Про квантові комп’ютери багато пишуть, сперечаються, роблять нові відкриття. Але кого не спитай, що це таке, то не отримуєш чіткої відповіді. Давайте розберемося з цією темою.
Відповідно до визначення з Вікіпедії, квантовий комп’ютер являє собою обчислювальний пристрій, що використовує явища квантової суперпозиції і квантової заплутаності для передачі й обробки даних. Звучить заплутано й незрозуміло? Це тільки на перший погляд, хоча складних і незрозумілих термінів, пов’язаних з цією технологією ще дуже багато.
Квантовий комп’ютер (КК) – це обчислювальний пристрій, який використовує явища квантової механіки для передачі й обробки даних. Ідея квантових обчислень була незалежно запропонована Юрієм Маніним і Річардом Фейнманом на початку 80-х років минулого століття. З тих пір була пророблена колосальна робота з їх створення. Однак повноцінний універсальний квантовий комп’ютер усе ще є гіпотетичним пристроєм, можливість розробки якого пов’язана з серйозним розвитком квантової теорії. До теперішнього моменту були створені поодинокі експериментальні системи з алгоритмом невеликої складності.
При будь-якій зміні кубіта він змінює свій стан випадковим чином, а за рахунок наявності зв’язку між кубітами паралельно свій стан змінюють і пов’язані кубіти. Набір пов’язаних кубітів прийнято називати квантовим регістром, який за рахунок можливої безлічі комбінацій (суперпозиций) кубітів, що входять до нього, значно інформативніше класичного бітового регістра. Безпосередньо спостерігати за станом кубіта або квантового регістра можна. У той же час кубіти можуть обмінюватися своїм станом і перетворювати його, що, власне, і дозволяє створити комп’ютер, який реалізує паралельні обчислення на фізичному рівні.
Також варто відзначити, що зміна стану певного кубіта у квантовому комп’ютері веде до зміни стану інших часток, що є ще однією відмінністю від звичайного комп’ютера. І цією зміною можна керувати. Процес роботи КК був запропонований британським фізиком-теоретиком Девідом Дойчем у 1995 році, коли він створив ланцюжок, здатний виконувати будь-які обчислення на квантовому рівні. Згідно з його схемою, для початку береться набір кубітів і записуються їх основні параметри. Потім виконуються необхідні перетворення з використанням логічних операцій і записується отримане значення, яке і є результатом, що видаються комп’ютером. У ролі проводів виступають кубіти, а перетворення роблять логічні блоки.
Спрощено схему обчислень на квантовому комп’ютері можна представити таким чином. У якусь систему кубітів записується початковий стан, а потім над нею відбуваються унітарні перетворення, що виконують функцію потрібних нам логічних операцій. Таким чином, у квантових алгоритмах і описується послідовність унітарних операцій (також званих гейтами або вентилями) із зазначенням – над якими саме кубітами їх треба здійснювати. Результатом роботи квантового алгоритму є підсумковий стан системи кубітів.
Результат роботи квантового комп’ютера буде носити імовірнісний характер. Однак, збільшуючи кількість унітарних операцій, імовірність отримання правильного результату можна наблизити до одиниці. У теорії КК швидше класичних в експоненціальне число раз (алгоритм факторизації Шора), але при використанні алгоритму Гровера спостерігається лише квадратичний приріст продуктивності. Існують й інші квантові алгоритми, націлені на вирішення різноманітних завдань.
Не можна не згадати й існування квантової теорії ігор, що є адаптацією класичної теорії ігор. Нагадаю, теорія ігор – це математичний метод вивчення оптимальних стратегій в іграх, де під грою розуміється процес, у якому беруть участь дві й більше сторін, які ведуть боротьбу за реалізацію своїх інтересів. У кожної зі сторін є своя мета, для досягнення якої реалізується певна стратегія, яка може вести до виграшу або програшу, у залежності від поведінки інших гравців. При цьому теорія ігор допомагає вибрати найкращі стратегії з урахуванням уявлень про інших учасників, їх ресурси та їх можливі вчинки.
У квантовій теорії ігор класичний біт (тобто вибір одного з двох варіантів, наприклад, так чи ні) замінюється кубітом, який є квантовою суперпозицією базових станів. З урахуванням пов’язаності кубітів будь-яка операція, вироблена над одним з них, може вплинути й на інші. Таким чином, розв’язка гри може виявитися досить несподіваною.
Звичайно, реалізація повноцінного квантового комп’ютера вважається одним з фундаментальних завдань фізики XXI століття, але певні позитивні зрушення в цьому питанні вже є. У 1998 році вчені з Массачусетського технологічного інституту змогли розділити один кубіт між трьома ядерними спинами в кожній молекулі рідкого аланину або молекули трихлороетілену (нагадаю, у квантових комп’ютерах носіями інформації можуть бути атоми, іони, фотони або електрони). У березні 2000 року вчені з Національної лабораторії у Лос Аламосі оголосили про успішне створення квантового комп’ютера з 7 кубітами. Роком пізніше, у 2001, фахівці IBM продемонстрували обчислення алгоритму Шора на 7-кубітному комп’ютері.
У 2005 році групою дослідників з Московської лабораторії надпровідності під керівництвом Ю. Пашкіна за допомогою японських фахівців був побудований 2-кубітний квантовий комп’ютер на надпровідних елементах. Запам’ятався 2005 рік й іншим досягненням – вченим з інституту квантової оптики та квантової інформації при Іннсбрукському університеті вдалося створити кубайт (реєстр з 8 кубітів). У листопаді 2009 року фізикам з Національного інституту стандартів і технологій у США вдалося створити 2-кубітний програмований квантовий комп’ютер.
До речі, запропоноване Пашиним використання надпровідності для квантових комп’ютерів виявилося вельми перспективним. У лютому 2012 року фахівці компанії IBM заявили про серйозний прорив у справі створення кубітів на надпровідних елементах. Робоча температура подібних квантових комп’ютерів складає десятки мікрокельвін. Відповідно, йому потрібна вкрай ефективна система охолодження, що працює на спеціальній суміші ізотопів гелію-3 і гелію-4. Втім, технологічно отримання таких низьких температур відмінно опрацьоване вже зараз.
На окрему увагу заслуговує компанія D-Wave Systems, яка у 2007 році продемонструвала 16-кубітний комп’ютер Orion, а в листопаді того ж року – 28-кубітний комп’ютер.
У травні 2011 року нею ж був показаний 128-кубітний комп’ютер D-Wave One, а наприкінці 2012 року – комп’ютер на 512 кубітів. При цьому D-Wave One є комерційно доступним продуктом, його ціна становить $11 млн. Втім, навіть якщо не звертати уваги на високу ціну, сфера застосування комп’ютерів D-Wave поки досить обмежена, в основному мова йде про завдання дискретної оптимізації.
Основне застосування квантових обчислень – це штучний інтелект. ШІ заснований на принципах навчання в процесі вилучення досвіду, стає все точніше в міру роботи зворотного зв’язку, поки, нарешті, не обзаводиться «інтелектом», нехай і комп’ютерним. Тобто самостійно навчається вирішенню завдань певного типу.
Наприклад, Lockheed Martin планує використовувати свій квантовий комп’ютер D-Wave для випробувань програмного забезпечення для автопілота, яке занадто складне для класичних комп’ютерів, а Google використовує квантовий комп’ютер для розробки ПЗ, яке зможе відрізняти автомобілі від дорожніх знаків. Ми вже досягли точки, за якою ШІ створює більше ШІ, і його сила й величина будуть тільки рости.
Інший приклад – це точне моделювання молекулярних взаємодій, пошук оптимальних конфігурацій для хімічних реакцій. Така «квантова хімія» настільки складна, що за допомогою сучасних цифрових комп’ютерів можна проаналізувати лише найпростіші молекули.
Квантові комп’ютери можуть виробляти такий факторинг експоненціально ефективніше за цифрові комп’ютери, роблячи сучасні методи захисту застарілими. Розробляються нові методи криптографії, які, втім, вимагають часу: у серпні 2015 року NSA почало збирати список стійких до квантових обчислень криптографічних методів, які могли б протистояти квантовим комп’ютерам, і у квітні 2016 Національний інститут стандартів і технологій почав публічний процес оцінки, який триватиме від чотирьох до шести років.
Хартмут Невен, директор з розробок у Google, зазначив, що квантові комп’ютери можуть також допомогти в створенні досконаліших кліматичних моделей, які могли б дати нам глибше уявлення про те, як люди впливають на навколишнє середовище. На основі цих моделей ми вибудовуємо наші уявлення про майбутнє потепління, і вони допомагають нам визначати кроки, які потрібні для запобігання стихійних лих.
Як не дивно, глибоке вивчення фізики із застосуванням квантових комп’ютерів може привести… до вивчення нової фізики. Моделі фізики елементарних частинок часто надзвичайно складні, вимагають розлогих рішень і задіюють багато обчислювального часу для чисельного моделювання. Вони ідеально підійдуть для квантових комп’ютерів, і вчені вже поклали на них око.
Звичайно, сперечатися про істинність квантової суті комп’ютерів D-Wave можна скільки завгодно, але не можна не визнати, що інтерес до квантових комп’ютерів є як у вчених по всьому світу, так і великих корпорацій. У тому числі й у Google (команда проекту Google Quantum AI), яка збирається за допомогою квантових комп’ютерів вирішити завдання, які неможливо або недоцільно вирішувати за допомогою класичних обчислювальних пристроїв.
Гонка в самому розпалі. Провідні компанії світу намагаються створити перший квантовий комп’ютер, в основі якого лежить технологія, що давно обіцяє вченим допомогти в розробці чудових нових матеріалів, ідеальному шифруванні даних і точному прогнозуванні змін клімату Землі. Така машина напевно з’явиться не раніше ніж через десять років, але це не зупиняє IBM, Microsoft, Google, Intel та інших. Вони буквально штуками викладають квантові біти – або кубіти – на процесорному чіпі. Але шлях до квантових обчислень включає багато більше, ніж маніпуляції з субатомними частинками.
Зараз ця сфера активно розвивається, хоча поки й не має практичного застосування. Але через цю стадію пройшли багато технологій, які стали невід’ємною частиною нашого життя. Тим більше, що вчені дивляться в майбутнє з великим оптимізмом.
Беріть участь у розіграші смартфона Samsung Galaxy S25 FE 5G 8/128GB JETBLACKУмови розіграшу:Розіграш діє з 04.09.2025 р. по 12.09.2025 р.…
Бери участь у розіграші ігрової клавіатури Logitech G15 Lightspeed TKL (більше…)
Вибір між двома крутими флагманами — це складний компроміс, проте справа, як завжди, в деталях. Смартфони Pixel відомі передовими камерами,…
Бери участь у розіграші сольової гвинтівки для полювання на комах Bug-A-Salt 3.0 (більше…)
Бери участь у розіграші механічної клавіатури HATOR Rockfall 3 Mecha та ігрової миши HATOR Quasar 3 ULTRA – легка, швидка та…
Ось нарешті знайшовся вільний вечір, ви зручно розташувалися на дивані та готові відпочити, але потім годинами гортаєте стрічки кіносервісів і…
View Comments
Зовсім нічого незрозуміло, крім кубітів, про що всі розказують.
1.Для виконання ьудь-чого на компі треба написати програму. Якою мовою писати програму? Як в програмі початкові значення присвоюються кубітам? Які є процедури і функції для роботи з кубітами? Як кінцеві значення кубітів перевести далі (після виконання програми) у зрозумілу форму відповіді?
2. Чрму кубіти не можна зобразити діапазонним числом (0..1), яке всередині може мати будь-яке і будь-скільки проміжних значень і при виконанні програми примусово процедурно імітувати квантову заплутанність між всіма кубітами.
Буду дуже вдячний за відповідь. 24.02.2023 р.