Наше майбутнє, про яке ми помиляємось: що таке квантові комп'ютери насправді

Як квантові технології трансформують сучасний світ і наше майбутнє?

Багато хто уявляє собі квантовий комп'ютер як звичайний ноутбук, тільки значно потужніший. Однак це глибока помилка. Квантові машини функціонують на основі екзотичних фізичних явищ, що відбуваються між їхніми основними компонентами – кубітами, пише 24 Канал.

Це була б помилка, оскільки квантові комп'ютери принципово відрізняються,
– пояснює експерт із квантових обчислень Гарвардського університету та провідний автор книги "Building Quantum Computers" Шаян Маджиді.

Для того, щоб орієнтуватися в цій складній темі, варто виділити три фундаментальні аспекти, а точніше, стереотипи чи помилки, які побутують серед людей.

Якщо оперативні новини для вас важливі Додайте 24 Канал у вибрані в Google Додати

Це вже наша реальність

По-перше, важливо усвідомити, що квантові комп'ютери – це не технологія далекого майбутнього, а реальність, яка вже існує. Всупереч поширеному запитанню "коли вони з'являться", науковці по всьому світу вже використовують їх у щоденній роботі. Деякі компанії навіть надали публічний доступ до своїх систем, дозволяючи дослідникам і ентузіастам підключатися до квантових потужностей зі свого дому, пише New Scientist.

Хоча вони ще не стали такими ж масовими, як великі мовні моделі, їхня спеціалізація постійно розширюється. Сьогодні фахівці використовують ці пристрої як для фундаментальних наукових досліджень, так і для створення компонентів майбутніх великомасштабних квантових мереж.

Я не здивуюся, якщо протягом 5 – 10 років я буду наставляти студентів, які просто регулярно отримуватимуть доступ до квантових комп'ютерів через хмару,
– прокоментував розвиток технології Шаян Маджиді.

Краще, але не зовсім

По-друге, квантові комп'ютери не зроблять кожне обчислення простішим чи швидшим. Існує хибна думка, що вони з часом зроблять класичні комп'ютери застарілими. Насправді квантові машини є не "швидшими" у загальному розумінні, а радше "інакше спроможними". Вони демонструють значну перевагу лише у вирішенні дуже специфічних завдань.

• До таких завдань належать розкладання великих чисел на множники, що має критичне значення для зламу сучасних методів шифрування, та швидкий пошук у неструктурованих базах даних.
• Також вони незамінні для моделювання складних квантових систем, вирішення певних завдань оптимізації та операцій лінійної алгебри за певних умов.

Однак для повсякденних справ, таких як перегляд вебсторінок, надсилання повідомлень чи відеоігри, квантовий комп'ютер не дає жодних переваг порівняно зі звичайним ноутбуком. Використовувати таку потужну техніку для завдань, з якими легко справляється класична архітектура, було б марною тратою ресурсів.

Більше не означає краще

По-третє, квантовий комп'ютер не працює як велика кількість класичних комп'ютерів, що функціонують одночасно. Поширений міф про "нескінченний паралелізм" стверджує, що завдяки стану суперпозиції кубіти перевіряють усі можливі варіанти розрахунків водночас. Хоча кубіт дійсно може перебувати в комбінації стану нуля та одиниці, і теоретично n кубітів можуть описуватися величезною кількістю варіантів (2 в степені n), проблема полягає в тому, що цю інформацію неможливо прочитати в повному обсязі.

У момент вимірювання квантовий стан "колапсує" до одного звичайного класичного значення. Тому справжня суть квантових алгоритмів полягає в іншому – науковці розробляють їх так, щоб підсилювати правильні відповіді та пригнічувати помилкові. У досконалих алгоритмах усі накладені варіанти взаємодіють так, що під час фінального вимірювання з'являється саме правильний результат.

Таким чином, квантові обчислення відкривають нову еру інновацій, але вони залишаються спеціалізованими інструментами для вирішення конкретних, надскладних наукових та математичних проблем, які раніше вважалися нездійсненними.

Вам також буде цікаво: історія квантових комп'ютерів – від ідеї до найсучасніших рішень

Ідея квантового комп'ютера виникла ще у 1980-х роках, коли фізики зрозуміли, що класичні комп'ютери погано справляються з моделюванням квантових процесів. Одним із головних теоретиків цього напряму став Річард Фейнман, який у 1981 році запропонував створити машину, що сама працювала б за законами квантової механіки. Незабаром ідею розвинув Девід Дойч, який описав концепцію універсального квантового комп'ютера.

На відміну від звичайних комп'ютерів, які працюють із бітами у стані 0 або 1, квантові комп'ютери використовують кубіти. Вони можуть перебувати у кількох станах одночасно завдяки явищу суперпозиції. Інша важлива особливість – квантова заплутаність, коли стан одного кубіта напряму пов'язаний зі станом іншого. Саме це теоретично дозволяє таким системам виконувати деякі обчислення набагато швидше за традиційні суперкомп'ютери, пише 24 Канал.

Перші десятиліття квантові комп'ютери існували переважно у вигляді теорії та лабораторних експериментів. Практичний прорив почався у 1990-х роках. У 1994 році математик Пітер Шор створив алгоритм, який показав, що квантовий комп'ютер може надзвичайно швидко розкладати великі числа на прості множники. Це стало шоком для криптографії, оскільки сучасне шифрування значною мірою базується саме на складності таких обчислень.

Перші експериментальні квантові логічні операції провели у 1995 році в лабораторії NIST під керівництвом лауреата Нобелівської премії Девіда Вайнленда. Саме цей експеримент часто називають народженням практичних квантових обчислень, пише IonQ.

Хто випустив перший квантовий комп'ютер?

Якщо говорити про перший комерційний квантовий комп'ютер, то ним зазвичай вважають систему компанії D-Wave Systems, представлену у 2011 році. Втім, навколо неї було багато суперечок. Частина науковців не вважала D-Wave "справжнім" універсальним квантовим комп'ютером, оскільки система використовувала спеціалізований метод квантового відпалу й була придатна лише для вузького кола задач.

Хто випускає їх зараз?

Сьогодні квантові комп'ютери розробляють одразу кілька технологічних гігантів і спеціалізованих компаній. Серед головних гравців – IBM, Google Quantum AI, Microsoft Quantum, IonQ, Rigetti Computing, Quantinuum та вже згадана D-Wave Systems. Кожна з них використовує різні підходи: надпровідникові кубіти, іонні пастки, фотонні системи або навіть топологічні кубіти.

Найбільше практичних успіхів наразі демонструють IBM і Google.

• IBM стала першою компанією, яка відкрила доступ до квантового комп'ютера через хмару ще у 2016 році, нагадує 24 Канал. Компанія регулярно збільшує кількість кубітів у своїх процесорах і вже створила системи з понад 1000 фізичних кубітів.
• Google прославилася у 2019 році після заяви про досягнення "квантової переваги", коли її процесор Sycamore виконав спеціалізоване завдання швидше за класичний суперкомп'ютер.

На що здатні квантові комп'ютери?

Сучасні квантові комп'ютери поки що не здатні замінити звичайні ПК або сервери. Вони дуже нестабільні, потребують охолодження майже до абсолютного нуля й часто припускаються помилок. Але навіть нинішні системи вже використовуються для експериментів у хімії, фармацевтиці, логістиці та фінансах.

Одне з найперспективніших застосувань – моделювання молекул і матеріалів. Квантові комп'ютери можуть допомогти створювати нові ліки, акумулятори або надпровідники. Вони також потенційно здатні оптимізувати складні логістичні мережі, транспортні системи та біржові розрахунки. Дослідники вивчають використання квантових алгоритмів для розвитку штучного інтелекту та машинного навчання. Зокрема, в дослідженні на сторінках arXiv учені працювали в сфері квантової хімії.

Чи небезпечні квартові комп'ютери та яку загрозу вони можуть нести для людства?

Водночас квантові комп'ютери несуть і серйозні ризики. Найбільша загроза пов'язана із криптографією. Достатньо потужний квантовий комп'ютер теоретично зможе зламувати популярні алгоритми шифрування RSA та ECC, які сьогодні використовуються у банках, месенджерах, VPN, цифрових підписах, паролях і державних системах.

Через це уряди та технологічні компанії вже активно переходять до постквантової криптографії, щоб уникнути ситуації, коли хакери викрали дані сьогодні, а розшифрували через 10 років. Хоча більша частина інформації на той час втратить актуальність, існують дані, які будуть актуальними десятиліттями – військові секрети, креслення зброї та баз, державні таємниці тощо.

Є й інша проблема – нерівний доступ до технології. Якщо лише кілька держав або корпорацій отримають працездатні квантові машини, це може створити величезну технологічну та економічну перевагу. Крім того, існують побоювання щодо використання квантових систем у військовій сфері, розвідці та кіберопераціях.

Який найпотужніший квартовий комп'ютер сьогодні?

Питання про "найпотужніший" квантовий комп'ютер сьогодні залишається складним, оскільки все залежить від критеріїв оцінки. За кількістю фізичних кубітів серед лідерів перебувають системи IBM. Однак у квантових обчисленнях важливіше не кількість кубітів, а рівень помилок і наявність так званих логічних кубітів – стабільних, захищених від помилок елементів.

У 2024 – 2025 роках одним із найгучніших проривів став процесор Willow від Google Quantum AI. Компанія показала, що її система змогла працювати нижче порогу помилок – тобто додавання нових кубітів реально зменшувало кількість помилок, а не збільшувало їх. Це вважається одним із ключових кроків до створення повноцінного квантового комп'ютера, йдеться в дослідженні на Nature.

IBM у 2025 році представила нову дорожню карту створення великого відмовостійкого квантового комп'ютера Starling. Компанія заявляє, що до 2029 року система зможе виконувати 100 мільйонів квантових операцій із використанням 200 логічних кубітів, пише IBM Newsroom.

Які прориви у квантових комп'ютерах з'явилися за останні роки?

Серед інших проривів останніх років – розвиток квантової корекції помилок, створення стабільніших логічних кубітів, експерименти з топологічними кубітами Microsoft, а також нові архітектури масштабування, включно з 3D-підключенням кубітів для систем на 10 000 кубітів, повідомляє Live Science.

То де ж галузь сьогодні?

Як підсумовує 24 Канал, попри гучні заяви, галузь усе ще перебуває на етапі, який науковці називають NISQ – "шумні квантові системи середнього масштабу". Це означає, що квантові комп'ютери вже існують і працюють, але поки що не стали масовими або універсально корисними машинами.

Реальний перехід до повноцінних квантових обчислень, за оцінками більшості компаній, може зайняти ще щонайменше 5 – 15 років.