Квантовые компьютеры

О квантовых компьютерах говорят уже несколько лет: его, например, ставили на обложку журнала Time. Если такие компьютеры появятся, это будет прорыв сродни появлению классических компьютеров — а то и серьёзнее.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер — это механизм на стыке компьютерных наук и квантовой физики, самого сложного раздела теоретической физики. Ричард Фейнман, один из крупнейших физиков XX века, как-то сказал: «Если вы думаете, что понимаете квантовую физику, значит, вы её не понимаете». Поэтому учтите, что последующие объяснения — невероятно упрощённые. На то, чтобы разобраться в квантовой физике, люди тратят долгие годы.

Квантовая физика занимается элементарными частицами меньше атома. То, как эти частицы устроены и как они себя ведут, противоречит многим нашим представлениям о Вселенной. Квантовая частица может находиться в нескольких местах одновременно — и в нескольких состояниях одновременно. Представьте, что вы подкинули монету: пока она находится в воздухе, вы не можете сказать, выпадет орёл или решка; эта монета — как бы орёл и решка одновременно. Примерно так ведут себя квантовые частицы. Это называется принципом суперпозиции.

Квантовый компьютер — это пока ещё гипотетическое устройство, которое будет использовать принцип суперпозиции (и другие квантовые свойства) для вычислений. Обычный компьютер работает с помощью транзисторов, которые воспринимают любую информацию как нули и единицы. Бинарным кодом можно описать весь мир — и решать любые задачи внутри него. Квантовый аналог классического бита называется кубит. Используя принцип суперпозиции, кубит может одновременно находиться в состоянии 0 и 1 — и это не только значительно увеличит мощность по сравнению с традиционными компьютерами, но и позволит решать неожиданные задачи, на которые обычные компьютеры не способны.

Принцип суперпозиции — единственное, на чём будут основаны квантовые компьютеры?

Нет. Из-за того, что квантовые компьютеры существуют только в теории, учёные пока только предполагают, как именно они будут работать. Например, считается, что в квантовых компьютерах также будут применять квантовую запутанность. 

Это феномен, который Альберт Эйнштейн называл «жутким» (он вообще был против квантовой теории, потому что она не сочетается с его теорией относительности). Смысл феномена в том, что две частицы во Вселенной могут оказаться взаимосвязанными, причём обратно: скажем, если спиральность (есть такая характеристика состояния элементарных частиц, не будем вдаваться в подробности) первой частицы положительная, то спиральность второй всегда будет отрицательной, и наоборот. «Жутким» этот феномен называют по двум причинам. Во-первых, эта связь работает моментально, быстрее скорости света. Во-вторых, запутанные частицы могут находиться на любом расстоянии друг от друга: например, на разных концах Млечного Пути.

Как можно использовать квантовый компьютер?

Учёные ищут квантовым компьютерам применение и одновременно разбираются, как их построить. Главное — то, что квантовый компьютер сможет очень быстро оптимизировать информацию и вообще работать с большими данными, которые мы накапливаем, но пока не понимаем, как использовать.

Давайте представим такой вариант: вы собираетесь стрелять из лука в мишень и вам нужно высчитать, насколько высоко целиться, чтобы попасть. Скажем, нужно просчитать высоту от 0 до 100 см. Обычный компьютер будет высчитывать каждую траекторию по очереди: сначала 0 см, потом 1 см, потом 2 см и так далее. Квантовый же компьютер просчитает все варианты одновременно — и моментально выдаст тот, который позволит вам попасть ровно в цель. Таким образом можно оптимизировать много процессов: от медицины (скажем, раньше диагностировать рак) до авиации (например, делать более сложные автопилоты).

Ещё есть версия, что такой компьютер сможет решать задачи, на которые обычный компьютер просто не способен — или которые заняли бы у него тысячи лет вычислений. Квантовый компьютер сможет работать со сложнейшими симуляциями: например, высчитать, есть ли во Вселенной разумные существа, кроме людей. Не исключено, что создание квантовых компьютеров приведёт к появлению искусственного интеллекта. Представьте, что с нашим миром сделало появление обычных компьютеров — квантовые компьютеры могут стать примерно таким же прорывом.

Кто занимается разработкой квантовых компьютеров?

Все. Правительства, военные, технологические компании. Создать квантовый компьютер будет выгодно практически кому угодно. Скажем, среди документов, обнародованных Эдвардом Сноуденом, была информация о том, что у АНБ есть проект «Внедрение в сложные цели», куда входит создание квантового компьютера для шифрования информации. Microsoft всерьёз занимаются квантовыми компьютерами — первые исследования в этой области они начали ещё в 2007 году. IBM ведут разработки и несколько лет назад заявили, что создали чип с тремя кубитами. Наконец, Google и NASA сотрудничают с компанией D-Wave, которая заявляет, что уже сейчас выпускает «первый коммерческий квантовый процессор».

Насколько мы близки к созданию квантового компьютера?

Никто не может сказать точно. Новости о прорывах в технологиях  появляются постоянно, но мы можем быть как очень далеки от полноценного квантового компьютера, так и очень близки к нему. Скажем, есть исследования, говорящие о том, что достаточно создать компьютер всего c несколькими сотнями кубитов, чтобы он работал как полноценный квантовый компьютер. Так или иначе, сейчас у квантовых компьютеров существует одна главная проблема — ошибки. Любые компьютеры совершают ошибки, но классические умеют с ними легко справляться — а вот квантовые ещё нет. Как только исследователи разберутся с ошибками, до появления квантового компьютера останется всего несколько лет.

Что затрудняет исправление ошибок в квантовых компьютерах?

Если упрощать, ошибки в квантовых компьютерах можно разделить на два уровня. Первый — это ошибки, которые совершают любые компьютеры, в том числе классические. В памяти компьютера может появиться ошибка, когда 0 непроизвольно меняется на 1 из-за внешнего шума — например, космических лучей или радиации. Эти ошибки решить легко, все данные проверяют на предмет таких перемен. И с этой проблемой в квантовых компьютерах как раз недавно справились в Google: они стабилизировали цепочку из девяти кубитов и избавили её от ошибок. В этом прорыве есть, впрочем, один нюанс: Google справились с классическими ошибками в классических вычислениях. Есть второй уровень ошибок в квантовых компьютерах, и его гораздо сложнее понять и объяснить.

Кубиты крайне нестабильны, они подвержены квантовой декогеренции — это нарушение связи внутри квантовой системы под воздействием окружающей среды. Квантовый процессор нужно максимально изолировать от окружающего воздействия (хотя декогеренция происходит иногда и в результате внутренних процессов), чтобы свести ошибки к минимуму. При этом от квантовых ошибок невозможно избавиться полностью, — но если сделать их достаточно редкими, квантовый компьютер сможет работать. При этом некоторые исследователи считают, что 99% мощности такого компьютера как раз направят на устранение ошибок, но и оставшегося 1% хватит для решения любых задач.