это влияет на вычислительную мощность квантового компьютера.

Проблема в том, что инженеры до сих пор не смогли сгенерировать более 128 стандартных кубитов. Так что до широкого применения квантовых компьютеров — еще многие годы.

Но это не лишает пионеров таких исследований надежды на демонстрацию «квантового превосходства».

Что такое «квантовое превосходство»?

Это – момент, когда квантовый компьютер сможет произвести математическое вычисление, которое будет за пределами возможностей даже самых продвинутых суперкомпьютеров. Неизвестно, сколько именно кубитов может для этого понадобиться, ведь исследователи разрабатывают все новые алгоритмы для повышения производительности классических суперкомпьютеров, улучшается и их аппаратная часть.

Для чего могут понадобиться квантовые компьютеры в первую очередь?

Одно из наиболее перспективных применений: симуляция поведения материи вплоть до молекулярного уровня. Автопроизводители вроде Volkswagen и Daimler используют квантовые компьютеры для симуляции химического состава батарей для электрокаров, чтобы найти новые способы их улучшить. Фармацевтические компании используют их, чтобы анализировать и сравнивать соединения, которые могли бы привести к созданию новых лекарств. Airbus – для того, чтобы вычислять самый эффективный с точки зрения расхода топлива путь взлета и снижения самолета. Volkswagen продемонстрировал разработанный с помощью таких систем сервис, который вычисляет оптимальные пути движения для автобусов и такси в городах, которые минимизируют заторы на дорогах. Кто-то из исследователей считает, что квантовые системы смогут ускорить развитие искусственного интеллекта.

^{По материалам ain.ua и hi-news.ru}