Введение: “Парадигмальный сдвиг в вычислениях” благодаря квантовым компьютерам

В последние годы не проходит и дня, чтобы мы не встретили термин «квантовый компьютер» в новостях или статьях о технологиях. Истории, похожие на научную фантастику, например, «завершение вычислений за несколько минут, на которые современным суперкомпьютерам потребовались бы тысячи лет» или «все современные криптографические технологии могут быть взломаны», звучат всё более правдоподобно. Гигантские ИТ-корпорации, такие как Google, IBM и Microsoft, а также университеты и стартапы по всему миру ожесточенно конкурируют за коммерциализацию этой технологии мечты.

Однако, если спросить: «Что же такое квантовый компьютер на самом деле?», мало кто сможет ответить точно. У многих сложился расплывчатый образ «волшебной коробки, способной рассчитывать все комбинации одновременно», но, строго говоря, это не так.

В этой статье мы максимально доступно и в то же время технически грамотно объясним с самых основ, чем квантовый компьютер принципиально отличается от классического (ПК и смартфонов, которыми мы обычно пользуемся), и как такие странные явления квантовой механики, как «Суперпозиция», «Квантовая запутанность» и «Квантовые вентили», используются в вычислениях. Прочитав эту статью до конца, вы сможете четко понять истинное величие квантовых компьютеров и их текущие проблемы.

Глава 1: Принципиальные отличия классических компьютеров от квантовых

Чтобы понять, как работают квантовые компьютеры, нам сначала нужно вспомнить, как работают «классические компьютеры», которыми мы пользуемся сегодня.

Сравнительная таблица: Классический компьютер против Квантового компьютера

Мир классических компьютеров: «Биты» из нулей и единиц

Классические компьютеры представляют всю информацию либо как «0», либо как «1». Это называется бит (Bit) . Физически это выражается высоким (1) или низким (0) напряжением транзистора на полупроводниковом чипе. Фотографии высокого разрешения на вашем смартфоне, текст, который вы сейчас читаете, и ваши любимые видео на YouTube — в конечном итоге сводятся к огромному количеству «нулей и единиц». Вычисления — это не что иное, как процесс манипулирования этими строками нулей и единиц путем объединения базовых логических схем, таких как И (конъюнкция), ИЛИ (дизъюнкция) и НЕ (отрицание). Это очень надежный и детерминированный мир. Если входные данные одинаковы, вы всегда получите один и тот же результат.

Мир квантовых компьютеров: «Кубиты», которые одновременно и 0, и 1

С другой стороны, минимальная единица информации в квантовом компьютере называется кубитом (Qubit: Quantum bit) . Самая важная особенность кубита состоит в том, что он может находиться не только в состоянии «0» или «1», как классический бит, но и в «состоянии, где 0 и 1 смешаны с определенной вероятностью». Это называется «Суперпозиция (Superposition)» .

Например, если классический бит — это монета, лежащая орлом или решкой вверх, то кубит часто сравнивают с «монетой, которая непрерывно вращается в воздухе». Про вращающуюся монету нельзя сказать, орел это или решка, оба состояния накладываются друг на друга. И только в тот момент, когда монета падает на пол и останавливается (в квантовой механике это называется «измерением»), окончательно определяется, «орел» это или «решка».

Квантовые компьютеры включают это специфическое свойство микромира (квантовой механики), при котором «состояние не определено до наблюдения», непосредственно в процесс обработки информации.

Глава 2: Три квантово-механических свойства, в корне меняющих вычисления

Источник невероятной вычислительной мощности квантовых компьютеров заключается не в высокой тактовой частоте или малых размерах компонентов. Он кроется в использовании самих законов физики в качестве вычислительных ресурсов. Ключевыми являются следующие три квантово-механических явления.

1. Суперпозиция (Superposition) и экспоненциальный объем информации

Как упоминалось ранее, кубит может одновременно хранить состояния 0 и 1. Один кубит — это «суперпозиция 0 и 1», но что произойдет, если мы увеличим количество кубитов?

• 1 кубит: суперпозиция 2 состояний (0, 1)
• 2 кубита: суперпозиция 4 состояний (00, 01, 10, 11)
• 3 кубита: суперпозиция 8 состояний
• N кубитов: суперпозиция $2^N$ паттернов

Имея всего 50 кубитов, можно одновременно хранить $2^{50}$ (около 1,1 квадриллиона) состояний. А имея всего 300 кубитов, можно удерживать одновременно $2^{300}$ паттернов (число, превышающее количество всех атомов во Вселенной!). Эта экспоненциальная способность хранения информации является основой потенциала квантовых компьютеров. Физически невозможно заставить классический компьютер хранить в памяти количество состояний, превышающее число атомов во Вселенной.

2. Квантовая запутанность (Entanglement): Жуткое дальнодействие

Квантовая запутанность — это настолько загадочное явление, противоречащее человеческой интуиции, что Эйнштейн называл его «жутким дальнодействием» (Spooky action at a distance) и так и не принял его до конца жизни.

Когда несколько кубитов переходят в состояние «квантовой запутанности», они становятся тесно связанными друг с другом, образуя нечто вроде общей судьбы: «как только состояние одного определено, состояние другого определяется мгновенно, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга» .

Например, предположим, что два кубита А и В запутаны (каждый находится в состоянии суперпозиции 0 и 1). Если мы измерим А и получим «0», то состояние В мгновенно определится (например, всегда будет «1»), превышая скорость света, которая является пределом скорости передачи информации. В квантовых компьютерах эта квантовая запутанность используется для выражения сложных корреляций между несколькими кубитами и выполнения массовой параллельной обработки информации. Без запутанности вычислительная мощность квантового компьютера мало чем отличалась бы от классического.

3. Квантовая интерференция (Quantum Interference): Магия выявления правильного ответа

Вы можете подумать: «Если он может удерживать все паттерны одновременно, разве он не может просто рассчитать их все сразу параллельно и мгновенно выдать ответ?» Это самое распространенное заблуждение о квантовых компьютерах. Даже если вы выполняете вычисления в состоянии суперпозиции, в конечном итоге вам нужно произвести «измерение», чтобы узнать ответ. Но в момент измерения состояние случайным образом коллапсирует в один из $2^N$ паттернов. В результате получится просто случайный ответ.

Здесь на сцену выходит «Квантовая интерференция (Interference)» . Когда волны сталкиваются, там, где их фазы совпадают, они усиливают друг друга, а там, где фазы противоположны — гасят (в сущности, тот же принцип используется в наушниках с активным шумоподавлением).

Хороший «квантовый алгоритм» ловко манипулирует квантовыми состояниями в процессе вычислений так, чтобы «амплитуды вероятностей состояний (волн), ведущих к правильному ответу, усиливались друг другом (амплификация)» , а «амплитуды вероятностей состояний, ведущих к неправильным ответам, гасили друг друга (аннуляция)» . В итоге он спроектирован так, что при финальном измерении «правильный ответ» выпадает с вероятностью, близкой к 100%. Искусное проектирование этого процесса интерференции и есть суть квантового программирования.

Глава 3: Как происходят вычисления? «Квантовые вентили» и «Квантовые схемы»

Подобно тому, как классические компьютеры используют логические вентили (И, ИЛИ, НЕ и т. д.) для выполнения вычислений, квантовые компьютеры применяют к кубитам операции, называемые «Квантовыми вентилями (Quantum Gates)» . Комбинация из нескольких квантовых вентилей называется Квантовой схемой (Quantum Circuit) .

Состояние кубита математически представляется точкой на поверхности трехмерной сферы, называемой «Сферой Блоха». Северный полюс — это «0», Южный — «1», а экватор — «состояние, в котором 0 и 1 накладываются друг на друга в равной степени». Квантовые вентили — это не что иное, как операции вращения состояния (вектора) на поверхности этой сферы.

Давайте познакомимся с некоторыми типичными квантовыми вентилями.

1. Вентиль Адамара (H-вентиль)

Это самый фундаментальный вентиль, уникальный для квантовых компьютеров, не имеющий аналогов в классических. Если пропустить кубит в состоянии идеального «0» через H-вентиль, создается «состояние идеальной суперпозиции» (точка на экваторе сферы Блоха), в котором 0 и 1 наблюдаются с вероятностью ровно пятьдесят на пятьдесят. В качестве начального шага многие квантовые алгоритмы начинаются с применения этого H-вентиля ко всем кубитам.

2. Вентили Паули (вентили X, Y, Z)

Это вентили, включающие операции, эквивалентные классическому вентилю НЕ (инверсия 0 в 1, и 1 в 0). На сфере Блоха это соответствует повороту на 180 градусов вокруг осей X, Y и Z. В частности, вентиль X инвертирует Северный полюс (0) в Южный полюс (1), работая точно так же, как классический вентиль НЕ. Вентиль Z играет роль инвертирования «фазы (что-то вроде синхронизации волны)» суперпозиции и чрезвычайно важен для создания квантовой интерференции.

3. Вентиль CNOT (Контролируемое НЕ)

Это сверхважный вентиль для создания квантовой запутанности. Он использует два кубита (управляющий и целевой). Он работает так: «Если управляющий бит равен 1, состояние целевого бита инвертируется (вентиль X). Если управляющий бит равен 0, ничего не происходит». На первый взгляд это похоже на простое условное ветвление IF, но что произойдет, если управляющий бит будет находиться в «состоянии суперпозиции 0 и 1»? Целевой бит перейдет в «состояние, где накладываются инвертированное и неинвертированное состояния», и судьба двух битов окажется полностью связана. Два кубита красиво «запутываются».

Расставляя и применяя эти вентили по порядку слева направо, словно ноты в партитуре, мы можем выполнять сложные алгоритмы.

Глава 4: В чем сильны и в чем слабы квантовые компьютеры?

Здесь мы должны сообщить вам важный факт. Квантовый компьютер — это не всемогущий бог. В повседневных задачах, таких как веб-браузинг, рендеринг видео, обработка макросов в Excel или работа обычных приложений на смартфоне, квантовые компьютеры, вероятно, никогда не превзойдут классические. Для таких последовательных процессов гораздо лучше подходят классические компьютеры, которые уже в высшей степени оптимизированы, могут похвастаться потрясающей скоростью и дешевизной.

Истинная ценность квантовых компьютеров проявляется только в «особых задачах, где количество вычислительных комбинаций на классическом компьютере возрастает экспоненциально, и для их решения потребовалось бы время, равное возрасту Вселенной» . Это называется «Квантовым превосходством (Quantum Supremacy)» или «Квантовым преимуществом (Quantum Advantage)».

В чем преуспевают квантовые компьютеры (Убойные приложения)

1. Факторизация простых чисел и взлом шифров (Алгоритм Шора)

В настоящее время безопасные коммуникации в Интернете (например, оплата кредитными картами или передача личных данных) защищены «алгоритмом шифрования RSA», который основан на предпосылке, что «факторизация огромных чисел практически невозможна (требует колоссального времени) для классического компьютера». Однако, используя «алгоритм Шора», открытый математиком Питером Шором в 1994 году, квантовый компьютер может умело использовать интерференцию, чтобы решить эту задачу с невероятной скоростью (за полиномиальное время). В результате существует риск того, что современные криптографические системы в будущем рухнут, поэтому центральные банки и правительственные учреждения по всему миру спешат перейти на «Постквантовую криптографию (Post-Quantum Cryptography)».

2. Квантово-химические расчеты, разработка новых материалов и лекарств

Поведение молекул и атомов в природе изначально подчиняется законам квантовой механики. Если попытаться смоделировать поведение сложных молекул на классическом компьютере, комбинации взаимодействий между электронами приведут к комбинаторному взрыву, и мы быстро упремся в пределы вычислений даже для относительно небольших молекул. Как сказал лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман: «Если вы хотите симулировать природу, вы должны делать это по законам квантовой механики». Квантовые компьютеры демонстрируют подавляющую естественную мощь в симуляции материалов. Ожидаются прорывы в решении глобальных проблем человечества, такие как разработка инновационных лекарств, открытие сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, создание высокоэффективных материалов для солнечных батарей и аккумуляторов, а также синтез энергоэффективных удобрений.

3. Задачи комбинаторной оптимизации и поиска (Алгоритм Гровера)

Квантовые алгоритмы также эффективны для задач поиска оптимального варианта из огромного числа альтернатив (например, оптимальных логистических маршрутов, оптимизации финансовых портфелей и т. д.). Используя «Алгоритм Гровера», можно найти нужные данные в неструктурированной базе данных за количество шагов, пропорциональное квадратному корню от того, что потребовалось бы классическому компьютеру. Например, если имеется 100 миллионов записей, поиск, требующий до 100 миллионов итераций на классическом компьютере, может быть выполнен примерно за 10 000 итераций.

Глава 5: Физическая стена на пути: «Декогеренция» и «Квантовая коррекция ошибок»

Хотя в теории квантовые компьютеры обладают магической мощью, на пути к их коммерческому использованию стоит чрезвычайно высокая и крутая физическая стена. Самый главный враг — это «Шум» .

«Суперпозиция» и «Квантовая запутанность» кубитов — чрезвычайно тонкие и хрупкие состояния. Достаточно легкого теплового воздействия, колебаний электромагнитных волн или воздействия космических лучей, чтобы это магическое состояние мгновенно разрушилось и кубит превратился в обычный классический бит. Это явление называется «Декогеренцией (Квантовым коллапсом)» .

Ожесточенная конкуренция методов физической реализации

В настоящее время по всему миру исследуются различные способы физического создания этих хрупких кубитов, и идет борьба за лидерство.

• Сверхпроводниковый метод (Superconducting) : Используется Google, IBM, Amazon и др. В нем используются сверхпроводящие контуры, и для контроля квантовых состояний они охлаждаются почти до абсолютного нуля (около -273°C) с помощью гигантских рефрижераторов. В настоящее время это ведущий метод, в котором проще всего увеличивать число кубитов, однако охлаждающее оборудование является громоздким и дорогим.
• Метод ионных ловушек (Trapped Ion) : Используется IonQ, Quantinuum и др. Ионы (атомы) удерживаются в вакууме с помощью электромагнитных полей и контролируются точными лазерами. Преимущество состоит в том, что все кубиты идентичны, а состояния могут сохраняться долго (долгое время когерентности), однако скорость операций медленнее по сравнению со сверхпроводниками.
• Фотонный метод (Photonic) : Приоритет компании PsiQuantum и др. Использует частицы света (фотоны). Главное преимущество в том, что многие компоненты работают при комнатной температуре и не требуют криогенной среды; он также отлично совместим с существующими технологиями производства кремниевых чипов и оптоволоконной связи.
• Топологический метод (Topological) : Долгое время исследуется Microsoft. Это амбициозный подход, использующий топологические свойства особых частиц, называемых энионами, для создания кубитов, которые фундаментально устойчивы к шуму среды. Теоретически это самый мощный метод, но его физическая реализация считается наиболее сложной.

Путь к конечной цели: «Отказоустойчивый квантовый компьютер (FTQC)»

В мире современных классических компьютеров тоже случаются вычислительные ошибки (например, инверсия битов из-за космических лучей), но они идеально исправляются с помощью «кодов коррекции ошибок», поэтому мы пользуемся смартфонами, даже не подозревая о них. Для выполнения крупномасштабных практических вычислений на квантовых компьютерах аналогичным образом необходима «Квантовая коррекция ошибок (Quantum Error Correction: QEC)» .

Однако квантовые состояния обладают свойством «разрушаться при измерении», что порождает фатальную дилемму: нельзя напрямую заглянуть внутрь (измерить), чтобы проверить наличие ошибки. Для решения этой проблемы была разработана теория, позволяющая искусно объединять большое количество нестабильных «физических кубитов» для создания одного стабильного «логического кубита», способного обнаруживать и исправлять ошибки (например, поверхностный код). Тем не менее, считается, что для создания одного логического кубита потребуется от 1 000 до 10 000 физических кубитов. Чтобы запустить алгоритм Шора с использованием тысяч логических кубитов, потребуется колоссальная система, содержащая миллионы или даже десятки миллионов физических кубитов в целом.

Сейчас мы находимся в эре, называемой NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum — квантовые технологии средних масштабов с шумом) . Это переходные устройства без исправления ошибок, работающие на десятках или сотнях кубитов. По прогнозам экспертов, для достижения конечной цели — создания полностью способного к исправлению ошибок «Отказоустойчивого квантового компьютера (Fault-Tolerant Quantum Computer: FTQC)» — потребуются еще от 10 лет до нескольких десятилетий долгосрочных исследований и разработок.

Глава 6: История и будущие перспективы квантовых компьютеров

В заключение давайте посмотрим, как зародились квантовые компьютеры и к чему они движутся.

От рождения теории до демонстрации «Квантового превосходства»

• 1980-е годы : Физики Пол Бениофф и Ричард Фейнман предложили концепцию компьютера, использующего принципы квантовой механики. Отправной точкой стала фраза: «Если вы хотите моделировать природу, используйте квантовую механику».
• 1994 год : Питер Шор публикует квантовый алгоритм факторизации (Алгоритм Шора). Это потрясло мир и привело к притоку колоссального финансирования исследований.
• 1996 год : Лов Гровер публикует Алгоритм Гровера, ускоряющий поиск данных.
• 2019 год : Историческая веха. Google объявляет, что с помощью 53-кубитного сверхпроводящего процессора «Sycamore» они за 200 секунд выполнили вычисление генерации случайных чисел, на которое классическому суперкомпьютеру потребовалось бы (как считалось) 10 000 лет. Это вызвало огромный резонанс как первая в мире демонстрация «Квантового превосходства (Quantum Supremacy)» (хотя позже IBM и другие улучшили алгоритм со стороны классического суперкомпьютера и возразили, что эту задачу можно решить за несколько дней, что вызвало горячие споры).
• 2023 год и далее : IBM анонсирует процессор «Condor» с более чем 1000 кубитов. Кроме того, Гарвардский университет и другие учреждения добились успеха в создании и манипулировании «логическими кубитами», и стали появляться сообщения о ранних демонстрациях технологий исправления ошибок.

На пути к технологиям следующего поколения

Квантовый компьютер — это не просто «ЦП следующего поколения с более высокой тактовой частотой». Это подлинный парадигмальный сдвиг в информатике, фундаментально переписывающий само понятие вычислений по правилам квантовой механики, управляющей микромиром.

Вероятно, при нашей жизни мы не увидим карманных «персональных квантовых смартфонов» (да они и не нужны). Но будущее, в котором мощные квантовые дата-центры в облачных сетях вроде AWS или Azure внезапно откроют лекарство от неизлечимой болезни или изобретут материал для чистой энергии, спасающий от глобального потепления (например, катализатор для синтеза аммиака из атмосферного азота при комнатной температуре), неминуемо приближается.

Сейчас мы находимся на заре, сравнимой с 1940-ми годами и компьютером ENIAC, который работал на перфокартах, пока жар от огромных вакуумных ламп накалял комнату. Тем не менее, лучшие умы исследователей и инженеров по всему миру напряженно работают, и о технологических прорывах сообщается почти ежедневно. То, что мы можем в реальном времени наблюдать эволюцию этого нового «рассвета вычислений», означает, что мы живем в чрезвычайно захватывающую историческую эпоху.

Дверь в квантовый мир только приоткрылась. Мы не можем отвести глаз от того, что будет дальше.

Эта статья призвана в доступной форме объяснить основные концепции квантовых вычислений для бизнес-специалистов и обычных людей, интересующихся технологиями. Пожалуйста, обратите внимание, что некоторые строгие математические и физические определения (такие как детали нотации бра-кет и амплитуд комплексных вероятностей) были несколько упрощены.