Что такое «квантовые компьютеры» и как они работают?

Компании Google, IBM и несколько стартапов стремятся создать суперкомпьютеры следующего поколения. Квантовые компьютеры, если они когда-нибудь начнут, помогут нам решить проблемы, такие как моделирование сложных химических процессов, которые наши существующие компьютеры не могут даже поцарапать поверхность.

Но квантовое будущее не придет легко, и никто не знает, как оно будет выглядеть, когда оно наступит. В настоящее время компании и исследователи используют несколько разных подходов, чтобы попытаться создать самые мощные компьютеры, которые когда-либо видел мир. Вот все, что вам нужно знать о грядущей квантовой революции.

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления используют в своих интересах странную способность субатомных частиц существовать в более чем одном состоянии в любое время. Благодаря тому, как ведут себя мельчайшие частицы, операции могут выполняться гораздо быстрее и потреблять меньше энергии, чем классические компьютеры.

В классических вычислениях бит — это единичный фрагмент информации, который 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.

«Различие между классическими битами и кубитами заключается в том, что мы можем также подготовить кубиты в квантовой суперпозиции 0 и 1 и создать нетривиальные коррелированные состояния ряда кубитов, так называемые« запутанные состояния», — говорит физик Алексей Федоров из Московский физико-технический институт.

О кубите можно думать как о воображаемой сфере. В то время как классический бит может находиться в двух состояниях — на любом из двух полюсов сферы — кубит может быть любой точкой на сфере. Это означает, что компьютер, использующий эти биты, может хранить огромное количество информации, используя меньше энергии, чем классический компьютер.

Как далеко находятся квантовые компьютеры?

До недавнего времени казалось, что Google лидировал в создании квантового компьютера, который мог бы превзойти возможности обычных компьютеров. В статье Nature, опубликованной в марте 2017 года, поисковый гигант изложил амбициозные планы по коммерциализации квантовых технологий в ближайшие пять лет. Вскоре после этого Google заявил, что к концу 2017 года намеревается достичь чего-то, что он называет «квантовым превосходством», с помощью компьютера с 49 кубитами.

Итак, квантовое превосходство, которое примерно относится к точке, в которой квантовый компьютер может подсчитывать суммы, которые обычный компьютер не может надеяться смоделировать, не совсем общепринятый термин в квантовом сообществе. Те, кто скептически относится к квантовому проекту Google — или, по крайней мере, к тому, как он говорит о квантовых вычислениях, — утверждают, что превосходство — это, по сути, произвольная цель, поставленная Google, чтобы заставить его выглядеть так, как будто он делает успехи в квантовой сфере, когда на самом деле он просто выполняет навязанные им цели.

Является ли это произвольной целью или нет, Google была отправлена ​​на пост превосходства IBM в ноябре 2017 года, когда компания объявила о создании 50-кубитового квантового компьютера. Однако даже это было далеко от стабильности, поскольку система могла сохранять свое квантовое микросостояние только в течение 90 микросекунд, что является рекордом, но далеко от времени, необходимого для того, чтобы сделать квантовые вычисления практически жизнеспособными. Однако то, что IBM создала систему с 50 кубитами, не обязательно означает, что они взломали превосходство, и определенно не означает, что они создали квантовый компьютер, который практически готов для практического использования.

Однако IBM пошла дальше, чем Google, и сделала квантовые компьютеры коммерчески доступными. С 2016 года он предоставил исследователям возможность проводить эксперименты на квантовом компьютере с пятью кубитами через облако, а в конце 2017 года начал предоставлять свою 20-кубитную систему в Интернете.

Но квантовые вычисления ни в коем случае не гонки на двух лошадях. Калифорнийский стартап Rigetti фокусируется на стабильности своих собственных систем, а не на количестве кубитов, и может стать первым, кто построит квантовый компьютер, который люди смогут реально использовать. D-Wave, компания, базирующаяся в Ванкувере, Канада, уже создала то, что она называет системой с 2000-кубитами, хотя многие исследователи не считают системы D-Wave настоящими квантовыми компьютерами. У Intel тоже есть скин в игре. В феврале 2018 года компания объявила, что нашла способ изготовления квантовых чипов из кремния, который значительно облегчит производство чипов с использованием существующих методов производства.

Что могут делать квантовые компьютеры, чего не могут классические?

Квантовые компьютеры работают на принципах, совершенно отличных от существующих компьютеров, что делает их действительно хорошо подходящими для решения конкретных 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.

Исследователи также воодушевлены перспективой использования квантовых компьютеров для моделирования сложных химических реакций — задача, которую обычные суперкомпьютеры не очень хороши. 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 конце концов, исследователи надеются, что они смогут использовать квантовое моделирование для создания совершенно новых молекул для использования в медицине. Но святой Грааль для квантовых химиков — это возможность смоделировать процесс Хабера-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 сделать этот процесс намного более эффективным.

Back to Top