Чим квантові комп’ютери кращі за звичайні і скільки їх ще чекати

16 листопада компанія IBM оголосила про створення квантового процесора Eagle, що складається зі 127 кубітів. Це помітне досягнення, тому що від кількості кубітів залежить готовність квантових комп’ютерів до практичного використання. Колишні рекордсмени, Sycamore від Google та китайський Jiuzhang, включали лише 53 та 76 кубітів відповідно.

Чим квантові комп’ютери відрізняються від звичайних

Класичний комп’ютер працює з бітами, нулями та одиницями — у них закодовані всі програми та дані, як слова та речення в абетці Морзе. Суть роботи комп’ютера зводиться до перетасовування цих нулів та одиниць за певними правилами (алгоритмами). Процесор комп’ютера приймає потік бітів і перетворює його на інший потік бітів – як любитель пазлів бере деталі мозаїки по одній і збирає з них картинку.

Проблема в тому, що комп’ютер працює послідовно. Щоб отримати потрібний результат, процесор перетасовує біти раз-по-раз, як би перебираючи розклади. Так само і людина збирає пазл: прикладає деталі туди і сюди, перебираючи варіанти у пошуках того, що збігається з потрібним малюнком. Якщо це не картинка, а величезна картина з мільйонів деталей, збірка може затягнутися надовго.

Такі «величезні картини» доводиться «збирати» комп’ютерам, коли мова йде про моделювання клімату, економіки чи складних речовин для потреб медицини та промисловості. Щоб прискорити процес, комп’ютери об’єднують у суперкомп’ютери – великі машини із тисячами процесорів. Вони займають чималі площі та споживають десятки мегават енергії — приблизно як ціле місто на 40-50 тисяч людей.

Але навіть суперкомп’ютер може вирішувати окреме завдання кілька тижнів або навіть місяців, тому замовнику доводиться платити мільйони доларів за одну тільки електрику. Через це багато досліджень коштують дуже дорого. Квантовий комп’ютер вирішує цю проблему важливо.

Як працює квантовий комп’ютер

Якби любитель пазлів мав спеціальний квантовий збирач, досить було б засипати в нього деталі, почекати кілька секунд і витягнути вже готову картинку. Квантовий збирач не перебирає варіанти, з’єднуючи деталі пазла по одній – він з’єднує всі деталі разом, причому у всіх можливих варіантах одночасно. Після цього вибирає з цих варіантів необхідний. Так працює і квантовий комп’ютер.

Замість звичайних бітів такий комп’ютер використовує їхній квантовий різновид — кубіти. Їхню роль відіграють мікрочастинки: атоми якоїсь речовини або навіть окремі фотони. Відповідно до законів фізики, вони можуть перебувати у квантовій суперпозиції — тобто у всіх своїх можливих станах одночасно. Якщо біт у кожний момент часу може бути тільки нулем або одиницею, то кубіт може бути нулем і одиницею одночасно.

Кубіти в квантовому комп’ютері, подібно до деталей пазла, «стиковані» між собою — але не механічно, через опуклості та виїмки, а за допомогою особливого зв’язку, який називається квантовою заплутаністю. Її створюють, дуже обережно присуваючи мікрочастинки одна до одної, через що вони як би зчіплюються і зливаються в одну квантову «хмару».

Мікрочастинки в такій «хмарі» починають залежати одна від одної – з кожним станом одного кубіту зв’язуються певні стани інших кубітів. Якщо в квантовому пазлі одна деталь повернеться на якийсь кут або пересунеться на інше місце – разом з нею автоматично повернуться або пересунуть всі інші деталі. А так як кожна деталь знаходиться в суперпозиції своїх станів — виходить, що «хмара» містить усі можливі варіанти складання пазла, і залишається лише витягнути звідти потрібний чи найкращий.

Це можна сказати інакше: якщо звичайний комп’ютер за секунду перебирає 1000 варіантів пазла, то квантовий за ту ж секунду зможе перебрати 2^1000 (дві в тисячному ступені) варіантів. І що більше у нього кубітів — то більший показник ступеня. Ті завдання, які навіть найпотужніший суперкомп’ютер вирішуватиме тисячі, мільйони чи навіть мільярди років, квантовий вирішить за 10-20 секунд. У цьому вся суть квантової переваги над звичайними комп’ютерами.

Чому створити квантовий комп’ютер так складно

Утримувати кубіти в суперпозиції та заплутаності між собою вкрай важко. Вони можуть бути в такому стані тільки при ідеальній ізоляції від навколишнього середовища. Інакше кубіти «псуються» — із квантових бітів вони перетворюються на звичайні, втрачаючи свій особливий зв’язок між собою і приймаючи конкретне значення — нуль чи одиницю. Такими є закони мікросвіту, які описує квантова механіка.

Як тільки середовище «стосується» мікрочастинки — заплутаність розпадається, а суперпозиція «конденсується» в певний стан, одна з нескінченної множини. Приблизно як велика розмита хмара туману при контакті зі склом осідає на ньому маленькими круглими краплями. Це явище, яке називається квантовою декогеренцією – головний біль для творців квантових комп’ютерів.

Розробникам, щоб уникнути декогеренції, доводиться йти на вкрай високотехнологічні та наукомісткі хитрощі — наприклад, захоплювати мікрочастинки кубітів у оптичні пастки або охолоджувати їх до –273,13 °C. Наднизькі температури, близькі до абсолютного нуля, дуже перспективні для квантових обчислень — вони дозволяють створювати квантові «хмари» з безлічі кубітів.

Чим більше кубітів у квантовому комп’ютері – тим складніше утримувати їх в ізоляції. Фахівці IBM змогли створити 127-кубітний Eagle лише тому, що не стали возитися з кожним кубітом окремо. Натомість інженери об’єднали кубіти в шестикутники, щоб керувати відразу шістьма кубітами за раз, і вибудували їх у багатошарову 3D-схему. Це сильно спростило процесор і дозволило позбавитися безлічі проводів, що звільнило місце для більш потужних і стабільних охолоджувачів кубітів.

Навіщо потрібні квантові комп’ютери

Квантовий комп’ютер може виконати будь-яке обчислювальне завдання, яке може виконати звичайний комп’ютер. Однак не для всіх завдань використання такого комп’ютера має сенс — багато алгоритмів просто не вдасться підготувати так, щоб квантовий процесор виконав його швидше за звичайний процесор. Тому квантові комп’ютери навряд чи замінять класичні — швидше вони займуть роль прискорювачів для окремих завдань. Як зараз відеокарти прискорюють роботу з графікою та відео.

На яких завданнях ефективний квантовий комп’ютер

• пошук потрібного елемента в невпорядкованих списках – квантовий процесор прискорить роботу баз даних та пошукових систем у сотні, тисячі чи мільйони разів;
• дослідження квантових явищ у різних умовах — можна буде моделювати протони, нейтрони, фотони, електрони та інші частинки в колайдерах будь-якої потужності (замість того, щоб будувати їх у реальності), усередині нейтронних зірок або під горизонтом чорних дірок;
• вирішення проблем обчислювальної біології — квантовий комп’ютер зможе дуже точно імітувати поведінку біомолекул у різних середовищах та мільйонів живих істот у тій чи іншій екологічній ніші, а також розшифровувати та проектувати ДНК;
• прискорення машинного навчання – відносно невеликі квантові процесори дозволять створювати потужні нейронні мережі, які зможуть з високою точністю керувати енергетичними та транспортними мережами, роботою промислових об’єктів та цілих галузей економіки;
• вивчення хвороб та створення медичних препаратів — квантові комп’ютери зможуть швидко прораховувати поведінку великих та складних молекул ліків усередині організму, що дозволить створювати ліки без більшої частини випробувань на тваринах та людях;
• зламування систем шифрування – багато криптографічних алгоритмів засновані на неможливості швидко розкласти великі числа на прості множники, але квантові комп’ютери здатні виконувати це за лічені секунди або хвилини, що зробить марними більшість паролів, ключів і сертифікатів.

Коли з’являться квантові комп’ютери, що стабільно працюють.

Різні компанії, лабораторії та вузи періодично заявляють про досягнення квантової переваги — наприклад, Google у 2019 році або Університет науки та техніки Китаю у 2020 році. Щоразу творці рапортують про експоненційне прискорення обчислень – наприклад, китайський квантовий комп’ютер зміг за 20 секунд зробити те, на що класичному суперкомп’ютеру знадобилося б 600 мільйонів років.

Однак нерідко виявляється, що створений квантовий комп’ютер може виконувати один-єдиний процес, часом марний на практиці, а вражаючі цифри переваги не зовсім точні. Деякі моделі квантових комп’ютерів на кшталт машин D-Wave із тисячами кубітів можна назвати лише «частково квантовими» — вони ефективні лише в деяких типах завдань. В цілому ж, до універсального квантового комп’ютера, що стабільно працює, схоже, ще далеко.

Деякі вчені вважають, що створити такий комп’ютер взагалі неможливо. На їхню думку, не вдасться стабільно утримувати в суперпозиції та заплутаності хоча б кілька сотень кубітів. Особливо з урахуванням космічних променів, які регулярно викликають помилки навіть в звичайних комп’ютерах, а в квантових будуть «псувати» кубіти швидше, ніж вони встигнуть вирішити хоч якусь об’ємну задачу.

Проте навіть експериментальні квантові комп’ютери дозволяють вирішувати завдання на кшталт моделювання мікрочастинок і навіть отримувати нові наукові знання. Це спонукає дослідників продовжувати роботу: наприклад, IBM впевнено говорить про створення 1000-кубітного процесора Condor в 2023 році, а Google обіцяє до 2029 створити перший комерційний квантовий комп’ютер – імовірно, він складатиметься з мільйона кубітів. Ці комп’ютери можуть обходити поточні проблеми суто інженерними методами або працювати на абсолютно нових принципах.

Автор Микита Логінов Джерело