Как работают квантовые компьютеры и чем они будут полезны для бизнеса

Как родилась идея квантового компьютера

Один из основоположников квантовой теории — физик Макс Планк. В 1900 году он предположил, что поток энергии не является непрерывным, а состоит из отдельных порций (квантов). Гипотеза развивалась, и в 1981 году Ричард Фейнман предложил использовать квантовую энергию для вычислений. Он считал, что многие сложные вычислительные задачи невозможно будет решить на обычных компьютерах за разумное время. Процессы, которые происходят в природе, связаны с пространством и временем. Их не всегда возможно описать или спрогнозировать с помощью математики и классической физики. А квантовая операционная система, которая справилась бы с расчетами, слишком сложна для существующих машин. Поэтому Фейнман представил модель первого компьютера, который был способен создать и использовать квантовую систему.

Спустя 13 лет американский специалист в области теории вероятностей и комбинаторики Питер Шор составил первый алгоритм для квантовых вычислений. А в 1998 году ученые спроектировали первый двухкубитный (кубит — единица информации в квантовой физике) квантовый компьютер. С тех пор эта область науки активно развивается: инженеры и программисты разрабатывают новые алгоритмы, способы защиты информации, увеличивают количество кубитов в компьютерах.

Принцип работы квантовых компьютеров

Обычный компьютер работает с помощью транзисторов, которые функционируют в двух режимах: пропускают или не пропускают ток, то есть находятся в состоянии 1 или 0 (двоичный бит). Это характеризует двоичную систему исчисления, которая используется для кодирования любой информации в современных компьютерах.

В квантовых компьютерах вместо транзисторов используются квантовые объекты. Это микроскопические частицы, которые выступают носителями информации и обладают определенными свойствами. Чтобы было легче понять принцип, представьте, что квантовый объект — это монета. Она может с определенной вероятностью приземлиться как на «орла», так и на «решку». Поэтому можно считать, что до этого момента монета одновременно находится на обеих своих сторонах. Такое явление называется суперпозицией, и это главная особенность квантовых объектов: они тоже могут находиться в двух состояниях одновременно.

Чтобы понять принцип работы квантового компьютера, представьте задачу: трех человек нужно разместить в двух машинах всеми возможными вариантами. Простой компьютер последовательно переберет 8 комбинаций (2 в степени 3) и в качестве ответа даст варианты, которые не противоречат условиям задачи. Если увеличить количество людей до двадцати и размещать их в двух автобусах, придется перебрать 1 048 576 вариаций (2 в степени 20), и это займет намного больше времени. Теперь за первую задачу возьмется квантовый компьютер. Для него люди примут состояние суперпозиции: получится 8 параллельных реальностей, где каждый человек окажется в обеих машинах сразу. То есть квантовый компьютер не использует метод перебора, поэтому даст ответ быстрее. Важно то, что если людей станет 20, скорость расчетов не снизится: все возможные варианты компьютер обработает одномоментно, для него они будут существовать в одно и то же время, независимо от количества.

Еще одно существенное отличие квантового компьютера от обычного — вычисления по принципу вероятности. В момент вычисления суперпозиция (то самое «раздвоение» человека в машинах) исчезает, и компьютер предлагает один из возможных вариантов. Если решить задачу еще раз, ответ может получиться другим, в зависимости от того, в какой машине «сидел» каждый пассажир в момент измерения. Поэтому ученые многократно повторяют одно и то же вычисление, потом из полученных результатов выбирают среднее и учитывают погрешности расчетов. Среднее значение и будет решением задачи для квантового компьютера. Обычный же компьютер работает по определенному алгоритму. Результат расчетов не изменится от количества измерений одного и того же параметра.

Итак, квантовый компьютер использует кубиты в качестве единицы информации. Ее носителем является квантовый объект со свойствами, которые дают возможность обрабатывать данные быстрее и не терять скорость при увеличении количества вводных. Но нужно иметь в виду, что компьютер делает расчеты с какой-то долей вероятности, и учитывать статистические ошибки.

Пока ученые окончательно не решили, что лучше всего использовать в качестве квантового объекта. На эту роль рассматривают фотоны (частицы света), электроны, контролируемые ионы, полупроводники.

На какой стадии находятся разработки

IBM, Google и D-Wave стали самыми успешными компаниями, которые занимаются квантовыми технологиями. Они создают компьютеры, которые действуют по одному или нескольким алгоритмам.

Проблема в создании квантовых компьютеров заключается в нестабильности квантовых объектов и короткой продолжительности их жизни. Частицы настолько малы, что любое изменение в окружающей среде может разрушить систему. Значит, кубиты могут непредвиденно выйти из состояния суперпозиции, и квантовый компьютер превратится в обычный, более медленный. Чтобы избежать разрушения связи кубитов, вокруг них создают защитные сооружения. Они поддерживают температуру немного выше абсолютного нуля и стабилизируют квантовую систему.

Еще одна трудность для ученых — сложное взаимодействие между кубитами. Для развития квантовых технологий нужно создавать системы из большого количества квантовых объектов. В 2019 году в Google представили миру компьютер из 53 кубитов. Но этого недостаточно для решения масштабных задач: защиты данных, производства новых материалов, создания искусственного интеллекта, расчета свойств новых химических элементов.