Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?

Пятьдесят лет назад смартфоны показались бы совершенно волшебными компьютерами. Точно так же, как классические компьютеры были почти невообразимы для предыдущих поколений, сегодня мы сталкиваемся с рождением совершенно нового типа вычислений: чего-то настолько мистического, что его можно назвать волшебным. Это квантовые компьютеры. Если слово «квантовый»  вам незнакомо, вы не одиноки. Этот очень холодный, маленький, чувствительный и очень странный мир может показаться сомнительной системой, на которой предлагается построить коммерческую вычислительную машину, но это именно то, над чем работают IBM, Google, Rigetti Computing и другие компании.

В январе на CES в рамках инициативы IBM Q показали System One (см. выше): ослепительную, изящную и похожую на люстру машину, которая стала первой интегрированной универсальной системой квантовых вычислений для коммерческого использования, с которой мог поиграть каждый.

О потенциале квантовых компьютерах слышал, наверное, каждый: свойства квантовой физики открывают массивно параллельные схемы вычислений, которые, вероятно, обеспечат огромные скачки вычислительной мощности и опередят любые транзисторные суперкомпьютеры, с которыми мы можем столкнуться — сегодня и завтра. Они произведут революцию в области химии, фармацевтики, материаловедения и машинного обучения.

Но что именно делает квантовые компьютеры такими мощными? Давайте разбираться.

Для начала вспомним, как работают квантовые компьютеры.

Секрет их мастерства в том, что они манипулируют кубитами. Все, что обрабатывает классический компьютер — текст, изображения, видео и так далее — состоит из длинных строк нулей и единиц, или битов. По своей сути бит представляет одно состояние из двух: вкл/выкл, либо подключена электрическая цепь, либо нет. В современных компьютерах бит обычно представлен электрическим напряжением или импульсом тока.

Квантовые компьютеры, напротив, полагаются на кубиты. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Неудивительно, что манипуляции кубитами представляют сложную научную и инженерную задачу. IBM, например, использует несколько слоев сверхпроводящих цепей, которые находятся в контролируемой среде и постепенно охлаждаются до температур, которые ниже, чем глубокий космос — около абсолютного нуля.

Поскольку кубиты обитают в квантовой реальности, у них есть удивительные квантовые свойства.
 

Если бит представить как монету с орлом (0) или решкой (1), кубиты будут представлены вращающейся монетой: в некотором смысле, они одновременно и орлы, и решки, причем каждое состояние имеет определенную вероятность. Ученые используют калиброванные микроволновые импульсы, чтобы помещать кубиты в суперпозицию; точно так же другие частоты и длительность этих импульсов может переворачивать кубит так, чтобы он находился немного в другом состоянии (но все еще в суперпозиции).

Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ.

Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии. Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера.

Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга (действуют конструктивно), иногда гасят (деструктивно). Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы.
 

Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей (0) и единиц (1).

Непонятно? Перечитайте еще раз.

Звучит сложно, но поскольку все термины мы уже разобрали, понять можно.

Как и в случае с классическим программированием, ученые разрабатывают языки ассемблера низкого уровня, которые машина понимает лучше, чтобы перейти от них к языкам высокого уровня и графическим интерфейсам, более подходящим для человеческого разума. IBM Qiskit, например, позволяет экспериментаторам создавать задачи и перетаскивать логические элементы.
 

Почему же квантовые компьютеры еще не продаются на каждом углу? В некотором смысле, ученые пытаются построить совершенные машины из несовершенных частей. Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к возмущениям, шуму и другим воздействиям окружающей среды, которые заставляют их квантовое состояние колебаться и исчезать. Этот эффект называется декогеренцией.

Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления. Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд.

Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее. Отказоустойчивость тщательно исследуется в области квантовых вычислений: по логике, добавление кубитов может компенсировать некоторые проблемы, но для создания единого, надежного кубита для переноса данных потребутся миллионы корректирующих ошибки кубитов. А у нас их сегодня не больше 128. Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются.
 

Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так.

Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура.

Точно так же квантовые вычисления могут перевернуть область материаловедения или передачи информации. Благодаря запутанности, кубиты, физические разделенные большим расстоянием, могут создать канал для передачи информации, который с научной точки зрения будет безопаснее наших существующих каналов. Квантовый интернет вполне осуществим.

Но самое интересное вот что: мы даже не знаем всего разнообразия удивительных вопросов, которые могут попытаться решить квантовые компьютеры. Просто имея коммерческий квантовый компьютер и позволяя людям с ним работать, мы могли бы наметить новые интересные области, подходящие для этой потрясающей новой технологии.