Как работает квантовый компьютер и какие проблемы существуют?

Из-за устойчивого выражения “квантовый компьютер” люди часто воспринимают устройство неправильно. Они представляют обычный компьютер, ноутбук, реже — как суперкомпьютер. Но при этом не являются компьютером в привычном понимании.

Как работает

Устройство рассчитано на обработку и передачу данных, оно является квантовой вычислительной системой. Для работы используются квантовые биты — кубиты, которые в одно и то же время могут быть нулем и единицей. Количество кубитов растет — число обрабатываемых параметров увеличивается, речь идет о росте в геометрической прогрессии.

Кубит также принимает любые сочетания 0 и 1, если их несколько, то при перемене значения одного меняются и все остальные. Ввиду особенности все решения просчитываются одновременно. Для обычного процессора характерны бинарные вычисления, то есть он просчитывает значения последовательно. Это слишком долго, поэтому была придумана многопоточность. Ее суть в параллельном запуске расчетов, для этого делается предвыборка, это предугадывание всех потенциальных вариаций ветвлений и проведение с ними расчетов предварительно.

Если выразить принцип работы квантового компьютера простыми словами, то он будто бы знает все вероятные ответы заранее, и в каждом случае остается лишь высчитать состояние и выбрать из многих единственный верный. Этот выбор — основная часть работы.

Зачем нужен?

У простого человека возникает вопрос: зачем нужна столь сложная система, если можно подождать, пока все решит классический компьютер? Дело в том, что наука регулярно сталкивается с задачами, на разрешение которых бинарная система потратила бы тысячи и миллионы лет. Квантовые позволяют получить такие решения уже в наши дни.

Квантовый компьютер не является и не станет альтернативой обычному, у него совсем другие функции. Есть особый класс научных проблем, на решение которых классическая система потратила бы время с момента создания вселенной и до наших дней, а квантовая управится за час. Рассмотрим группы таких задач.

С преобразованием Фурье

Это группа шифрования и криптографии, использующих алгоритм Шора. Он способен взломать Биткоин и RSA. Это стало реально благодаря невероятной скорости преобразования, при условии правильного применения реализуется экспоненциальное ускорение.

Оптимизация

Это все комбинаторные проблемы, для решения которых необходимо перебрать все множество возможных вариантов. Существует алгоритм, который произвел фурор при появлении, это алгоритм Гровера. Он делает возможным превосходство по времени решения относительно простого перебора вариантов, но при этом не требует столь сильного ускорения, как при алгоритме Шора. Такого рода проблемы актуальны для оптимизации, логистики, экономики.

Машинное обучение

Алгоритм HHL, обеспечивает значительное ускорение. Применяется для решения систем линейных уравнений, превосходит по скорости классические методики. Линейные уравнения используются повсеместно, часто в сфере задач машинного обучения. Одним из самых важных сегментов использования квантовых компьютеров — сфера задач искусственного интеллекта. Можно решать даже такие проблемы, которые распределены по суперпозициям разных классических выборок.

Симуляция квантовой системы

Наиболее естественная из всех сфера применения. Ее использование предложил еще Фейнман, его идеей было моделирование очень сложной квантовой системы с использованием другой сложной системы, которая уже известна и является управляемой.

Из всего следует, что квантовые системы способны создавать новые средства, новейшие лекарства, неизвестные ранее высокотемпературные сверхпроводники. У всех этих задач есть общая черта: необходимость организации атомных взаимодействий. У обычного компьютера на этой уйдут триллионы лет. у квантового — несколько часов.

Чем отличается от обычного?

Квантовые связи и вычисления появились совсем недавно, всего лишь три десятилетия назад. Это было до такой степени инновационно, что первые работы даже не публиковали в научных журналах. Все говорили, что это не наука, а фантастика. Сейчас ни у кого не возникает сомнений, есть ли квантовый компьютер на самом деле. Они не только есть, но и успешно продаются, покупаются, используются. Это принципиально новое решение сложнейших проблем в сфере безопасности, преимущественно в криптографии.

Они представляют собой машины с уникальным типом поведения, относящимся к квантовой механике и отличающимся от любой из классических систем. Главное отличие — в способности одной частицы или группы находиться в 0 и 1 одновременно, это два разных базовых дискретных состояния, выходит, что частица пребывает в состоянии неопределенности. Для повседневных задач квантовые системы не используют, они необходимы для быстрого решения вычислительных задач из сферы криптографии.

Квантовые системы могут многое — секвенировать гены, оптимизировать маршруты для любого транспорта, подбирать криптографические ключи, предсказывать котировки на биржах. Ответ всегда будет вероятностным, и считывание его — сложная для человека задача. Но если прогнать одну задачу несколько раз, что с учетом возможностей не займет много времени, то можно получить единственный верный ответ, к примеру, ключ шифрования.

Сфера применения

Наиболее актуальная из областей применения — разложение сложных чисел на простые. Вся специфика криптографии заключается в том, что никто не сможет за разумные сроки разложить на простые множители число, в котором 40 знаков. Обычный компьютер будет делать это миллиарды лет, квантовый — управится за 18 секунд.

Если бы такие быстрые системы были бы распространены повсеместно, в обществе не осталось бы тайн. Они могли бы обеспечить доступ к чему угодно, от сообщений в мессенджерах до банковских операций. Любопытный момент в том, что шифрование на основании квантов еще не изобретено. И если до его изобретения обычное шифрование станет бесполезным, то человечество столкнется с крупнейшим кризисом и полным отсутствием тайн.

Другая сфера применения — моделирование сложных сценариев, к примеру, проявления свойств неизученных элементов на уровне молекул. Так можно не только выгодно решать задачи, которые требуют огромного количества ресурсов, но и быстрее, чем раньше, открывать новые лекарства от болезней, которые сейчас считаются неизлечимыми.

Но многие вещи сейчас реальны лишь в теории, так как новые сверхбыстрые системы сложны в производстве и нестабильно функционируют. Сейчас человечество в совершенстве освоило только один способ применения — научить квантовую систему работать по одного алгоритму, это позволяет обходить по производительности все иные устройства, существующие на данный момент. Именно для этого их и покупают компании-гиганты, из всего потенциала они используют решение пары задач. Осознавая, какие возможности есть у квантовых компьютеров, это практически ничтожно, то даже такое использование становится прорывом.

Проблемы технологии

Использовать весь потенциал не получается по причине наличия проблемных моментов. Какие-то удалось решить, но лишь частично. К главным относят:

• при множественных вычислениях происходит накопление ошибок;
• высокая чувствительность к окружению, неконтролируемое вступление во взаимодействие;
• узнать, в каком состоянии кубиты пребывают изначально, очень сложно;
• точно так же непросто создавать системы из множества кубитов.

Из-за того, что кубиты становятся нестабильными, любое квантовое состояние крайне хрупкое. Всякое воздействие извне приводит к разрушению связей, а таких воздействий может быть множество: повышение или понижение температуры на сотую долю градуса, либо проход мимо случайного фотона. Чтобы решить вопрос с температурой, создают специальные саркофаги, внутри которых среда чуть выше абсолютного нуля — минус 273,14 градусов по Цельсию. Обеспечивается полная изоляция от любого воздействия окружающей среды.

Возможны ошибки. Все квантовые вычисления относятся по своей природе к вероятностным. Поэтому вынесенное решение не может быть на 100% правдивым. К тому же сами по себе вычисления на основе квантов проводятся с высокой долей ошибки. И даже если все пройдет верно, то можно ошибиться при считывании окончательного результата. Наукой предусмотрены стандартные методики исправления ошибок, это усреднение и дублирование вычислений. В среде квантов данные методики не работают, так как актуальна теорема о запрете клонирования. Здесь нужные особенные методики коррекции.

Первый протокол интернета

Протокол для интернета, который будет работать на квантах, создали ученые из Голландии. Он стал первым в мире, такая сеть может работать без единой помехи и обладать надежной защитой от любых взломов. Идею разрабатывали сотрудники QuTech, это исследовательский центр. Была создана новая концепция сетей общей направленности, возможно, со временем они смогут заменить собой обычный интернет и простые локальные сети.

Так как кубиты нестабильны и не могут находиться в памяти в течение длительного периода, идея была в скоростной обработке информации. Это дает небывалую скорость передачи, а квантовая запутанность позволяет обеспечить все передаваемые сведения надежной защитой. Запутанность — это взаимосвязь, в которую вступают два и более объекта, она неразрывная. Если происходит попытка перехватить данные, то один или несколько кубитов меняются под воздействием данного вмешательства, и тогда информация становится непередаваемой. То есть получить данные может только одно устройство, для всех иных она недоступна.

В данный момент разработчики не раскрывают некоторые подробности работы. Но они озвучили позитивный момент: для работы созданной ими технологии подходит существующая на данный момент инфраструктура. То есть все физические объекты, благодаря которым мы пользуемся обычным интернетом.

Какие фирмы производят компьютеры?

Официально передовой компанией является D-Wave. Только она сейчас производит и продает компьютеры такого типа. Ее покупатели — NASA, Google, Volkswagen и другие объединения мирового уровня. В январе 2020 года был анонсирован выпуск четвертого поколения устройств. Заявленная мощность — две тысячи кубитов.

Кто-то называет их компьютеры неполноценными ввиду перечисленных выше проблем и возможности использования только для небольшого количества вычислительных задач. Но Google, к примеру, довольны. Тот компьютер, который они купили, справился с одной узкопрофильной задачей в сто миллионов раз быстрее. Кстати, стоимость таких компьютеров составляет 10-15 млн долларов.

IBM ведет приготовления к выводу на рынок компьютера на 50 кубитов. Реализация последует в следующие несколько лет, по крайней мере такие сроки озвучиваются представителями компании. Сейчас они называются IBM Q, в будущем название может измениться. У данной компании уже есть опыт создания компьютера на 5 кубитов.

Такие же планы у Google, в ближайшие пять лет они планируют выпустить собственное устройство на 50 кубитов. Конечно же такая активность конкурентов не дает покоя Microsoft, владелец компании заявил, что совсем скоро они пройдут стадию исследований и начнут разработку. Ими уже ведется разработка программного обеспечения для машин будущего.

Принцип действия квантового компьютера известен, и это очень перспективная отрасль. Существующие на данный момент устройства остаются экспериментальными. Посмотрим, что изменится в ближайшие годы.