Квантовый компьютер: объясняем, как он работает, и рассказываем о его преимуществах
Квантовый компьютер давно не является выдумкой фантастов. В настоящее время компании и исследовательские центры стран мира борются за то, чтобы создать самый мощный квантовый компьютер. Его возможности поражают. Он позволяет вычислять операции, на которые раньше тратились бы миллионы лет.
Как работает эта чудо-машина и как она может помочь человечеству? Рассказываем в материале.
Что такое квантовый компьютер?
Квантовые компьютеры – это машины, использующие свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений.
Классические компьютеры, к которым относятся смартфоны и ноутбуки, кодируют информацию в бинарной системе, то есть битах – там могут быть 0 или 1. В квантовом компьютере основной единицей памяти является квантовый бит или кубит (CUE-биты).
Кубиты создаются с помощью физических систем, таких как спин электрона или ориентация фотона. Эти системы могут одновременно находиться в квантовой суперпозиции. Также кубиты могут быть неразрывно связаны между собой посредством явления, которое называется квантовой запутанностью. Результатом является то, что серия кубитов одновременно может представлять разные свойства. Один кубит может иметь значение как 1, так и 0 одновременно.
Восьми битов достаточно, чтобы классический компьютер представлял любое число от 0 до 255. Например, 1 в 8-битной системе будет 00000001, а 3 – 00000011.
Восьми кубитов достаточно, чтобы квантовый компьютер представлял каждое число от 0 до 255 одновременно. Несколько сотен запутанных кубитов достаточно, чтобы представить большее число, чем атомов во Вселенной.
Таким образом, квантовые компьютеры получают преимущество над классическими. В ситуациях, когда существует множество возможных комбинаций, квантовые компьютеры могут рассматривать их одновременно. Это значительно ускоряет решение задач. Попытки найти простые множители очень большого числа или самый лучший маршрут между двумя местами будут занимать в сотни тысяч раз меньше секунды. Фантастика?
Квантовый компьютер давно не фантастика
В конце 2001 года IBM заявила об успешном тестировании 7-кубитного квантового компьютера, реализуемого с помощью ядерного магнитного резонанса. С этого момента в мире началась «квантовая гонка».
В октябре 2019 года Google заявила, что ей удалось построить 53-кубитный квантовый процессор Sycamore и продемонстрировать «квантовое преимущество» над обычными компьютерами. Год спустя исследователи из Научно-технического университета Китая опубликовали статью. В ней утверждается, что их квантовый компьютер Jiuzhang смог достичь квантового преимущества. Через несколько минут ему удалось провести операцию, которая традиционным способом решалась бы около двух миллиардов лет.
В конце 2021 года IBM представила свой новый квантовый процессор, получивший название Eagle. У нового чипа 127 кубов, что в два раза превышает предыдущие квантовые процессоры IBM.
В настоящее время квантовый компьютер IBM ‘Q System One установлен в Германии, что позволяет говорить о «компьютерном суверенитете государства».
Сегодня IBM Quantum производит реальное квантовое оборудование, уже доступное тысячам разработчикам. Инженеры начали задумываться об этом 30 лет тому назад. В настоящее время команда IBM Quantum снабжает все более мощными сверхпроводящими квантовыми процессорами через регулярные промежутки времени, наращивая скорость и мощность квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры – это элегантные машины. Они меньше по размеру и требуют меньше энергии, чем суперкомпьютеры. Процессор IBM Quantum – это пластина, ненамного больше той, которую можно найти в ноутбуке. Квантовая аппаратная система размером с автомобиль состоит в основном из систем охлаждения, чтобы поддерживать сверхпроводящий процессор на сверхнизкой рабочей температуре.
Для этого используются сверхтечные жидкости. В условиях снижения температуры до абсолютного нуля (термодинамическая фаза) вещество в особом состоянии (квантовой жидкости) приобретает способность протекать через узкие щели и капилляры без трения. Это и называют сверхтекучестью.
В обычных проводниках электроны наталкиваются на атомы кристаллической решетки и теряют энергию. По этой причине наши электронные устройства нагреваются. Электроны в сверхтекучих жидкостях, грубо говоря, «обходят» атомы, а потому позволяют поддерживать сверхнизкие температуры.
Квантовые процессоры IBM Quantum должны быть очень холодными – примерно на сотую долю градуса выше абсолютного нуля. В такой среде возможно функционирование сверхпроводников.
Сверхпроводники созданы из определенных материалов, которые позволяют электронам двигаться сквозь них без сопротивления. Когда электроны «проходят» через сверхпроводники, они образуют «куперовские пары». Эти пары могут переносить заряд через атомные барьеры посредством процесса, известного как квантовое туннелирование.
Куперовские пары, прошедшие через барьер, образуют кубиты. Как мы уже отметили, они находятся в суперпозиции, то есть обладают свойствами и 0, и 1. Их поведение можно изменять с помощью фотонов. Когда мы «обстреливаем» кубит фотоном, то выступаем в роли «наблюдателя». Он заставляет кубит «оставить» суперпозицию и принять то или иное значение.
Так квантовую информацию можно считывать, изменять или хранить.
Группы кубитов создают многомерное вычислительное пространство, где тысячи задач решаются одновременно.
Кубиты взаимодействуют между собой с помощью квантовой запутанности. Изменения в одном кубите непосредственно влияют на другой. Квантовые алгоритмы используют эти отношения, чтобы найти быстрое решение сложных проблем.
Многие помнят простую задачку по информатике:
На берегу реки стоит крестьянин с лодкой, рядом с ним находятся волк, коза и капуста.
Крестьянин должен переправиться сам и перевезти волка, козу и капусту на другой берег. Однако в лодку кроме крестьянина помещается либо только волк, либо только коза, либо только капуста.
Оставлять волка с козой или козу с капустой без присмотра нельзя: волк может съесть козу, а коза – капусту.
У нас есть два правильных алгоритма решения этой задачи. Чтобы найти их, нужно выполнить последовательно определенное количество действий. Путь поиска правильного ответа будет содержать ошибки. Если компьютер будет последовательно выполнять сначала один, затем второй, затем третий алгоритм, пока не найдет правильный, то квантовый компьютер будет выполнять все действия одновременно.
Где можно использовать квантовый компьютер?
Сейчас со многими задачами отлично справляется суперкомпьютер. Давайте представим ситуацию, когда нам нужно сортировать огромную базу белковых последовательностей. Белки – это сложные последовательности аминокислот, которые складываются в сложные формы и становятся биологическими машинами. Чем больше аминокислот, тем сложнее вычислить все возможные способы образования белка. Цепь из 100 аминокислот теоретически может состоять любым из многих триллионов способов. Ни один суперкомпьютер не имеет столько рабочей памяти для обработки всех возможных вариантов. Квантовый компьютер может справиться с этой задачей.
Это может стать прорывом в микробиологии, поскольку позволит понять не только то, как будут развиваться живые организмы с кардинальными изменениями на молекулярном уровне. Это позволит быстрее находить лекарства от болезней, исследовать вирусы и его будущие мутации и прочее.
Еще более практичный пример. Квантовый компьютер может решить проблему пробок в городе со многомиллионным населением или дать варианты построения лучшей городской инфраструктуры с точки зрения лучшего сосуществования людей и природы. Также он может осуществлять финансовое моделирование, составлять прогнозы погоды, исследовать возможности новых энергетических ресурсов и другое. Это отвечает на вопрос, почему сейчас государства мира желают владеть им.
Если оставить позади весь ажиотаж, можно понять, что квантовые компьютеры требуют нового языка программирования. Они не требуют длительного переобучения или нового понимания кодирования, но все равно вводят пользователя в новую и сложную вычислительную парадигму, требующую подготовки.
В настоящее время квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к потере квантовых свойств кубита. Процесс, известный как квантовая декогеренция, вызывает сбой системы: чем больше частиц вовлечено, тем быстрее это происходит.
Квантовые компьютеры должны защищать кубиты от внешнего воздействия, физически изолируя их, сохраняя их прохладными. Любой сбой в системе «жизнедеятельности» – начинай настраивать и вычислять все заново.
Для исправления ошибок, проникающих в систему, необходимы дополнительные кубиты, а следовательно, и дополнительные квантовые компьютеры с дополнительными системами защиты от окружающих воздействий.
Это всего-навсего нюансы. Со временем система будет становиться все сложнее и продуманнее, а человечество получит возможность решать многовековые проблемы в считанные минуты.
