Если вы понимаете, как работают эти системы, тогда вы понимаете, почему они могут все изменить.
Если бы кто-то попросил вас изобразить квантовый компьютер, что бы вы увидели в своей голове?
Может быть, вы видите нормальный компьютер — просто побольше, внутри которого творится какая-то загадочная физическая магия? Забудьте о ноутбуках или настольных компьютерах. Забудьте о компьютерных серверных фермах. Квантовый компьютер принципиально отличается как по внешнему виду, так и, что более важно, по способу обработки информации.
В настоящее время существует несколько способов построить квантовый компьютер. Но давайте начнем с описания одного из ведущих дизайнов, чтобы помочь объяснить, как он работает.
Представьте себе нить накаливания, висящую вверх дном, но это самый сложный свет, который вы когда-либо видели. Вместо одного тонкого витка проволоки он организовал их серебристые рои, аккуратно сплетенные вокруг сердечника. Они расположены слоями, которые сужаются по мере движения вниз. Золотые пластины разделяют конструкцию на секции.
Внешняя часть этого сосуда называется люстрой. Это холодильник с наддувом, в котором используется специальная смесь сжиженного гелия для охлаждения квантового чипа компьютера почти до абсолютного нуля. Это теоретически возможная самая низкая температура.
При таких низких температурах крошечные сверхпроводящие цепи в чипе приобретают свои квантовые свойства. И именно эти свойства, как мы скоро увидим, можно использовать для выполнения вычислительных задач, которые были бы практически невозможны на классическом компьютере.
Традиционные компьютерные процессоры работают в двоичном формате: миллиарды транзисторов, обрабатывающих информацию на вашем ноутбуке или смартфоне, либо включены (1), либо выключены (0). Используя серию схем, называемых «воротами», компьютеры выполняют логические операции в зависимости от состояния этих переключателей.
Классические компьютеры созданы с учетом определенных жестких правил. Это делает их чрезвычайно надежными, но также делает их непригодными для решения определенных видов проблем, в частности, проблем, в которых вы пытаетесь найти иголку в стоге сена.
Вот где помогают квантовые компьютеры.
Если вы думаете о компьютере, решающем проблему, как о мыши, бегущей по лабиринту, классический компьютер находит свой путь, пробуя каждый путь, пока не достигнет конца.
Что, если вместо решения лабиринта методом проб и ошибок вы могли бы рассмотреть все возможные маршруты одновременно?
Квантовые компьютеры делают это, заменяя двоичные «биты» классических вычислений чем-то, что называется «кубитами». Кубиты действуют согласно загадочным законам квантовой механики: теории, согласно которой физика работает по-разному на атомном и субатомном уровнях.
Классический способ продемонстрировать квантовую механику — направить свет через барьер с двумя щелями. Часть света проходит через верхнюю щель, часть — через нижнюю, и световые волны сталкиваются друг с другом, создавая интерференционный узор.
Но теперь приглушайте свет, пока вы не испускаете один за другим отдельные фотоны — элементарные частицы, из которых состоит свет. По логике, каждый фотон должен пройти через единственную щель, и им нечему мешать. Но каким-то образом получается интерференционная картина.
Вот что происходит в соответствии с квантовой механикой: пока вы не обнаружите их на экране, каждый фотон находится в состоянии, называемом «суперпозиция». Как будто он проходит сразу все возможные пути. То есть до тех пор, пока состояние суперпозиции не «схлопнется» под наблюдением, чтобы показать единственную точку на экране.
Кубиты используют эту способность для очень эффективных вычислений.
В примере с лабиринтом состояние суперпозиции будет содержать все возможные маршруты. А затем вам придется свернуть состояние суперпозиции, чтобы выявить наиболее вероятный путь к сыру.
Точно так же, как вы добавляете больше транзисторов, чтобы расширить возможности своего классического компьютера, вы добавляете больше кубитов, чтобы создать более мощный квантовый компьютер.
Благодаря квантово-механическому свойству, называемому «запутанность», ученые могут переводить несколько кубитов в одно и то же состояние, даже если кубиты не контактируют друг с другом. И хотя отдельные кубиты существуют в суперпозиции двух состояний, это возрастает экспоненциально по мере того, как вы запутываете больше кубитов друг с другом. Таким образом, система с двумя кубитами хранит 4 возможных значения, а система с 20 кубитами — более миллиона.
Так что это значит для вычислительной мощности? Это помогает подумать о применении квантовых вычислений к реальной проблеме: к проблеме простых чисел.
Простое число — это натуральное число больше 1, которое может делиться только на одно целое или на 1.
Хотя маленькие числа легко умножить на гигантские, гораздо сложнее пойти в обратном направлении; вы не можете просто посмотреть на число и определить его факторы. Это основа для одной из самых популярных форм шифрования данных, называемой RSA.
Расшифровать безопасность RSA можно только факторизацией произведения двух простых чисел. Каждый простой множитель обычно состоит из сотен цифр, и они служат уникальными ключами к проблеме, которая фактически неразрешима без знания ответов заранее.
В 1995 году математик Питер Шор, работавший тогда в AT&T Bell Laboratories, разработал новый алгоритм факторизации простых чисел любого размера. Однажды квантовый компьютер сможет использовать свои вычислительные мощности и алгоритм Шора, чтобы взломать все, от ваших банковских записей до ваших личных файлов.
В 2001 году IBM создала квантовый компьютер с семью кубитами, чтобы продемонстрировать алгоритм Шора. В качестве кубитов они использовали атомные ядра, которые имеют два разных состояния спина, которыми можно управлять с помощью радиочастотных импульсов.
Это был не лучший способ создать квантовый компьютер, потому что его очень сложно масштабировать. Но ему удалось запустить алгоритм Шора и разложить 15 на 3 и 5. Вычисление вряд ли впечатляющее, но все же большое достижение в простом доказательстве того, что алгоритм работает на практике.
Даже сейчас эксперты все еще пытаются заставить квантовые компьютеры работать достаточно хорошо, чтобы соответствовать лучшим классическим суперкомпьютерам.
Это остается чрезвычайно сложной задачей, в основном из-за хрупкости квантовых состояний. Трудно полностью остановить взаимодействие кубитов с окружающей средой даже с помощью высокоточных лазеров в переохлажденных или вакуумных камерах.
Любой шум в системе приводит к состоянию, называемому «декогеренцией», когда суперпозиция нарушается, и компьютер теряет информацию.
Небольшое количество ошибок является естественным в квантовых вычислениях, потому что мы имеем дело с вероятностями, а не со строгими правилами двоичного кода. Но декогеренция часто приводит к настолько сильному шуму, что затемняет результат.
Когда один кубит переходит в состояние декогеренции, запутанность, которая позволяет всей системе, разрушается.
Так как же это исправить? Ответ называется исправлением ошибок — и это может произойти несколькими способами.
Исправление ошибок №1: квантовый компьютер с полностью исправленными ошибками может обрабатывать распространенные ошибки, такие как «перевороты битов», когда кубит внезапно переходит в неправильное состояние.
Для этого вам нужно будет построить квантовый компьютер с несколькими так называемыми «логическими» кубитами, которые на самом деле выполняют математические вычисления, и набором стандартных кубитов, исправляющих ошибки.
Чтобы система заработала, потребуется много кубитов с исправлением ошибок — около 100 на логический кубит. Но конечным результатом был бы чрезвычайно надежный и обычно полезный квантовый компьютер.
Исправление ошибок №2: другие эксперты пытаются найти умные способы увидеть сквозь шум, создаваемый различными ошибками. Они пытаются построить то, что они называют «шумными квантовыми компьютерами промежуточного масштаба», используя другой набор алгоритмов.
В некоторых случаях это может сработать, но, вероятно, не во всех случаях.
Исправление ошибки №3: Другая тактика — найти новый источник кубита, который не так восприимчив к шуму, как «топологические частицы», которые лучше удерживают информацию. Но некоторые из этих экзотических частиц (или квазичастиц) являются чисто гипотетическими, поэтому до внедрения этой технологии могут потребоваться годы или десятилетия.
Из-за этих трудностей квантовые вычисления продвигались медленно, хотя были и некоторые значительные достижения.
В 2019 году Google использовал 54-кубитный квантовый компьютер под названием Sycamore, чтобы выполнить невероятно сложное (если не бесполезное) моделирование менее чем за 4 минуты — миллион раз запустив квантовый генератор случайных чисел, чтобы определить вероятность различных результатов.
Sycamore работает совсем не так, как квантовый компьютер, созданный IBM для демонстрации алгоритма Шора. Сикамор берет сверхпроводящие цепи и охлаждает их до таких низких температур, что электрический ток начинает вести себя как квантово-механическая система. В настоящее время это один из ведущих методов создания квантового компьютера, наряду с захватом ионов в электрических полях, где разные уровни энергии аналогичным образом представляют разные состояния кубита.
Сикамор стал крупным прорывом, хотя многие инженеры не согласны с тем, насколько именно. Google сказал, что это первая демонстрация так называемого квантового преимущества: достижение задачи, которая была бы невозможна для классического компьютера.
В нем говорилось, что лучшему суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет для выполнения той же задачи. IBM оспорила это утверждение.
По крайней мере, сейчас до серьезных квантовых компьютеров еще далеко. Но благодаря миллиардам долларов инвестиций от правительств и крупнейших мировых компаний гонка за возможностями квантовых вычислений идет полным ходом. Настоящий вопрос заключается в следующем: как квантовые вычисления изменят то, что на самом деле означает для нас «компьютер». Как это изменит то, как работает наш мир, связанный с электроникой? И когда?