О квантовых компьютерах мы слышим как минимум несколько лет. Но что это такое? Для чего нужен квантовый компьютер? Сегодня обо всем этом простыми словами.
Квантовый компьютер – это изобретение, на которое многие исследователи возлагают большие надежды, ожидая, что он положительно повлияет на развитие науки. Однако понять, как работает квантовая физика, очень сложно. Некоторые физики даже сомневаются, следует ли так называть нынешние “квантовые компьютеры”. Самым большим препятствием в использовании квантовых вычислений является большое количество ошибок, на которые влияют даже малейшие изменения в среде квантовых машин. Сейчас нам еще не удалось полностью удовлетворительно использовать возможности квантовых битов. Сегодня попробуем выяснить, что особенного в этих самых квантовых битах?
Существуют ли квантовые компьютеры?
Сущность любого настоящего ученого в том, чтобы не доверять и все время проверять. Именно эти слова я запомнил еще студентом. И не один раз убедился в правильности этой фразы. Это касается и “квантовых компьютеров”. Почему я взял в кавычки название этих компьютеров? Давайте выясним.
Квантовые компьютеры – очень сложная тема, но я постараюсь сделать ее как можно проще и доступно о них рассказать. Даже сегодня ученые, физики и инженеры могут обсуждать такой, казалось бы, простой вопрос, существует ли где-то в мире рабочий квантовый компьютер. “Но как же, ведь такие компании, как IBM, хвастаются своими квантовыми компьютерами!» – кто-то может сказать. И он будет прав. Остается открытым вопрос, создала ли IBM действительно квантовый компьютер, или просто назвала устройство “квантовым компьютером”.
Когда меня кто-то из друзей просит простыми словами объяснить, чем квантовые компьютеры отличаются от привычных нам компьютеров, то я, как правило, использую простое сравнение. Если наши классические компьютеры (такие как ПК, ноутбуки и смартфоны) – это свечи, то квантовые компьютеры – это лампочки. Назначение обоих одинаковое – для ламп накаливания и свечей это излучение света, а для компьютеров – проведение расчетов. Однако в обоих случаях цель достигается совсем иначе и результат другой. Простыми словами, квантовый компьютер – это не просто усовершенствованная версия современных компьютеров, как и лампочка – это не просто более мощная свеча. Вы не можете создать лампочку, делая свечи все лучше и лучше. Лампочка – это другая технология, основана на более глубоком научном понимании. Так же и квантовый компьютер – это новый тип устройств, основанный на квантовой физике, и так же, как лампочка изменила общество, квантовые компьютеры могут повлиять на многие аспекты нашей жизни, включая сферу безопасности, здравохранение и даже Интернет.
Поэтому, если продолжить сравнение компьютеров с лампочками, то “квантовый Джозеф Свон” (автор первой функционирующей лампочки накаливания) еще не появился, и пока наука пытается, образно говоря, сделать “что-то красное и горячее”, проверяя, насколько сильно оно светится. Мы знаем некоторые теоретические основы работы квантовых компьютеров, но на пути их развития существуют огромные препятствия, которые еще ждут своего решения.
Исследовательские центры и компании со всего мира проводят дальнейшие испытания и исследования, и специалисты в области квантовой физики сходятся во мнении, что до создания полноценно функционирующих квантовых машин, которые мы сможем использовать для достижения целей, которые на данном этапе невозможно достичь, пройдут, очевидно, десятки лет.
Я считаю, и со мной согласятся многие ученые, что машины, которые в настоящее время называются квантовыми компьютерами, совсем не заслуживают такого названия. Им не хватает возможности выполнять вычисления или решать проблемы, которые мы не можем решить обычным, классическим способом.
Мы еще не достигли такой степени своего технологического развития, чтобы иметь возможность создать квантовую машину, которая решит задачи, пока недоступные для классических компьютеров. Конечно, Google или IBM говорят о тех или иных произведенных вычислениях, которые трудно было бы сделать классическим способом, но на данный момент они не убедительны.
Читайте также: Китай тоже рвется осваивать космос. И как у них дела?
Что такое квант?
Что вообще такое “квант”? Это не физический объект. Термин “квант” используется в физике для описания наименьшей доли чего-то. То есть, вы можете иметь «квант силы», «квант времени» или «квант частицы». Идя по этому пути, мы дойдем до таких терминов, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть отраслей науки, занимающихся наименьшими возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов или даже отдельных кварков.
И вот мы дошли до кубита (квантового бита), то есть к «маленькой и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы также подходим к первой точке, которая рассказывает нам о сходстве и различии в том, как классические компьютеры (с помощью битов) и квантовые компьютеры (с помощью кубитов) выполняют вычисления.
В классических компьютерах каждая информация сохраняется как последовательность единиц и нулей. Такая информация воспринимается и интерпретируется компьютером, консолью, смартфоном, умными часами или смарт-телевизором, подобно операциям, выполняемым над этой информацией. Независимо от того, просматриваем ли мы фотографии из отпуска, общаемся с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем расширенные криптографические расчеты – все происходит в двоичной системе, где есть 0 или 1 и ничего другого. На самом деле, это больше похоже на классическое “да” или “нет”.
Насколько не эффективна эта система, становится видно, когда мы подходим к ее границам. И независимо от того, хватает ли нам места на смартфоне для очередного селфи, или же ученые пытаются создать математические модели развития пандемии, проблема заключается в том, что слишком много нулей и единиц, и ресурсов для их хранения и мощностей для их вычисления нет.
Кубит решает эту проблему. Эта часть информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ей оставаться в так называемой суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1. Он обладает свойствами всего спектра и может иметь значение, например, на 15 процентов ноль и на 85 процентов один. Теоретически это позволяет сохранить гораздо больше информации, или ускорить вычисления. Но при этом также возникает масса проблем, которые трудно контролировать и даже понять.
Еще одной особенностью квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительный прирост мощности, является использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены между собой, и каждый раз, когда мы наблюдаем один из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет сгруппировать кубиты в еще более эффективные единицы для записи и обработки информации.
Читайте также: Кто такие биохакеры и зачем они добровольно чипируют себя
Квантовое оборудование
Квантовый компьютер состоит из трех основных частей: области для хранения кубитов, методов передачи сигналов кубитам и классического компьютера для запуска программы и передачи инструкций.
Квантовый материал, который образуют кубиты, является деликатным и очень чувствительным к воздействиям окружающей среды. Для некоторых методов хранения кубитов единица, которая содержит кубиты, содержится при температуре, близкой к абсолютному нулю, чтобы максимизировать их согласованность. Другие типы хранилищ кубитов используют вакуумную камеру для минимизации вибрации и стабилизации кубитов.
Существуют различные методы передачи сигналов кубитам, например микроволны, лазер и электрическое напряжение.
Чтобы наладить нормальную работу квантовых компьютеров, нужно решить много проблем. Существенной проблемой квантовых компьютеров является возникновение ошибок, а масштабирование (добавление большего количества кубитов) еще больше увеличивает частоту их появления. Из-за этих проблем квантовый персональный компьютер на вашем столе все еще является картиной из далекого будущего, но коммерческие квантовые компьютеры могут стать доступными в ближайшее время. Об этом давайте более детально.
Проблемы квантовых компьютеров
Однако у квантовых компьютеров есть одна огромная проблема. То есть, ученые, работающие над их созданием, столкнулись с огромной проблемой с их использованием, поскольку особые свойства кубитов требуют предельно спокойной и стабильной среды для того, чтобы было возможно точно считывать любые данные с них. Каждое, даже малейшее нарушение, сделает невозможным точное считывание информации.
В случае с классическими компьютерами подобная проблема также играла важную роль в прошлом, но сегодня она уже настолько незначительна, что ее часто не замечают даже в академической науке. Мы говорим о частоте ошибок. Она является показателем, который определяет, какая часть битов или кубитов информации может быть повреждена. Это может произойти, например, в момент перенапряжения или других нарушений.
Для классических устройств вероятность ошибки составляет примерно один к 1017 бит. В случае с квантовыми компьютерами это все еще одна из нескольких сотен. И это в ситуации, когда квантовые компьютеры работают в максимально изолированных условиях и при температуре -272 градуса Цельсия, то есть чуть выше абсолютного нуля. Любые колебания температуры, изменение электромагнитного поля и даже движение разрушают весь расчет.
Другая проблема – “нестабильность” квантовых состояний. Каждый раз, когда мы измеряем квантовое состояние или хотим его нарушить, оно возвращается в одно из двух положений ноль-один. В таком случае квантовое состояние распадется. Этот процесс называется квантовой декогеренцией.
Представьте себе это так, что квантовый компьютер – это квалифицированный математик, выполняющий сложные вычисления, результаты которых находятся в пределах от 0 до 1 миллиона. Мы, в свою очередь, являемся ребенком, который только понимает, что чего-то может быть много или мало. Каждый раз, когда математик может иметь разные результаты, например, 356 670,23 или 1 846 662, согласно нашему пониманию мира каждый из этих результатов будет классифицирован как мало (0) или много (1), без определения конкретной разницы между ними. Это квантовая декогерентность. Единственный способ сделать правильный расчет – это гарантировать математику работу до ее окончания.
Читайте также: Чем на Марсе будут заниматься Perseverance и Ingenuity?
Для чего мы будем использовать квантовые компьютеры?
Сегодня стоит вопрос для чего можно использовать квантовые компьютеры, подобно тому, как 20 лет назад, для чего можно использовать смартфон. Конечно, уже есть некоторые планы и предположения, но самые интересные направления для использования кубитов, пожалуй, станут понятными, когда квантовые компьютеры получат широкое распространение.
Криптография – это одна из самых популярных сфер, где чаще всего пророчат использование квантовых вычислений. Дело в том, что благодаря квантовому компьютеру защита передачи информации выйдет на совершенно другой уровень, ведь безопасность здесь базируется не на сложности вычислительных процессов, а на законах физики. И это даст уверенность в том, что некоторые вещи просто невозможны, так, невозможно будет прослушивать, подглядывать, взламывать.
Безопасность в этом случае гарантируется физическими свойствами кубитов, которые, как я объяснял ранее, перестают проявлять особенности суперпозиции, как только за ними начинают наблюдать. Поэтому любая попытка перехватить или даже скопировать закодированное сообщение просто уничтожит его.
Квантовые компьютеры также могут позволить нам лучше понять природные процессы. “Хаос” суперпозиции гораздо лучше отражает способ, например, мутаций в ДНК, а следовательно, развитие болезней и эволюцию. Квантовые вычисления уже сегодня используются для создания новых препаратов.
Возможно, есть смысл говорить об использовании квантовых компьютеров для телепортации данных. Да, именно телепортации данных, а возможно, и человека. Мы сможем телепортировать информацию с места на место, не передавая ее физически. Это звучит как фантастика, хотя это возможно, поскольку эта изменчивость квантовых частиц может привести к запутыванию во времени и пространстве, так что изменение одной частицы может повлиять на другую, и это создает канал для телепортации. Это было продемонстрировано в лабораториях, и это может быть частью квантового Интернета будущего. У нас такой сети еще нет, но некоторые ученые уже работают над ее возможностью, моделируя квантовую сеть на квантовом компьютере. Они уже разработали и внедрили новые интересные протоколы, такие как телепортация информации между пользователями сети и эффективная передача данных, а также безопасное голосование.
Также следует сказать, что квантовые компьютеры должны использоваться для моделирования различных ситуаций и поиска решений сложных проблем, включая медикаменты и вакцины. Например, во время пандемий, подобных коронавирусу, когда требуется более быстрое вычисление и расчет вариантов. Вот здесь можно задействовать возможности квантового моделирования, которое невозможно выполнить на классическом компьютере. Когда возникает новое заболевание, процесс поиска лекарств занимает около 15 лет и может стоить до 2,6 млрд долларов. При некоторых заболеваниях необходимо фильтровать миллионы молекул, чтобы обнаружить лишь сотни перспективных людей, которые, вероятно, могут стать донорами. Затем во время испытаний около 99% молекул отпадает из-за, среди прочего, неправильного предсказания поведения и ограниченности выборки. Именно здесь на первый план вышли бы квантовые компьютеры.
И это все еще лишь некоторые из замечательных идей относительно того, чего можно достичь, используя квантовую физику. Сейчас нам в некоторой степени удается обуздать ее капризный характер, но все разработки пока на начальном уровне. До создания настоящего квантового компьютера и его массового применения еще довольно далеко, но прогресс не стоит на месте. Поэтому, возможно, уже через какие-то десять лет вы будете читать эту статью с помощью квантового компьютера и снисходительно улыбаться.
Читайте также: