Суть квантового комп'ютера

Квантові комп'ютери обіцяють справжню революцію, причому у обчисленнях, а й у реальному житті. Медіа рясніють заголовками про те, як квантові комп'ютери знищать сучасну криптографію, а потужність штучного інтелекту, завдяки їм зросте на порядки.

За останні 10 років квантові комп'ютери пройшли шлях від чистої теорії до перших зразків, що працюють. Щоправда, до обіцяної революції доведеться пройти ще чималий шлях, та й її вплив у результаті може виявитися не таким всеосяжним, як видається зараз.

Як працює квантовий комп'ютер

Квантовий комп'ютер – пристрій, який використовує явища квантової суперпозиції та квантової заплутаності. Основним елементом таких обчисленнях є кубит, чи квантовий біт. За всіма цими словами криється досить складна математика та фізика, але якщо їх максимально спростити, то вийде приблизно таке.

У звичайних комп'ютерах ми маємо справу із бітами. Біт - одиниця виміру інформації в двійковій системі. Він може приймати значення 0 і 1, що дуже зручно як для математичних операцій, але й логічних, оскільки нулю можна зіставити значення «хибно», а одиниці – «істинно».

Сучасні процесори побудовані з урахуванням транзисторів, напівпровідникових елементів, які можуть пропускати, або пропускати електричний струм. Інакше кажучи, видавати два значення 0 і 1. Так само у флеш-пам'яті транзистор з плаваючим затвором може зберігати заряд. Якщо вона є, ми отримуємо одиницю, якщо її немає – нуль. Аналогічним чином працює і магнітний цифровий запис, тільки носієм інформації там є магнітна частинка, або має або не має заряд.

При обчислення ми зчитуємо з пам'яті значення біта (0 або 1) і потім пропускаємо струм через транзистор і в залежності від того, пропускає він його чи ні, отримуємо на виході новий біт, можливо, має інше значення.

Що таке кубити для квантових комп'ютерів? У квантовому комп'ютері головним елементом є кубит – квантовий біт. На відміну від звичайного біта він перебуває у стані квантової суперпозиції, тобто має значення і 0, і 1, і будь-які їх поєднання будь-якої миті часу. Якщо в системі знаходиться кілька кубітів, то зміна одного також тягне за собою зміну інших кубітів.

Це дозволяє одночасно прораховувати усі можливі варіанти. Звичайний процесор з його бінарними обчисленнями фактично прораховує варіанти послідовно. Спочатку один сценарій, потім інший, потім третій тощо. Щоб прискорити, почали застосовувати багатопоточність, запускаючи обчислення паралельно передвиборку, щоб передбачати можливі варіанти розгалуження і прораховувати їх заздалегідь. У квантовому комп'ютері це все робиться паралельно.

Відрізняється принцип обчислень. У якомусь сенсі квантовий комп'ютер вже містить усі можливі варіанти розв'язання задачі, нашим завданням є вважати стан кубитів і... вибрати з них правильний варіант. І ось тут починаються складнощі. У цьому полягає принцип роботи квантового комп'ютера.

Створення квантового комп'ютера

Якою буде фізична природа квантового комп'ютера? Досягти квантового стану можна тільки у частинок. Кубіт не побудуєш із кількох атомів, як транзистор. Поки що цю проблему до кінця не вирішено. Є кілька варіантів. Використовуються зарядові стани атомів, наприклад, присутність або відсутність електрона у звичайній точці, надпровідні елементи, фотони і т.д.

Такі «тонкі матерії» накладають обмеження і вимірювання стану кубитів. Енергії вкрай малі, необхідні підсилювачі, щоби прочитати дані. Але підсилювачі можуть впливати на квантову систему і змінювати її стану, втім, як вони, і навіть сам факт спостереження може мати значення.

Квантові обчислення припускають послідовність операцій, що здійснюються з одним або кількома кубіти. Ті, у свою чергу, ведуть за собою зміни всієї системи. Завдання вибрати із її станів правильне, що дає результат обчислень. При цьому може бути скільки завгодно багато станів, максимальне наближених до такого. Відповідно, точність таких обчислень майже всього відрізнятиметься від одиниці.

Таким чином, для повноцінного квантового комп'ютера потрібні значні досягнення у фізиці. Крім того, програмування для квантового комп'ютера відрізнятиметься від існуючого зараз. Нарешті, квантові комп'ютери не зможуть вирішити завдання, які не під силу звичайним, але можуть прискорити рішення тих, з якими вони справляються. Щоправда, знову ж таки не всі.

Рахунок на кубити, кубитний квантовий комп'ютер.

Поступово проблеми на шляху квантового комп'ютера знімаються. Перші кубити були збудовані ще на початку століття. Процес прискорився на початку десятиліття. Сьогодні розробники вже можуть виробити процесори з десятками кубитів.

Останнім часом проривом стало створення процесора Bristlecone в надрах Google. У березні 2018 року компанія заявила, що змогла збудувати 72-кубітний процесор. На яких фізичних принципах побудований Bristlecone Google не повідомляє. Проте вважається, що з досягнення «квантового переваги», коли квантовий комп'ютер починає перевершувати звичайний, досить 49 кубитів. Google вдалося виконати цю умову, але рівень помилок в 0,6% поки вище, ніж потрібно в 0,5%.

Восени 2017 року IBM оголосила про створення прототипу 50-кубітового квантового процесора. Він проходить тестування. Але 2017 року IBM відкрила свій 20-кубітовий процесор для хмарних обчислень. У березні 2018 року було запущено меншу версію IBM Q. Ставити експерименти на такому комп'ютері можуть усі охочі. За їхніми результатами вже вийшло 35 наукових праць.

Ще на початку 10-річчя на ринку з'явилася шведська компанія D-Wave, яка позиціонувала комп'ютери як квантові. Вона породила безліч суперечок, оскільки оголошувала про створення 1000-кубітних машин, тоді як визнані лідери «колупалися» лише з парою кубитів. Комп'ютери шведських розробників продавалися за ціною $10-15 мільйонів, так що перевірити їх було не так просто.

Комп'ютери D-Wave не є квантовими у прямому розумінні цього слова, але використовують деякі квантові ефекти, які можна застосовувати для вирішення деяких оптимізації завдань. Інакше висловлюючись, в повному обсязі алгоритми, які можна виконані на квантовому комп'ютері, отримують на D-Wave квантове прискорення. Google придбала одну із систем шведів. В результаті її дослідники визнали комп'ютери "обмежено квантовими". При цьому з'ясувалося, що кубити згруповані кластерами по вісім, тобто їхня реальна кількість помітно менша, ніж декларована.

Квантовий комп'ютер у Росії

Традиційно сильна школа фізики дозволяє зробити істотний внесок у вирішення фізичних проблем для створення квантового комп'ютера. У січні 2018 року росіяни створили підсилювач сигналу для квантового комп'ютера. Враховуючи, що своєю роботою підсилювач сам по собі здатний впливати на стан кубитів, рівень шуму, що генерується ним, повинен мало відрізнятися від «вакуумного». Це й вдалося російським ученим із лабораторії «Надпровідні метаматеріали» НДТУ «МІСіС» та двох інститутів РАН. Для створення підсилювача використовувалися надпровідники.

У Росії також створено квантовий центр. Це недержавна дослідницька організація, яка займається дослідженнями у сфері квантової фізики. У тому числі, вона займається проблемою створення кубитів. За центром стоїть бізнесмен Сергій Білоусов та професор Гарвардського університету Михайло Лукін. Під його керівництвом у Гарварді вже було створено 51-кубітовий процесор, який деякий час до анонсу Bristlecon був найпотужнішим квантовим комп'ютером у світі.

Розвиток квантових обчислень став частиною держпрограми "Цифрова економіка". У 2018-20 роки на роботи у цій сфері виділятиметься держпідтримка. Планом заходів передбачено створення квантового симулятора на восьми надпровідникових кубітах. Після цього вирішуватиметься питання подальшого масштабування цієї технології.

Крім того, до 2020 року в Росії збираються випробувати ще одну квантову технологію: побудова кубитів на нейтральних атомах та заряджених іонах у пастках.

Однією з цілей програми є створення пристроїв квантової криптографіки та квантових комунікацій. Буде створено центри розподілу квантових ключів, які їх роздаватимуть споживачам – банкам, дата-центрам, галузевим підприємствам. Вважається, що повноцінний квантовий комп'ютер може за лічені хвилини зламати будь-який сучасний алгоритм шифрування.

В підсумку

Отже, квантові комп'ютери поки що все ще залишаються експериментальними. Малоймовірно, що повноцінний квантовий комп'ютер, який забезпечує справді високу обчислювальну потужність, з'явиться раніше наступного десятиліття. Виробництво кубітів і побудова з них стабільних систем все ще далеко від досконалості.

Судячи з того, що фізично квантові комп'ютери мають кілька рішень, які відрізняються технологіями і, ймовірно, вартістю, вони не будуть уніфіковані ще 10 років. Процес стандартизації може розтягнутися надовго.

Крім того, вже зараз зрозуміло, що квантові комп'ютери і протягом наступного десятиліття, швидше за все, будуть «штучними» та дуже дорогими пристроями. Навряд чи вони виявляться в кишені у простого користувача, але списку суперкомп'ютерів очікується їхня появи.

Ймовірно, квантові комп'ютери будуть пропонуватися в «хмарній» моделі, коли їх ресурси зможуть залучити зацікавлені дослідники та організації.