Квантові комп'ютери. Чому їх ще немає, хоча вони вже є?

П'ятдесят років тому смартфони здалися б абсолютно чарівними комп'ютерами. Точно так само, як класичні комп'ютери були майже важко уявити для попередніх поколінь, сьогодні ми стикаємося з народженням абсолютно нового типу обчислень: чогось настільки містичного, що його можна назвати чарівним. Це квантові комп'ютери. Якщо слово «квантовий» вам незнайоме, ви не самотні. Цей дуже холодний, маленький, чутливий і дуже дивний світ може здатися сумнівною системою, на якій пропонується побудувати комерційну обчислювальну машину, але це саме те, над чим працюють IBM , Rigetti Computing та інші компанії.

У січні на CES в рамках ініціативи IBM Q показали System One (див. вище): сліпучу, витончену і схожу на люстру машину, яка стала першою інтегрованою універсальною системою квантових обчислень для комерційного використання, з якої міг пограти кожен.

Про потенціал квантових комп'ютерах чув, напевно, кожен: властивості квантової фізики відкривають масивно паралельні схеми обчислень, які, ймовірно, забезпечать величезні стрибки обчислювальної потужності і випередять будь транзисторні суперкомп'ютери, з якими ми можемо зіткнутися — сьогодні і завтра. Вони зроблять революцію в галузі хімії, фармацевтики, матеріалознавства і машинного навчання.

Але що саме робить квантові комп'ютери такими потужними? Давайте розбиратися.

Що таке кубіти?

Для початку згадаємо, як працюють квантові комп'ютери.

Секрет майстерності в тому, що вони маніпулюють кубітами. Все, що обробляє класичний комп'ютер — текст, зображення, відео і так далі — складається з довгих рядків нулів і одиниць, або бітів. По своїй суті біт представляє один стан з двох: вкл/викл, або підключена електрична ланцюг, або ні. У сучасних комп'ютерах біт зазвичай представлений електричним напругою або імпульсом струму.

Квантові комп'ютери, навпаки, покладаються на кубіти. Як і двійкові біти, кубіти лежать в основі обчислень, з одним великим відмінністю: кубіти, як правило, є надпровідниками електронів або інших субатомних частинок. Не дивно, що маніпуляції кубітами представляють складну наукову та інженерну задачу. IBM, наприклад, використовує кілька шарів надпровідних ланцюгів, які знаходяться в контрольованому середовищі і поступово прохолоджуються до температур, які нижчі, ніж глибокий космос — близько абсолютного нуля.

Оскільки кубіти мешкають у квантовій реальності, в них є дивовижні квантові властивості.

Суперпозиція, заплутаність та інтерференція

Якщо біт представити як монету з орлом (0) або решкою (1), кубіти будуть представлені обертається монетою: у певному сенсі, вони одночасно і орли, і решки, причому кожний стан має певну ймовірність. Вчені використовують калібровані мікрохвильові імпульси, щоб поміщати кубіти в суперпозицію; точно так само інші частоти і тривалість цих імпульсів може перевертати кубіт так, щоб він знаходився трохи в іншому стані (але все ще в суперпозиції).

З-за суперпозиції окремий кубіт може представляти набагато більше інформації, ніж двійковий біт. Почасти це відбувається через те, що при початковому введенні кубіти можуть перебирати методом грубої сили величезне число можливих результатів одночасно. Остаточну відповідь з'являється лише коли вчені вимірюють кубіти — так само, використовуючи мікрохвильові сигнали — що змушує їх «коллапсировать» у двійкове стан. Найчастіше вченим доводиться проводити розрахунки кілька разів, щоб перевірити відповідь.

Заплутаність — ще більш приголомшлива штука. Застосування мікрохвильових імпульсів на пару кубітів може заплутати їх так, що вони завжди будуть існувати в одному квантовому стані. Це дозволяє вченим маніпулювати парами заплутаних кубітів, просто змінюючи стан одного з них, навіть якщо вони фізично розділені великою відстанню, звідси і «страшне дію на відстані». З-за передбачуваною природи заплутаності, додавання кубітів експоненціально збільшує обчислювальну потужність квантового комп'ютера.

Інтерференція — останнє з властивостей, які реалізують квантові алгоритми. Уявіть собі котяться хвилі: іноді вони підганяють один одного (діють конструктивно), іноді гасять (деструктивно). Використання інтерференції дозволяє вченим контролювати стану, посилюючи тип сигналів, які призводять до правильної відповіді, і скасовуючи ті, які видають невірні відповіді.

Як програмуються квантові комп'ютери?

Основна мета полягає в тому, щоб закодувати частини завдання складне квантовий стан, використовуючи кубіти, і потім маніпулювати цим станом, щоб привести його до якогось рішення, яке можна буде виміряти після колапсу суперпозиций у детерміновані послідовності нулів (0) та одиниць (1).

Незрозуміло? Перечитайте ще раз.

Звучить складно, але оскільки всі терміни ми вже розібрали, зрозуміти можна.

Як і у випадку з класичним програмуванням, вчені розробляють мови асемблера низького рівня, які машина розуміє краще, щоб перейти від них до мов високого рівня і графічних інтерфейсів, більш підходящим для людського розуму. IBM Qiskit, наприклад, дозволяє експериментаторам створювати завдання і перетягувати логічні елементи.

Демон декогеренции

Чому ж квантові комп'ютери ще не продаються на кожному розі? У певному сенсі, вчені намагаються побудуватидосконалі машини з недосконалих частин. Квантові комп'ютери надзвичайно чутливі до збурень, шуму та інших впливів навколишнього середовища, які змушують їх квантовий стан коливатися і зникати. Цей ефект називається декогеренцией.

Для деяких експертів декогеренції — це проблема, що стримує квантові обчислення. Навіть при всіх дотриманих заходи шум може просочитися в розрахунки. Вчені можуть зберігати квантову інформацію до тих пір, поки вона не втратить свою цілісність під впливом декогеренции, що обмежує число обчислень, які можна здійснювати поспіль.

Делікатна природа квантових обчислень також є причиною того, що сліпе додавання кубітів в систему не обов'язково зробить її могутніше. Відмовостійкість ретельно досліджується в області квантових обчислень: за логікою, додавання кубітів може компенсувати деякі проблеми, але для створення єдиного, надійного кубіта для перенесення даних потребутся мільйони коригувальних помилки кубітів. А у нас їх сьогодні не більше 128. Можливо допоможуть розумні алгоритми, які також розробляються.

Імітація квантового з допомогою квантових комп'ютерів

Оскільки великі дані зараз гаряча тема, можна було б очікувати, що квантові комп'ютери будуть краще обробляти великі набори даних, ніж класичні. Але це не так.

Замість цього, квантові комп'ютери будуть особливо гарні в моделюванні природи. Наприклад, квантові обчислення можна було б використовувати для більш ефективного побудови молекул ліків, тому що вони в основному працюють на тій же основі, що і молекули, які вони намагаються змоделювати. Обчислення квантового стану молекули — неймовірно складне завдання, яка майже непосильна наших комп'ютерів, але квантові комп'ютери впораються з нею на ура.

так само квантові обчислення можуть перевернути область матеріалознавства або передачі інформації. Завдяки заплутаності, кубіти, фізичні розділені великою відстанню, можуть створити канал для передачі інформації, який з наукової точки зору буде безпечніше наших існуючих каналів. Квантовий інтернет цілком здійснимо.

Але найцікавіше ось що: ми навіть не знаємо всього розмаїття дивовижних питань, які можуть спробувати вирішити квантові комп'ютери. Просто маючи комерційний квантовий комп'ютер і дозволяючи людям з ним працювати, ми могли б намітити нові цікаві області, відповідні для цієї приголомшливої нової технології.

А які завдання спробували б вирішити на квантовому комп'ютері ви? Розкажіть .