Квантовые компьютеры: что это, как работают, какие перспективы?

О квантовых компьютерах много пишут, спорят, делают новые открытия. Но кого не спроси, что это такое, то не получаешь четкого ответа. Давайте разберемся с этой темой.

Если верить определению из Википедии, квантовый компьютер представляет собой вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Звучит запутанно и непонятно? Это только на первый взгляд, хотя сложных и непонятных терминов, связанных с этой технологией еще очень много.

Содержание

1. Как работает квантовый компьютер?
2. Результат работы квантового компьютера
3. Системные недостатки квантового компьютера
4. Первые попытки создания квантового компьютера
5. Разработки компании D-Wave Systems
6. Где могут пригодиться квантовые компьютеры?
7. Насколько мы близки к созданию КК?

Как работает квантовый компьютер?

Квантовый компьютер (КК) — 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 их созданию. 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.

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.

При любом изменении кубита он меняет свое состояние случайным образом, а за счет наличия связи между кубитами параллельно свое состояние меняют и связанные кубиты. Набор связанных кубитов принято называть квантовым регистром, который за счет возможного множества комбинаций (суперпозиций) входящих в него кубитов значительно информативнее классического битового регистра. Непосредственно наблюдать за состоянием кубита или квантового регистра нельзя. В то же время кубиты могут обмениваться своим состоянием и преобразовывать его, что, собственно, и позволяет создать компьютер, реализующий параллельные вычисления на физическом уровне.

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 КК 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.

Упрощенно схему вычислений на квантовом компьютере можно представить следующим образом. В некую систему кубитов записывается исходное состояние, а затем над ней совершаются унитарные преобразования, выполняющие функцию нужных нам логических операций. Таким образом, в квантовых алгоритмах и описывается последовательность унитарных операций (также называемых гейтами или вентилями) с указанием — над какими именно кубитами их надо совершать. Результатом работы квантового алгоритма является итоговое состояние системы кубитов.

Результат работы квантового компьютера

Результат работы квантового компьютера будет носить вероятностный характер. Однако, увеличивая количество унитарных операций, вероятность получения правильного результата можно приблизить к единице. В теории КК быстрее классических в экспоненциальное число раз (алгоритм факторизации Шора), но при использовании алгоритма Гровера наблюдается лишь квадратичный прирост производительности. Существуют и другие квантовые алгоритмы, нацеленные на решение разнообразных задач.

Но, независимо от реализуемого алгоритма, использование технологий квантовых вычислений позволяет эффективно решать задачи, требующие серьезной вычислительной мощности. Например, квантовому компьютеру может оказаться под силу расшифровать сообщения, защищенные асимметричным криптографическим алгоритмом RSA. Другим возможным применением КК могут стать задачи моделирования физических процессов или обработка очень больших объемов данных.

Нельзя не упомянуть и существование квантовой теории игр, являющейся адаптацией классической теории игр. Напомню, теория игр — это математический метод изучения оптимальных стратегий в играх, где под игрой понимается процесс, в котором участвуют две и более сторон, ведущих борьбу за реализацию своих интересов. У каждой из сторон есть своя цель, для достижения которой реализуется определенная стратегия, которая может вести к выигрышу или проигрышу, в зависимости от поведения других игроков. При этом теория игр помогает выбрать лучшие стратегии с учётом представлений о других участниках, их ресурсах и их возможных поступках.

В квантовой теории игр классический бит (т. е. выбор одного из двух вариантов, например, да или нет) заменяется кубитом, который является квантовой суперпозицией базовых состояний. С учетом связанности кубитов любая операция, производимая над одним из них, может повлиять и на другие. Таким образом, развязка игры может оказаться весьма неожиданной.

Системные недостатки квантового компьютера

Впрочем, у квантовых компьютеров есть и системные недостатки, даже если не брать в расчет сложность физической реализации. Во-первых, как уже упоминалось, результат квантовых вычислений носит вероятностный характер. Во-вторых, внешние воздействия, например, магнитные поля, могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения. Не стоит забывать и о сложностях считывания состояния квантовых регистров. Однако все эти сложности не пугают не только ученых, но и коммерческие компании, все активнее интересующиеся темой КК.

Первые попытки создания квантового компьютера

Конечно, реализация полноценного квантового компьютера считается одной из фундаментальных задач физики XXI века, но определенные позитивные сдвиги в этом вопросе уже есть. В 1998 году ученые из Массачусетского технологического института смогли разделить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена (напомню, в квантовых компьютерах носителями информации могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны). В марте 2000 года ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили об успешном создании квантового компьютера с 7 кубитами. Годом позже, в 2001, специалисты IBM продемонстрировали вычисление алгоритма Шора на 7-кубитном компьютере.

В 2005 году группой исследователей из Московской лаборатории сверхпроводимости под руководством Ю. Пашкина при помощи японских специалистов был построен 2-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах. Запомнился 2005 год и другим достижением – ученым из института квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете удалось создать кубайт (регистр из 8 кубитов). В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США удалось создать 2-кубитный программируемый квантовый компьютер.

Кстати, предложенное Пашиным использование сверхпроводимости для квантовых компьютеров оказалось весьма перспективным. В феврале 2012 году специалисты компании IBM заявили о серьезном прорыве в деле создания кубитов на сверхпроводящих элементах. Рабочая температура подобных квантовых компьютеров составляет десятки микрокельвин. Соответственно, ему нужна крайне эффективная система охлаждения, работающая на специальной смеси изотопов гелия-3 и гелия-4. Впрочем, технологически получение столь низких температур отлично проработано уже сейчас.
В апреле 2012 группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова и Калифорнийского университета Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза (с примесями), который может работать при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым.

Разработки компании D-Wave Systems

Отдельно внимания заслуживает компания D-Wave Systems, которая в 2007 году продемонстрировала 16-кубитный компьютер Orion, а в ноябре того же года – 28-кубитный компьютер. 

В мае 2011 года ей же был показан 128-кубитный компьютер D-Wave One, а в конце 2012 года – компьютер на 512 кубитов. При этом D-Wave One является коммерчески доступным продуктом, его цена составляет $11 млн. Впрочем, даже если не обращать внимания на высокую цену, сфера применения компьютеров D-Wave пока достаточно ограничена, в основном речь идет о задачах дискретной оптимизации.

Причем многие исследователи не считают компьютеры D-Wave подлинными квантовыми вычислительными машинами, заявляя об излишне скромном приросте производительности относительно классических систем и сомневаются в наличии в компьютерах D-Wave запутанности кубитов, что является одним из фундаментальных принципов построения квантовых компьютеров. Впрочем, в январе 2014 года ученые D-Wave опубликовали статью, доказывающую наличие в компьютерах D-Wave квантовой когерентности и запутанности между отдельными подгруппами кубитов (размером 2 и 8 элементов) в процессоре во время проведения вычислений.

Где могут пригодиться квантовые компьютеры?

Основное применение квантовых вычислений — это искусственный интеллект. ИИ основан на принципах обучения в процессе извлечения опыта, становится все точнее по мере работы обратной связи, пока, наконец, не обзаводится «интеллектом», пусть и компьютерным. То есть самостоятельно обучается решению задач определенного типа.

Например, Lockheed Martin планирует использовать свой квантовый компьютер D-Wave для испытаний программного обеспечения для автопилота, которое слишком сложное для классических компьютеров, а Google использует квантовый компьютер для разработки ПО, которое сможет отличать автомобили от дорожных знаков. Мы уже достигли точки, за которой ИИ создает больше ИИ, и его сила и величина будет только расти.

Другой пример — это точное моделирование молекулярных взаимодействий, поиск оптимальных конфигураций для химических реакций. Такая «квантовая химия» настолько сложная, что с помощью современных цифровых компьютеров можно проанализировать только простейшие молекулы.

Квантовые компьютеры могут производить такой факторинг экспоненциально эффективнее цифровых компьютеров, делая современные методы защиты устаревшими. Разрабатываются новые методы криптографии, которые, впрочем, требуют времени: в августе 2015 года NSA начало собирать список устойчивых к квантовым вычислениям криптографических методов, которые могли бы противостоять квантовым компьютерам, и в апреле 2016 Национальный институт стандартов и технологий начал публичный процесс оценки, который продлится от четырех до шести лет.

Хартмут Невен, директор по разработкам в Google, отметил, что квантовые компьютеры могут также помочь в создании более совершенных климатических моделей, которые могли бы дать нам более глубокое представление о том, как люди влияют на окружающую среду. На основе этих моделей мы выстраиваем наши представления о будущем потеплении, и они помогают нам определять шаги, которые требуются для предотвращения стихийных бедствий.

Как ни странно, глубокое изучение физики с применением квантовых компьютеров может привести… к изучению новой физики. Модели физики элементарных частиц зачастую чрезвычайно сложные, требуют пространных решений и задействуют много вычислительного времени для численного моделирования. Они идеально подойдут для квантовых компьютеров, и ученые уже положили на них глаз.

Насколько мы близки к созданию квантового компьютера?

Конечно, спорить об истинности квантовой сущности компьютеров D-Wave можно сколько угодно, но нельзя не признать, что интерес к квантовым компьютерам есть как у ученых по всему миру, так и крупных корпораций. В том числе и у Google (команда проекта Google Quantum AI), собирающейся при помощи квантовых компьютеров решить задачи, которые невозможно или нецелесообразно решать при помощи классических вычислительных устройств.

Гонка в самом разгаре. Ведущие компании мира пытаются создать первый квантовый компьютер, в основе которого лежит технология, давно обещающая ученым помочь в разработке дивных новых материалов, идеальном шифровании данных и точном прогнозировании изменений климата Земли. Такая машина наверняка появится не раньше чем через десять лет, но это не останавливает IBM, Microsoft, Google, Intel и других. Они буквально поштучно выкладывают квантовые биты – или кубиты – на процессорном чипе. Но путь к квантовым вычислениям включает много больше, чем манипуляции с субатомными частицами.

Сейчас эта сфера активно развивается, хотя пока и не имеет практического применения. Но через эту стадию прошли многие технологии, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни. Тем более, что ученые смотрят в будущее с большим оптимизмом.