Квантовые компьютеры работают с использованием логических элементов, но, в отличие от классических компьютеров, они используют свойства квантовой механики, такие как суперпозиция, интерференция и запутывание.
В недавно опубликованной статье Google утверждает, что квантовый компьютер выполнив определенные вычисления, заткнет за пояс самый быстрый в мире классический суперкомпьютер. После публикации возникло много вопросов и самый главный: когда появятся полноценные квантовые компьютеры, будем ли мы готовы?
Google достиг этого рубежа на фоне более отрезвляющей реальности: даже самые лучшие квантовые компьютеры на базе гейтов сегодня могут собрать только около 50 кубитов. Кубит, или квантовый бит, - это основная часть информации в квантовых вычислениях, аналогичная битам в классических вычислениях, но намного больше.
Возможно, через 10 или 20 лет мы достигнем цели создания надежных, крупномасштабных, устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров, способных решать широкий круг полезных задач.
Когда наступит этот день, что нам с ними делать?
У нас были десятилетия, чтобы подготовиться. В начале 1980-х годов американский физик Пол Бениофф опубликовал статью, демонстрирующую, что теоретически возможна квантово-механическая модель машины Тьюринга - компьютера. Примерно в то же время Ричард Фейнман утверждал, что моделирование квантовых систем в любом полезном масштабе на классических компьютерах всегда было бы невозможным, потому что проблема слишком далеко зашла бы, слишком большая: требуемая память и время экспоненциально увеличивались бы с объемом квантовой системы. На квантовом компьютере требуемые ресурсы будут расти гораздо менее радикально.
Фейнман действительно открыл область квантовых вычислений, когда предположил, что лучшим способом изучения квантовых систем является их моделирование на квантовых компьютерах. Имитация квантовой физики - приложение для квантовых компьютеров. Они не будут помогать вам транслировать видео на вашем смартфоне. Если можно построить большие отказоустойчивые квантовые компьютеры, они позволят нам исследовать странный мир квантовой механики до беспрецедентных глубин. Он следует другим правилам, чем мир, который мы наблюдаем в нашей повседневной жизни, и все же лежит в основе всего.
На достаточно большом квантовом компьютере мы могли бы моделировать квантовые теории поля для изучения самой фундаментальной природы Вселенной. В области химии и наноразмерных исследований, где доминируют квантовые эффекты, мы могли бы исследовать основные свойства материалов и разрабатывать новые, чтобы понять такие механизмы, как нетрадиционная сверхпроводимость. Мы могли бы моделировать и понимать новые химические реакции и новые соединения, которые могли бы помочь в открытии лекарств.
Углубившись в математику и теорию информации, мы уже разработали множество теоретических инструментов для выполнения этих задач, и алгоритмы идут дальше, чем технологии для создания реальных машин. Все начинается с теоретической модели квантового компьютера, которая устанавливает, как он будет использовать квантовую механику для выполнения полезных вычислений. Исследователи пишут квантовые алгоритмы для выполнения задачи или решения проблемы с использованием этой модели. Это в основном последовательность квантовых элементов вместе с измерением квантового состояния, которое обеспечивает желаемую классическую информацию.
Так, например, алгоритм Гровера показывает способ выполнить более быстрый поиск. Алгоритм Шора доказал, что большие квантовые компьютеры однажды смогут взломать системы компьютерной безопасности на основе RSA, метода, широко используемого для защиты, например, электронной почты и финансовых веб-сайтов по всему миру.
Алгоритм Гровера может стать основой для создания сверхбыстрых баз данных, работающих с огромными массивами данных и способных в считанные мгновения находить в них нужную информацию.
Пока мы ждем, когда аппаратные средства догонят теорию, исследователи в области квантовой информатики будут продолжать изучать и реализовывать квантовые алгоритмы, полезные для доступных в настоящее время шумных, неисправных машин.
Квантовые компьютеры России
При создании квантового компьютера на основе сверхпроводникового устройства российские ученые не планируют копировать то, что делают в этом направлении Google и IBM.
«Мы не намерены просто гнаться за IBM и Google. IBM кладут один кубит на другой, увеличивая мощность компьютера, однако это не решает главной проблемы - отсутствие практической пользы, полезных вычислений. Сегодня число кубитов ежегодно увеличивается в два раза, однако заменить обычные компьютеры быстро не получится. Пока кубиты работают доли секунды, квантовые состояния уязвимы для внешних воздействий, поэтому выдают много ошибок. Одним из путей может стать создание логических кубитов, у которых мало ошибок», - сказал инженер НИТУ «МИСиС» Илья Беседин.
По его словам, чем больше физических кубитов, тем лучше работают логические кубиты: на один логический потребуется до сотни физических. Кроме того, сегодня специалисты работают над созданием массивов и цепочек кубитов на одном чипе, которые должны показывать совокупные квантовые эффекты.
