Квантовый компьютер

Что такое квантовый компьютер

Самый мощный квантовый компьютер (КК) является – или, скорее, был бы – совершенно иным механизмом, отличающимся от всех когда-либо созданных человеком. Мощнейшие сервера сегодня выглядят как лишь небольшая часть того, что в конечном итоге может сделать полноценный квантовый компьютер.

Простым языком, целью исследований в области квантовых вычислений является обнаружение средств ускорения выполнения длинных волн инструкций. Было бы неправильно сказать, что КК запускает программы быстрее, чем ПК или сервер x86. «Программа» для КК – это совершенно другой порядок кодировки, чем когда-либо существующий для двоичного процессора. После рождения компьютеров были выполнены сложные физические расчёты, которые в 1940-х годах помогли США создать атомную бомбу. После изобретения транзистора размеры этих систем были значительно уменьшены. Затем возникла идея о параллельных процессорах, работающих над задачами одновременно.

Квантовые вычисления – это просто следующий шаг. Есть очень много проблем, на решение которых современным компьютерам требуется значительное время, например, решение линейной системы уравнений, оптимизация параметров для опорных векторов, поиск кратчайшего пути через какой-либо произвольный участок или поиск по неструктурированному списку. Сейчас это довольно абстрактные проблемы, но, если вы немного разбираетесь в алгоритмах или программировании, вы можете увидеть, насколько это может быть полезно. В качестве примера, графические процессоры (GPU) были изобретены с единственной целью рендеринга треугольников и последующего их объединения в двух или трёхмерный мир. И теперь Nvidia – это компания на миллиард долларов. Существуют ли в настоящее время технологии квантовой вычислительной техники или какие-то её исторические производные, которым люди сейчас находят хорошее применение? Иными словами, что на самом деле делает квант и кому он служит напрямую?

Для чего нужен квантовый компьютер

Навигация. Это одна из основных сфер применения квантовых компьютеров. Система GPS не может работать везде на планете, особенно под водой. КК требует, чтобы атомы были переохлаждены и приостановлены в состоянии, которое делает их особенно чувствительными. В попытке извлечь выгоду из этого, конкурирующие команды учёных стремятся разработать своего рода квантовый акселерометр, который может дать очень точные данные о движении. Самые значительные вклады в развитие отрасли делает французская Лаборатория фотоники и нанонаук. Яркий тому пример – попытка создать гибридный компонент, который соединяет акселерометр с классическим, а затем использует фильтр верхних частот для вычитания классических данных из квантовых данных. Результатом, если он будет реализован, станет чрезвычайно точный компас, который устранит смещение и дрейф масштабного коэффициента, обычно связанные с гироскопическими компонентами.

Сейсмология. Та же самая чрезвычайная чувствительность может использоваться для обнаружения наличия нефтяных и газовых отложений, а также потенциальной сейсмической активности в местах, где обычные датчики до сих пор не использовались. В июле 2017 года QuantIC продемонстрировал, как квантовый гравиметр обнаруживает присутствие глубоко скрытых объектов путём измерения колебаний в гравитационном поле. Если такое устройство сделать не только практичным, но и портативным, команда считает, что оно может стать бесценным в системе раннего предупреждения для прогнозирования сейсмических событий и цунами. Фармацевтические препараты. На переднем плане исследования в области борьбы с такими болезнями, как болезнь Альцгеймера и рассеянный склероз; учёные используют программное обеспечение, моделирующее поведение искусственных антител на молекулярном уровне.

Физика. Это на самом деле причина самого существования концепции. Во время своего выступления в 1981 году в Калифорнийском технологическом институте профессор Ричард Фейнман, отец квантовой электродинамики (КЭД), предположил, что единственный способ построить успешную симуляцию физического мира на квантовом уровне – это машина, подчиняющаяся законам квантовой физики и механики. Именно во время этой речи профессор Фейнман объяснил, и весь остальной мир осознал, что компьютеру будет недостаточно генерировать таблицу вероятностей и как бы бросать кубики. Более того, для получения результатов, которые сами физики не назвали бы апокрифическими, потребовался бы механизм, который вёл себя в том же ключе, что и поведение, которое он намеревался имитировать.

Машинное обучение. Основная теория сторонников заключается в том, что такие системы могут быть приспособлены для «изучения» паттернов состояний в огромных параллельных волнах, а не в последовательных сканированиях. Обычная математика может описать множество вероятных результатов в виде векторов в дико-конфигурационном пространстве. Расшифровка. Вот, наконец, прорыв, который бросил первый яркий свет на такие вычисления. Что делает коды шифрования столь сложными даже для современных классических компьютеров, так это то, что они основаны на факторах чрезвычайно большого числа, требующих чрезмерного количества времени для угадывания методом подбора. Работающий КК должен изолировать и идентифицировать такие факторы в считанные минуты, что делает систему кодирования RSA эффективно устаревшей.

Шифрование. Концепция, называемая распределением квантовых ключей (QKD), даёт теоретическую надежду, что типы открытых и закрытых ключей, которые мы используем сегодня для шифрования сообщений, могут быть заменены ключами, которые подлежат эффекты запутанности. Теоретически, любое третье лицо, взломавшее ключ и попытавшееся прочитать сообщение, немедленно уничтожило бы сообщение для всех. Конечно, этого может быть достаточно. Но теория QKD основана на огромном допущении, которое ещё предстоит проверить в реальном мире: что значения, полученные с помощью запутанных кубитов, сами запутаны и подвержены эффектам, куда бы они ни направлялись.

Чем отличается квантовый компьютер от обычного

Классический компьютер выполняет вычисления, используя биты, которые равны 0 («выключено») и 1 («включено»). Он использует транзисторы для обработки информации в виде последовательностей нулей и так называемых компьютерных двоичных языков. Больше транзисторов, больше возможностей обработки – это основное отличие. КК использует законы квантовой механики. Так же, как классический компьютер, который использует нули и единицы. Эти состояния могут быть достигнуты в частицах благодаря их внутреннему угловому моменту, называемому спином. Два состояния 0 и 1 могут быть представлены в спине частицы. Например, вращение по часовой стрелке представляет 1, а против часовой стрелки представляет 0. Преимущество использования КК состоит в том, что частица может находиться в нескольких состояниях одновременно. Это явление называется суперпозицией. Из-за этого явления КК может одновременно достигать состояния 0 и 1. Таким образом, в классическом компьютере информация выражается через одно число 0 или 1. КК использует выходы, которые описываются как 0 и 1 одновременно, что даёт большую вычислительную мощность.

Принцип работы квантового компьютера

Начиная с 2018 года, принцип работы квантовых компьютеров все ещё находится в зачаточном состоянии, но были проведены эксперименты, в которых квантовые вычислительные операции выполнялись с очень небольшим числом квантовых битов. Продолжаются как практические, так и теоретические исследования, и многие национальные правительства и военные агентства финансируют исследования в области квантовых вычислений в дополнительных усилиях по разработке квантовых компьютеров для гражданских, деловых, торговых, экологических и национальных целей безопасности, таких как криптоанализ. Крупномасштабные квантовые компьютеры теоретически могли бы работать решать определённые проблемы гораздо быстрее, чем любые классические компьютеры, которые используют даже самые лучшие на сегодняшний день алгоритмы, такие как целочисленная факторизация с использованием алгоритма Шора (который является квантовым алгоритмом) и моделирование квантового множества тел системы.

Существуют квантовые действия, такие как алгоритм Саймона, которые работают быстрее, чем любой возможный вероятностный классический алгоритм. Классический компьютер может в принципе (с экспоненциальными ресурсами) моделировать квантовый алгоритм, поскольку квантовые вычисления не нарушают тезис Черча-Тьюринга. С другой стороны, квантовые компьютеры могут быть в состоянии эффективно решать проблемы, которые не практически возможно на классических компьютерах.

Квантовый компьютер. Революции быть?

Команда исследователей, возглавляемая директором Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC) профессором Мишель Симмонс, продемонстрировала, что они могут распространить свою технологию изготовления атомных кубитов на несколько слоев кристалла кремния — достигнув критического компонента архитектуры 3D-чипов, с точным выравниванием между слоями и высокоточным измерением спиновых состояний.

Профессор Мишель Симмонс впервые разработала мощную технологию для создания электронных устройств на кремнии с атомной точностью. Ее команда разработала первый в мире одноатомный транзистор, самые узкие в мире проводящие провода, и продемонстрировала способность кодировать информацию об отдельных атомах с рекордной точностью, спиновой релаксацией и когерентностью. Планирует к 2022 году разработать прототип квантовой интегральной микросхемы с 10 кубитами в кремнии. В настоящее время SQC имеет параллельные платформы для создания квантового компьютера на основе кремния с использованием атомно-сконструированных доноров фосфора, квантовых точек с использованием технологии CMOS и гибридов

Что ж это за зверь такой – квантовый компьютер?

Итак, в классических вычислениях бит — это единичная часть информации, которая может существовать в двух состояниях — 1 или 0. Вместо этого в квантовых вычислениях используются квантовые биты, или «кубиты». Это квантовые системы с двумя состояниями. Однако, в отличие от обычного бита, они могут хранить гораздо больше информации, чем просто 1 или 0, потому что они могут существовать в любой суперпозиции этих значений.

С мая 2017 года первая в Австралии компания по производству квантовых компьютеров Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC) работает над созданием и коммерциализацией квантового компьютера на основе набора интеллектуальной собственности, разработанной в CQC2T (Австралийского центра передовых технологий в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий) и используя свои разработки.

Квантовый компьютер IBM. Представляет собой огромный морозильник, который поддерживает температуру в устройстве 15 милликельвин (около абсолютных нулевых градусов и в 180 раз холоднее, чем температуры в межзвездном пространстве).
Электропроводка выполнена из сверхпроводящих коаксиальных кабелей. Входы на компьютеры представляют собой микроволновые импульсы, которые манипулируют частицами, создающими сигнал. Затем этот сигнал интерпретируется операторами компьютеров.

Исследователи CQC2T впервые показали, что они могут создавать кубиты атомной точности в трехмерном устройстве, что является важнейшим шагом на пути к универсальному квантовому компьютеру, сообщает sciencedaily.com со ссылкой на статью на сайт nature.com.

Реально, впервые была продемонстрирована архитектура, в которой используются кубиты атомного масштаба, выровненные по контрольным линиям, которые, по сути, являются очень узкими связями внутри трехмерного проекта.

Более того, команда смогла выровнять различные слои в своем трехмерном устройстве с точностью до нанометра — и показала, что они могут считывать состояния кубита за один раз, то есть за одно измерение, с очень высокой точностью воспроизведения.

«Эта трехмерная архитектура устройства является значительным достижением для атомных кубитов в кремнии», — говорит профессор Симмонс, — «чтобы иметь возможность постоянно исправлять ошибки в квантовых вычислениях, важная веха в нашей области, вы должны быть в состоянии контролировать много кубитов параллельно».

Трехмерная архитектура считается важным этапом в разработке концепции создания крупномасштабного квантового компьютера. Статья в Nature Nanotechnology описывает, как была построена вторая плоскость управления, а точнее следующий слой поверх первого слоя кубитов.

Раньше считалось, что это невозможно сделать, потому что поверхность второго слоя становится очень шероховатой. Команда Симмонс продемонстрировала, что они могут выровнять эти несколько слоев с точностью до нанометра.

«Если вы напишете что-нибудь на первом кремниевом слое, а затем наложите кремниевый слой сверху, вам все равно нужно будет указать свое местоположение, чтобы выровнять компоненты на обоих слоях. Мы показали методику, которая позволяет добиться выравнивания в пределах до 5 нанометров!» — делится Мишель Симмонс.

Стратегия Silicon Quantum Computing Pty Limited обеспечивает формирование полностью кристаллического транзистора с использованием только двух атомных частиц: фосфора и кремния.

Почему же новость о трехмерной архитектуре квантовых чипов — важное событие в области квантовых вычислений?

Уже давно Google, IBM и несколько стартапов стремятся создать суперкомпьютеры следующего поколения. Квантовые компьютеры, помогут решать такие проблемы, как моделирование сложных химических процессов.

Квантовый чип от Google

В настоящее время компании и исследователи используют несколько различных подходов, чтобы попытаться создать самые мощные компьютеры, которые когда-либо видел мир.

Квантовые вычисления используют странную способность субатомных частиц существовать в более чем одном состоянии в любое время. Благодаря тому, как ведут себя мельчайшие частицы, операции можно выполнять гораздо быстрее и использовать энергии меньше, чем потребляют классические компьютеры.

Каждый классический электронный компьютер использует естественное поведение электронов для получения результатов в соответствии с булевой логикой (для любых двух конкретных входных состояний — одно определенное выходное состояние). Здесь основной единицей транзакции является двоичная цифра («бит»), состояние которой равно 0 или 1. В обычном полупроводнике эти два состояния представлены уровнями низкого и высокого напряжения внутри транзисторов.

Квантовый чип из четырех кубитов, представленный IBM. Архитектура чипа: Q — обозначения сверхпроводящих кубитов Квантовый чип Intel

При изготовлении квантовых чипов используются то же оборудование, что и при выпуске обычных процессоров. В них вместо транзисторов используются кубиты, которые содержат по одному электрону каждый. Электрон, который может одновременно находиться во множестве спиновых состояний, обеспечивает больше вычислительной мощности, чем транзисторы, что и является основой квантовой вычислительной техники. Спин электрона — квантовая характеристика (собственный момент импульса), которая порождает дополнительный магнитный момент, то есть приводит к дополнительному взаимодействию (по сравнению с классической электродинамикой) с магнитным полем.

Кубиты необыкновенно малы — ловушки для электронов достигают всего 50 нм в ширину. Их можно рассмотреть только в электронный микроскоп. В диаметре одного человеческого волоса может поместиться 1,5 тыс. таких кубитов.

Вместо транзисторов квантовые вычисления получают свои кубиты, бомбардируя атомы электрическими полями под перпендикулярными углами друг к другу, в результате чего выстраиваемые ионы удобно и эквивалентно разделяют их. Когда эти ионы разделены достаточным пространством, их орбитальные электроны становятся «домашними адресами», кубитов.

Особенность квантовых вычислений

В традиционном компьютерном процессоре транзистор либо «орел», либо «решка». Иначе говоря, бросив монету, мы получим один бит. Но если спросить, какой стороной смотрит монетка, когда крутится, вы скажете, что ответом может быть и то и другое. Именно так устроены квантовые вычисления. Вместо обычных битов, которые представляют 0 или 1 есть квантовый бит, который одновременно представляет и 0, и 1 до тех пор, пока кубит не перестанет вращаться и не войдет в состояние покоя.

Реальность такова, что кубиты, в конечном итоге прекращают вращаться и коллапсируют в определенное состояние, будь то орел или решка. Цель квантовых вычислений состоит в том, чтобы поддерживать их вращение в суперпозиции в множестве состояний длительное время. Шум, изменение температуры, электрическое воздействие или вибрация – все это может помешать работе кубита и привести к утрате его данных. Один из способов стабилизировать кубиты определенных типов – поддерживать их в холодном состоянии. Кубиты работают в холодильнике размером с бочку на 55 галлонов и используют специальный изотоп гелия для охлаждения почти до температуры абсолютного нуля. Кубиты чрезвычайно хрупкие, и некоторым нужна температура в 20 милликельвинов – в 250 раз холоднее, чем в глубоком космосе, – чтобы оставаться стабильными.

Что могут сделать квантовые компьютеры, а обычные — нет?

Квантовые компьютеры работают на принципах, совершенно отличных от существующих компьютеров, что делает их действительно хорошо подходящими для решения определенных математических задач, таких как поиск очень больших простых чисел. Поскольку простые числа так важны в криптографии, вполне вероятно, что квантовые компьютеры быстро смогут взломать многие системы, которые обеспечивают безопасность нашей онлайн-информации. Из-за этих рисков исследователи уже пытаются разработать технологию, устойчивую к квантовому взлому, и, с другой стороны, возможно, что квантовые криптографические системы будут гораздо более безопасными, чем их традиционные аналоги.

Ожидается использование квантовых компьютеров для моделирования сложных химических реакций. В июле 2016 года инженеры Google впервые использовали квантовое устройство для моделирования молекулы водорода, и с тех пор IBM удалось смоделировать поведение еще более сложных молекул. В 2017 году Microsoft выпустила предварительную версию нового языка программирования для квантовых вычислений под названием Q# и симулятор для тестирования и отладки квантовых алгоритмов.

Китайское правительство строит национальную лабораторию квантовой информации в провинции Аньхой (рядом с Шанхаем) стоимостью 10 млрд. долл. и планируется открыть ее в 2020 году. Государственные исследования в области квантовых вычислений на данный момент составляют около 200 млн. долл. в год.

Квантовой революции быть?

В конце концов, исследователи надеются, что смогут использовать квантовое моделирование для создания совершенно новых молекул для использования в медицине и материаловедении. Например, помочь в создании нового катализатора для секвестрации углекислого газа, или разработать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, или открывать новые лекарства.

А еще остается святой Грааль для квантовых химиков — возможность смоделировать процесс Габера-Боша — способ искусственного производства аммиака, который все еще относительно неэффективен. Исследователи надеются, что, если они смогут использовать квантовую механику, чтобы выяснить, что происходит внутри этой реакции, они смогут найти новые способы производства.

Проблема квантовых вычислений заключается в том, что разработчикам необходимо создавать приложения для кубитов, поддерживать низкую температуру рабочей среды и создавать новые аппаратные архитектуры.

Эти проблемы, связанные с квантовыми вычислениями, означают, что потребителям (пользователям) достижения квантовой индустрии, скорее всего, будут доступны «как услуга» или в виде облачной модели. Хотя квантовые вычисления могут быть развернуты в корпоративных центрах обработки данных в какой-то момент, возврат инвестиций будет непростым делом, учитывая незрелость рынка.

Напоминаем Вам, что в нашем журнале «Наука и техника» Вы найдете много интересных оригинальных статей о развитии авиации, кораблестроения, бронетехники, средств связи, космонавтики, точных, естественных и социальных наук. На сайте Вы можете приобрести электронную версию журнала за символические 60 р/15 грн.

Как это работает? | Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Идея квантовых вычислений была независимо предложена Юрием Маниным и Ричардом Фейнманом в начале 80-х годов прошлого века. С тех пор была проделана колоссальная работа по созданию квантового компьютера. Однако полноценный универсальный квантовый компьютер все еще является гипотетическим устройством, возможность разработки которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. К настоящему моменту были созданы единичные экспериментальные системы с алгоритмом небольшой сложности. Как же работает квантовый компьютер — об этом в сегодняшнем выпуске!

Основное отличие квантового компьютера от классического заключается в представлении информации. В обычных компьютерах, работающих на основе транзисторов и кремниевых чипов, для обработки информации используется бинарный код. Бит, как известно, имеет два базовых состояния — ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. Что же касается квантового компьютера, то его работа основывается на принципе суперпозиции, а вместо битов используются квантовые биты, именуемые кубитами. У кубита также имеется два основных состояния: ноль и единица. Однако благодаря суперпозиции кубит может принимать значения, полученные путем их комбинирования, и находиться во всех этих состояниях одновременно. В этом заключается параллельность квантовых вычислений, то есть отсутствие необходимости перебирать все возможные варианты состояний системы. Кроме того, для описания точного состояния системы квантовому компьютеру не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, так как для расчета системы из 100 частиц достаточно лишь 100 кубитов, а не триллион триллионов бит.

Также стоит отметить, что изменение состояния определенного кубита в квантовом компьютере ведет к изменению состояния других частиц, что является еще одним отличием от обычного компьютера. И этим изменением можно управлять. Процесс работы квантового компьютера был предложен британским физиком-теоретиком Дэвидом Дойчем в 1995 году, когда он создал цепочку, способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Согласно его схеме, для начала берется набор кубитов и записываются их начальные параметры. Затем выполняются необходимые преобразования с использованием логических операций и записывается полученное значение, которое и является результатом, выдаваемым компьютером. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования совершают логические блоки.

По словам ученых, квантовые компьютеры будут в миллионы раз мощнее нынешних. Уже сейчас описаны самые разнообразные алгоритмы работы квантового компьютера, и даже разрабатываются специальные языки программирования. По прогнозу исследователей Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия. Лидером в этой области является Япония: более 70% всех исследований приходится на эту страну.

>Просто о сложном: что такое квантовый компьютер и зачем он нужен

Евгений Глушков

Студент шестого курса МФТИ, инженер лаборатории искусственных квантовых систем, создатель и редактор ресурса Make It Quantum.

До квантовой в ходу была классическая теория электромагнитного излучения. В 1900 году немецкий ученый Макс Планк, который сам в кванты не верил, считал их вымышленной и чисто теоретической конструкцией, был вынужден признать, что энергия нагретого тела излучается порциями — квантами; таким образом, предположения теории совпали с экспериментальными наблюдениями. А пять лет спустя великий Альберт Эйнштейн прибегнул к этому же подходу при объяснении фотоэффекта: при облучении светом в металлах возникал электрический ток! Вряд ли Планк с Эйнштейном могли предположить, что своими работами закладывают основы новой науки — квантовой механики, которой будет суждено до неузнаваемости преобразить наш мир, и что в XXI веке ученые вплотную приблизятся к созданию квантового компьютера.

Вначале квантовая механика позволила объяснить структуру атома и помогла понять происходящие внутри него процессы. По большому счету сбылась давняя мечта алхимиков о превращении атомов одних элементов в атомы других (да, даже в золото). А знаменитая формула Эйнштейна E=mc2 привела к появлению атомной энергетики и, как следствие, атомной бомбы.

Квантовый процессор на пяти кубитах от IBM

Дальше — больше. Благодаря работам Эйнштейна и английского физика Поля Дирака во второй половине XX века был создан лазер — тоже квантовый источник сверхчистого света, собранного в узкий пучок. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию не одному десятку ученых, а сами лазеры нашли свое применение почти во всех сферах человеческой деятельности — от промышленных резаков и лазерных пушек до сканеров штрихкодов и коррекции зрения. Примерно в то же время шли активные исследования полупроводников — материалов, с помощью которых можно легко управлять протеканием электрического тока. На их основе были созданы первые транзисторы — они в дальнейшем стали главными строительными элементами современной электроники, без которой сейчас мы уже не представляем свою жизнь.

Быстро и эффективно решать многие задачи позволило развитие электронных вычислительных машин — компьютеров. А постепенное уменьшение их размеров и стоимости (в связи с массовым производством) проложило компьютерам дорогу в каждый дом. С появлением интернета наша зависимость от компьютерных систем, в том числе и для коммуникации, стала еще сильнее.

Ричард Фейнман

Зависимость растет, постоянно растут вычислительные мощности, но настала пора признать, что, несмотря на свои впечатляющие возможности, компьютеры оказались не в состоянии решить все задачи, которые мы готовы перед ними ставить. Одним из первых об этом начал говорить знаменитый физик Ричард Фейнман: еще в 1981 году на конференции он заявил, что на обычных компьютерах принципиально невозможно точно рассчитать реальную физическую систему. Все дело в ее квантовой природе! Эффекты микромасштаба легко объясняются квантовой механикой и из рук вон плохо — привычной нам классической механикой: она описывает поведение больших объектов. Тогда-то в качестве альтернативы Фейнман предложил использовать для расчетов физических систем квантовые компьютеры.

Что же такое квантовый компьютер и в чем его отличие от компьютеров, к которым мы привыкли? Все дело в том, как мы представляем себе информацию.

Если в обычных компьютерах за эту функцию отвечают биты — нули и единички, — то в квантовых компьютерах им на смену приходят квантовые биты (сокращенно — кубиты). Сам кубит — вещь довольно простая. У него по-прежнему два основных значения (или состояния, как любят говорить в квантовой механике), которые он может принимать: 0 и 1. Однако благодаря свойству квантовых объектов под названием «суперпозиция» кубит может принимать все значения, которые являются комбинацией основных. При этом его квантовая природа позволяет ему находиться во всех этих состояниях одновременно.

В этом и заключается параллельность квантовых вычислений с кубитами. Все случается сразу — уже не нужно перебирать все возможные варианты состояний системы, а это именно то, чем занимается обычный компьютер. Поиск по большим базам данных, составление оптимального маршрута, разработка новых лекарств — лишь несколько примеров задач, решение которых способны ускорить во множество раз квантовые алгоритмы. Это те задачи, где для поиска правильного ответа нужно перебрать огромное количество вариантов.

Кроме того, для описания точного состояния системы теперь не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, ведь для расчета системы из 100 частиц достаточно 100 кубитов, а не триллионов триллионов бит. Более того, с ростом числа частиц (как в реальных сложных системах) эта разница становится еще существеннее.

Одна из переборных задач выделялась своей кажущейся бесполезностью — разложение больших чисел на простые множители (то есть делящиеся нацело только на самих себя и единицу). Это называется «факторизация». Дело в том, что обычные компьютеры умеют довольно быстро перемножать числа, пусть даже и весьма большие. Однако с обратной задачей разложения большого числа, получившегося в результате перемножения двух простых чисел, на исходные множители обычные компьютеры справляются очень плохо. Например, чтобы разложить на два сомножителя число из 256 цифр, даже самому мощному компьютеру понадобится не один десяток лет. А вот квантовый алгоритм, который может решить эту задачу за несколько минут, придумал в 1997 году английский математик Питер Шор.

  • Первый российский кубит под электронным микроскопом

  • Квантовый процессор на девяти кубитах от Google

С появлением алгоритма Шора перед научным сообществом встала серьезная проблема. Еще в конце 1970-х годов, основываясь на сложности задачи факторизации, ученые-криптографы создали алгоритм шифрования данных, получивший повсеместное распространение. В частности, с помощью этого алгоритма стали защищать данные в интернете — пароли, личную переписку, банковские и финансовые транзакции. И после многолетнего успешного использования вдруг оказалось, что зашифрованная таким способом информация становится легкой мишенью для алгоритма Шора, запущенного на квантовом компьютере. Дешифровка с его помощью становится минутным делом. Радовало одно: квантовый компьютер, на котором можно было бы запустить смертоносный алгоритм, еще не был создан.

Тем временем по всему миру десятки научных групп и лабораторий стали заниматься экспериментальными исследованиями кубитов и возможностями создания из них квантового компьютера. Ведь одно дело — теоретически придумать кубит, и совсем другое — воплотить его в реальность. Для этого было необходимо найти подходящую физическую систему с двумя квантовыми уровнями, которые можно использовать в качестве базовых состояний кубита — нуля и единицы. Сам Фейнман в своей пионерской статье предлагал использовать для этих целей закрученные в разные стороны фотоны, но первыми экспериментально созданными кубитами стали в 1995 году захваченные в специальные ловушки ионы. За ионами последовали многие другие физические реализации: ядра атомов, электроны, фотоны, дефекты в кристаллах, сверхпроводящие цепи — все они отвечали поставленным требованиям.

Такое разнообразие имело свои достоинства. Подгоняемые острой конкуренцией, различные научные группы создавали все более совершенные кубиты и строили из них все более сложные схемы. Основных соревновательных параметров у кубитов было два: время их жизни и количество кубитов, которые можно было заставить работать сообща.

Сотрудники лаборатории искусственных квантовых систем

Время жизни кубитов задавало то, как долго в них хранилось хрупкое квантовое состояние. Это, в свою очередь, определяло, сколько вычислительных операций можно было выполнить с кубитом, пока он не «умер».

Для эффективной работы квантовых алгоритмов нужен был не один кубит, а хотя бы сотня, причем работающая вместе. Проблема заключалась в том, что кубиты не очень любили соседствовать друг с другом и выражали протест драматическим уменьшением своего времени жизни. Чтобы обойти эту неуживчивость кубитов, ученым приходилось идти на всяческие ухищрения. И все же на сегодняшний день ученым удалось заставить работать вместе максимум один-два десятка кубитов.

Так что, на радость криптографам, квантовый компьютер — все еще дело будущего. Хотя уже совсем не такого далекого, как могло когда-то казаться, ведь к его созданию активно подключаются как крупнейшие корпорации вроде Intel, IBM и Google, так и отдельные государства, для которых создание квантового компьютера — вопрос стратегической важности.

Не пропустите лекцию: