Квантовий комп’ютер за секунди обчислює операції, на які раніше витрачали мільйони років: пояснюємо, як він працює
Компанії та дослідницькі центри держав світу борються за те, щоб створити найпотужніший квантовий комп’ютер. Його можливості вражають. Він дозволяє обчислювати операції, на які раніше витрачалися б мільйони років.
Але як працює ця чудо-машина та як може допомогти людству? Розповідаємо в матеріалі.
Що таке квантовий комп’ютер?
Квантові комп’ютери – це машини, які використовують властивості квантової фізики для зберігання даних і виконання обчислень.
Класичні комп’ютери, до яких також належать смартфони та ноутбуки, кодують інформацію в бінарній системі з нулів та одиниць. У квантовому комп’ютері основною одиницею пам’яті є квантовий біт або кубіт (CUE-біти).
Кубіти здатні представляти різні властивості одночасно. Це називається квантова суперпозиція. Тобто один кубіт може одночасно мати значення як 1, так і 0.
Восьми бітів достатньо, щоб класичний комп’ютер представляв будь-яке число від 0 до 255. Наприклад, «1» у 8-бітній системі буде 00000001, а «3» – 00000011.
Але восьми кубітів достатньо, щоб квантовий комп’ютер представляв кожне число від 0 до 255 одночасно. Кілька сотень заплутаних кубітів було досить, щоб представити більше чисел, ніж атомів у Всесвіті.
У такий спосіб квантові комп’ютери мають перевагу над класичними. У ситуаціях, коли існує велика кількість можливих комбінацій, квантові комп’ютери можуть розглядати їх одночасно. Це значно прискорює розв’язання задач. Спроби знайти прості множники дуже великого числа або найкращий маршрут між двома місцями будуть займати в сотні тисяч разів менше від секунди. Фантастика?
Квантовий комп’ютер – давно не фантастика
Наприкінці 2001 року IBM заявила про успішне тестування 7-кубітного квантового комп’ютера, реалізованого за допомогою ядерного магнітного резонансу. З цього моменту у світі розпочалися «квантові перегони».
У жовтні 2019 року компанія Google заявила, що їй вдалося побудувати 53-кубітний квантовий процесор Sycamore та продемонструвати «квантову перевагу» над звичайними комп’ютерами. Через рік дослідники з Науково-технічного університету Китаю опублікували статтю, у якій стверджується, що їхній квантовий комп’ютер Jiuzhang зміг досягти квантової переваги. Йому за кілька хвилин вдалося провести операцію, яка традиційним способом розв’язувалася б близько двох мільярдів років.
Наприкінці 2021 року компанія IBM представила свій новий квантовий процесор, який дістав назву Eagle. У нового чипа 127 кубів, що вдвічі перевищує попередні квантові процесори IBM.
Наразі квантовий комп’ютер IBM ‘Q System One встановлений у Німеччині, що дозволяє говорити про «комп’ютерний суверенітет держави».
Сьогодні IBM Quantum виробляє реальне квантове обладнання, яке вже доступне тисячам розробникам. Про це тільки почали замислюватися інженери 30 років тому. Наразі команда IBM Quantum постачає все потужніші надпровідні квантові процесори через регулярні проміжки часу, нарощуючи швидкість і потужність квантових обчислень.
Квантові комп’ютери – це елегантні машини. Вони менші за розміром і потребують менше енергії, ніж суперкомп’ютери. Процесор IBM Quantum – це пластина, не набагато більша за ту, яку можна знайти в ноутбуці. А квантова апаратна система розміром з автомобіль, складається здебільшого із систем охолодження, щоб підтримувати надпровідний процесор на наднизькій робочій температурі.
Квантові процесори IBM Quantum повинні бути дуже холодними – приблизно на соту долю градуса вище абсолютного нуля. У такому середовищі можливе функціонування надпровідників.
Надпровідники створені з певних матеріалів, які також дозволяють електронам рухатися крізь них без опору. Уявіть собі електрон, який стоїть за стіною. Йому не потрібно пробиватися крізь стіну, він може переміститися (телепортуватися) на її інший бік. Це називається квантовим тунелюванням.
Ці електрони, які пройшли через бар’єр, утворюють кубіти. Як ми вже зазначили, вони перебувають у суперпозиції, тобто мають властивості 0 і 1. Їхню поведінку можна змінювати за допомогою фотонів. Тобто коли ми фотоном «обстрілюємо» кубіт, то виступаємо в ролі «спостерігача», який змушує кубіт «покинути» суперпозицію і прийняти те або інше значення – стати або 0, або 1.
Таким способом можна зчитувати, змінювати або утримувати квантову інформацію.
Групи кубітів створюють багатовимірний обчислювальний простір, де тисячі задач розв’язуються одночасно.
Взаємодіють між собою кубіти за допомогою квантової заплутаності, тобто зміни в одному кубіті безпосередньо впливають на інший. Квантові алгоритми використовують ці відносини, щоб знайти швидке розв’язання складних проблем.
Багато хто пам’ятає просту задачку з інформатики:
На березі річки стоїть селянин із човном, а поруч із ним перебувають вовк, коза та капуста.
Селянин повинен переправитися сам і перевезти вовка, козу та капусту на інший берег. Однак у човен, окрім селянина, поміщається або лише вовк, або лише коза, або лише капуста.
Залишати вовка з козою або козу з капустою без нагляду не можна: вовк може з’їсти козу, а коза – капусту.
У нас існують два правильних алгоритми розв’язання цієї задачі. Водночас, щоб знайти їх, потрібно виконати послідовно певну кількість дій та ще шлях пошуку правильної відповіді буде мати помилки. Якщо комп’ютер послідовно виконуватиме спочатку один, потім другий, потім третій алгоритм, поки не знайде правильний, то квантовий комп’ютер усі дії буде виконувати одночасно.
Де можна використати квантовий комп’ютер?
Наразі з багатьма задачами чудово справляється суперкомп’ютер. Водночас уявімо ситуацію, коли нам потрібно сортувати величезну базу білкових послідовностей. Білки – це складні послідовності амінокислот, які складаються в складні форми та стають біологічними машинами. Чим більше амінокислот, тим складніше обчислити всі можливі способи утворення білка. Ланцюг зі 100 амінокислот теоретично може складатися будь-яким із багатьох трильйонів способів. Жоден суперкомп’ютер не має стільки робочої пам’яті для оброблення всіх можливих варіантів. Квантовий комп’ютер із цією задачею може справитися.
Це може стати проривом у мікробіології, оскільки дозволить зрозуміти не тільки те, як будуть розвиватися живі організми з кардинальними змінами на молекулярному рівні, але і швидше знаходити ліки проти хвороб, досліджувати віруси та його майбутні мутації тощо.
Ще практичніший приклад. Квантовий комп’ютер може розв’язати проблему заторів у місті з багатомільйонним населенням або дати варіанти побудови найкращої міської інфраструктури з погляду найкращого співіснування людей та природи. Також він може здійснювати фінансові моделювання, складати прогнози погоди, досліджувати можливості нових енергетичних ресурсів тощо. Це відповідає на запитання, чому зараз ним бажають володіти держави світу.
Якщо залишити позаду весь ажіотаж, то потрібно зрозуміти, що квантові комп’ютери потребують нової мови програмування. Вона не вимагає тривалого перенавчання чи нового розуміння кодування, але все одно вводить користувача в нову і складну обчислювальну парадигму, яка потребує підготовки.
Наразі квантові комп’ютери дуже чутливі: тепло, електромагнітні поля та зіткнення з молекулами повітря можуть призвести до втрати квантових властивостей кубіта. Цей процес, відомий як квантова декогеренція, викликає збій системи, і це відбувається швидше, чим більше частинок залучено.
Квантові комп’ютери повинні захищати кубіти від зовнішнього впливу, фізично ізолюючи їх, зберігаючи їх прохолодними. Будь-який збій у системі «життєдіяльності» – починай налаштовувати й обчислювати все заново.
Для виправлення помилок, які проникають у систему, необхідні додаткові кубіти, а отже й додаткові квантові комп’ютери з додатковими системами захисту від навколишніх впливів.
Загалом це всього-на-всього нюанси. З часом система буде ставати дедалі складнішою і продуманою, а людство матиме змогу розв’язувати багатовікові проблеми за лічені хвилини.
