Общедоступные квантовые компьютеры могут появиться уже через 10 лет. Смотрим, как они работают

Четыре десятилетия назад компьютерные инженеры выдвинули теорию, что механизмы квантовой физики можно использовать для создания нового типа компьютера — в разы мощнее, чем обычные машины.

Ряд прорывов сделал это доступным: инженеры демонстрируют машины, способные выполнять вычисления такой сложности, которая могла бы сбить с толку самые мощные суперкомпьютеры, пишет Bloomberg. Сейчас идет создание еще более сложных образцов, которые смогут точно моделировать поведение запутанных явлений реального мира. Они также помогут совершить прорыв в таких разнообразных областях, как разработка лекарств, финансовое моделирование и искусственный интеллект.

В чем привлекательность квантовых компьютеров?

Они могут делать то, чего не могут классические компьютеры. В апреле компания Google сообщила, что один из ее квантовых компьютеров за секунды решил проблему, на которую самому мощному суперкомпьютеру в мире понадобилось бы 47 лет.

Экспериментальным квантовым компьютерам обычно поручаются задачи, на выполнение которых обычному компьютеру потребовалось бы слишком много времени — например, моделирование взаимодействия сложных молекул для открытия лекарств. Их наибольший потенциал заключается в моделировании сложных систем, включающих большое количество движущихся частей, поведение которых меняется по мере их взаимодействия, например, в прогнозировании поведения финансовых рынков, оптимизации цепочек поставок и управлении большими языковыми моделями, используемыми в генеративном искусственном интеллекте.

Но не стоит ждать от них большой пользы в трудоемкой, но более простой работе, выполняемой большинством современных компьютеров — последовательной обработке более ограниченного числа изолированных входных данных в массовом масштабе.

Кто их строит?

Канадская компания D-Wave Systems Inc. стала первой, кто продал квантовые компьютеры для решения задач оптимизации в 2011 году. International Business Machines Corp., Google Alphabet Inc., Amazon Web Services и многочисленные стартапы тоже стали создавать работающие квантовые компьютеры. Совсем недавно такие компании, как Microsoft Corp., добились прогресса в создании масштабируемых и практичных квантовых суперкомпьютеров.

Корпорация Intel начала поставлять исследователям кремниевый квантовый чип с транзисторами, известными как кубиты (квантовые биты), которые в 1 миллион раз меньше, чем какие-либо другие типы. Microsoft и другие компании, включая стартап Universal Quantum, планируют создать квантовый суперкомпьютер в течение следующих десяти лет. Китай строит Национальную лабораторию квантовых информационных наук стоимостью 10 миллиардов долларов в рамках растущего интереса к данной отрасли.

Как работают квантовые компьютеры?

Они используют крошечные схемы для выполнения вычислений, как и традиционные компьютеры. Но они производят эти вычисления параллельно, а не последовательно, что и делает их такими быстрыми.

Обычные компьютеры обрабатывают информацию в единицах, называемых битами, которые могут представлять одно из двух возможных состояний — 0 или 1 — которые соответствуют тому, открыта или закрыта часть компьютерного чипа, называемая логическим вентилем. Прежде чем традиционный компьютер перейдет к обработке следующего фрагмента информации, он должен присвоить значение предыдущему фрагменту.

Напротив, благодаря вероятностному аспекту квантовой механики, кубитам в квантовых компьютерах не нужно присваивать значение до тех пор, пока компьютер не завершит все вычисления. Это известно как «суперпозиция».

Таким образом, в то время как три бита в обычном компьютере могут представлять только одну из восьми возможностей — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111, — квантовый компьютер из трёх кубитов может обрабатывать их все одновременно.

Квантовый компьютер с четырьмя кубитами теоретически может обрабатывать в 16 раз больше информации, чем обычный компьютер такого же размера, и его мощность будет удваиваться с каждым добавленным кубитом. Вот почему квантовый компьютер может обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классический компьютер.

Как квантовый компьютер получает результат?

При разработке стандартного компьютера инженеры тратят много времени, пытаясь гарантировать, что состояние каждого бита не зависит от состояний всех остальных битов. Но кубиты запутаны, то есть свойства одного из них зависят от свойств кубитов вокруг него. И это преимущество, так как информация может передаваться между кубитами быстрее, поскольку они работают совместно для достижения решения.

В ходе работы квантового алгоритма противоречивые (и, следовательно, неправильные) результаты кубитов компенсируют друг друга, в то время как совместимые (и, следовательно, вероятные) результаты усиливаются. Это явление, называемое когерентностью, позволяет компьютеру выдавать ответ, который он посчитает наиболее вероятным.

Как сделать кубит?

Теоретически для создания кубитов можно использовать все, что обладает квантово-механическими свойствами, которыми можно управлять. IBM, D-Wave и Google используют крошечные петли из сверхпроводящего провода. Другие используют полупроводники, а некоторые используют их комбинацию.

Некоторые ученые создали кубиты, манипулируя захваченными ионами, импульсами фотонов или спином электронов. Многие из этих подходов требуют очень специализированных условий, например, температур ниже, чем в глубоком космосе.

Сколько кубитов необходимо?

Много. Хотя кубиты могут обрабатывать экспоненциально больше информации, чем классические биты, их неопределённый характер делает их очень склонными к ошибкам. Ошибки проникают в расчеты кубитов, когда они теряют согласованность друг с другом.

За пределами лаборатории ученым удавалось поддерживать когерентность кубитов лишь в течение долей секунды — во многих случаях слишком короткий период времени для запуска всего алгоритма. Теоретики работают над разработкой алгоритмов, которые смогут исправить некоторые из этих ошибок. Но неизбежной частью исправления является добавление большего количества кубитов.

По оценкам ученых, компьютеру нужны миллионы, если не миллиарды, кубитов для надежного запуска программ, пригодных для коммерческого использования. Основная задача — собрать их достаточное количество вместе. По мере того, как компьютер становится больше в размерах, он излучает больше тепла, что повышает вероятность того, что кубиты потеряют когерентность.

Текущий рекорд по количеству подключенных кубитов составляет 1180, установленный калифорнийским стартапом Atom Computing в октябре 2023 года, что более чем вдвое превышает предыдущий рекорд в 433, установленный IBM в ноябре 2022 года.

Когда вы сможете получить свой квантовый компьютер?

Это зависит от того, для чего вы хотите его использовать. Учёные уже решают проблемы на машинах со 100 кубитами с помощью облачной IBM Quantum Platform, которую может опробовать широкая публика (при условии что вы знаете, как разрабатывать квантовый код).

Ученые стремятся создать так называемый «универсальный» квантовый компьютер, пригодный для коммерческого применения, уже в течение следующего десятилетия.

Одним из недостатков огромной способности квантовых компьютеров в решении проблем является их потенциал для взлома классических систем шифрования. Возможно, лучшим показателем того, насколько мы близки к квантовым вычислениям, является то, что правительства и корпорации вкладывают миллионы долларов в защиту устаревших вычислительных систем от взлома квантовыми машинами.

Перевод Станислава Прыгунова, специально для «БВ»