Квантовые компьютеры — будущее: но есть нюанс, о котором часто умалчивают

Эксперты MakeUseOf объяснили, почему квантовые компьютеры не станут полноценной заменой привычной электронике, хотя имеют большой потенциал.

Как работают кубиты

Современная вычислительная техника — от смартфонов до суперкомпьютеров — функционируют на базе специальной единицы цифровой информации — бите. Он может находиться в одном из двух состояний: 0 или 1. Миллиарды транзисторов внутри процессора переключаются между этими нулями и единицами, выполняя четкие, последовательные логические команды.

Квантовые компьютеры работают совершенно иначе, поскольку их базовой единицей является квантовый бит (кубит). Главное отличие кубита в том, что он может существовать в комбинации обоих состояний одновременно. Это свойство называется суперпозицией.

Для понимания этого процесса лучше всего подходит аналогия с монетой. Классический бит — это монета, лежащая на столе (она показывает либо орла, либо решку). А кубит — это подброшенная вращающаяся монета. Пока она в воздухе, она является и орлом, и решкой одновременно, охватывая все возможные варианты развития событий. Итоговое значение фиксируется только в момент ее остановки (измерения).

Главный недостаток квантовых вычислений

Мощь квантовых компьютеров кроется еще в одном явлении — квантовой запутанности (entanglement). Когда кубиты запутываются, состояние одного начинает зависеть от состояния другого, даже если они физически разделены. Это позволяет системе оценивать огромное количество вероятностей одновременно, обеспечивая экспоненциальный, а не линейный рост вычислительной мощности. Вместо того чтобы перебирать все варианты по очереди, алгоритмы квантового компьютера активно меняют вероятности: усиливают шансы на правильный ответ и отсекают заведомо неверные решения.

Однако обеспечивать стабильность таких систем крайне сложно. В отличие от обычных микросхем, кубиты создаются из электронов, фотонов или сверхпроводящих цепей, требуя экстремальных условий. Например, сверхпроводящие кубиты работают в вакууме при температуре, близкой к абсолютному нулю (−273°C). Любое внешнее воздействие разрушает их квантовое состояние (процесс "декогеренции"), что делает результаты вычислений неточными. Именно из-за проблем со стабильностью такие машины пока остаются огромными лабораторными установками.

Не замена, а дополнение к обычным ПК

Существует мнение, что квантовые компьютеры заменят теперешние ПК и ноутбуки, сделав интернет, видеоигры или работу с текстами шустрее. В действительности их роль более узкоспециализирована. Они не умеют выполнять вещи "быстрее" в классическом понимании — они просто решают задачи другим способом.

В чем квантовые компьютеры хороши:

• Криптография: анализ определенных систем шифрования и факторизация больших чисел (разложение на множители), например, с помощью алгоритма Шора.
• Научное моделирование: они идеальны для симуляции сложных химических реакций, поведения молекул или квантовых материалов.
• Оптимизация: маршрутизация логистики, анализ транспортных потоков или сложнейшее финансовое моделирование.
• Сложная математика: решение нишевых математических задач, которые экспоненциально масштабируются на классическом оборудовании.
• Машинное обучение: потенциальное ускорение экспериментальных методов ИИ и анализа данных, включающих модели с высокой степенью вероятности.

Где квантовые компьютеры бесполезны:

• Улучшение повседневных офисных программ, браузеров или антивирусов.
• Рендеринг графики, видеомонтаж или обработка физики в компьютерных играх.
• Обычный поиск в интернете или классическая многозадачность (запуск нескольких приложений одновременно).
• Тренировка повседневных моделей ИИ быстрее, чем это делают современные GPU (по крайней мере, с текущими технологиями).

Таким образом, квантовые и классические компьютеры не конкурируют. Скорее всего, они будут использоваться параллельно. Что касается проблемы потенциального взлома традиционных протоколов шифрования, она реальна. Но эксперты уже разрабатывают пост-квантовые технологии защиты, чтобы предупредить негативные последствия внедрения квантовых систем.

Еще Фокус рассказывал, чем опасны квантовые компьютеры и как от них защититься. Специалисты из МВФ считают, что скоро появится машина, которая полностью нивелирует все преимущества современной криптографии. Поэтому нам следует как можно скорее искать способы защиты от столь сильного "хакера".