1. Современные компьютеры приближаются к своему пределу
От персональных компьютеров, которые мы используем каждый день, до самого быстрого в мире суперкомпьютера «Фугаку», все классические компьютеры обрабатывают информацию с помощью единиц, называемых «битами (Bit)». Бит может находиться только в одном из двух состояний: «включено (1)» или «выключено (0)». Даже сложные вычисления и огромные изображения — все это последовательно обрабатывается как «огромная последовательность 0 и 1».
Однако сегодня, когда миниатюризация полупроводников приближается к размерам атомов, «закон Мура (повышение производительности полупроводников)» сталкивается с физическими пределами (такими как утечка тока из-за эффекта квантового туннелирования). Чтобы преодолеть этот предел, подход, использующий для вычислений совершенно иные физические законы, называется «квантовым компьютером».
2. Магия квантовой механики: «суперпозиция»
Минимальная единица квантового компьютера называется не «битом», а «квантовым битом (Qubit: кубит)». Главной особенностью кубита является использование свойства квантовой механики, называемого «суперпозицией (Superposition)».
В то время как классический бит зафиксирован либо как «0», либо как «1», кубит может одновременно находиться в неоднозначном состоянии «и 0, и 1» (вероятностная суперпозиция).
- Классический 2-битный компьютер может одновременно представлять только один вариант из «00, 01, 10, 11».
- Однако, используя два кубита, можно одновременно удерживать все эти четыре состояния.
Если это число достигнет 300 кубитов, станет возможным мгновенно и одновременно вычислять больше состояний (2 в 300-й степени), чем количество атомов во Вселенной. Именно в этом кроется источник подавляющей вычислительной мощности (квантового параллелизма) квантовых компьютеров.
3. «Квантовая запутанность», которая озадачила даже Эйнштейна
Еще одним важным квантовым явлением является «квантовая запутанность (Entanglement)». Это пугающее явление, при котором два кубита связаны сильной связью, и независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга, «когда состояние одного из них наблюдается и определяется, состояние другого также мгновенно определяется».
В квантовом компьютере эта «квантовая запутанность» используется для координации множества кубитов и выполнения сложных вычислительных алгоритмов (интерференции). В конце вычислений проводится «наблюдение», в результате чего неправильные ответы (вероятностные волны) взаимно уничтожаются, а вероятность правильного ответа усиливается и выводится на экран.
4. В чем сильны квантовые компьютеры?
Квантовые компьютеры — это не универсальная волшебная коробка. Современные компьютеры гораздо лучше справляются с такими повседневными задачами, как серфинг в интернете или монтаж видео. Сильной стороной квантовых компьютеров являются «задачи по поиску оптимального ответа из огромного количества комбинаций».
Ожидаемые области применения
- Разработка лекарств и новых материалов: Поскольку молекулы и химические реакции сами по себе ведут себя в соответствии с законами квантовой механики, симуляцию лекарств можно проводить чрезвычайно точно и быстро.
- Задачи оптимизации: Ожидается, что они смогут мгновенно решать задачи со слишком большим количеством переменных, которые не могут вычислить даже суперкомпьютеры, например, «маршрут, по которому тысячи грузовиков могут осуществлять доставку наиболее эффективно» или «оптимальный портфель финансовых продуктов».
Крах современной криптографии (Алгоритм Шора)
В настоящее время безопасность шифрования RSA, которое защищает интернет-коммуникации (например, HTTPS), основана на предположении, что «разложение огромных чисел на простые множители займет десятки тысяч лет даже на суперкомпьютере». Однако математически доказано, что с помощью «алгоритма Шора» для квантовых компьютеров его можно взломать за время от нескольких часов до нескольких секунд. В связи с этим в настоящее время во всем мире ускоряется переход на «постквантовую криптографию (PQC)».
5. Квантовое превосходство и текущие проблемы
В 2019 году компания Google объявила, что ее квантовый компьютер «Sycamore» решил за 200 секунд задачу, на которую у самого быстрого в мире суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет, и заявила о достижении «квантового превосходства (Quantum Supremacy)».
Однако на пути к практическому применению по-прежнему стоит серьезное препятствие. Это «шум (ошибки)». Состояние «суперпозиции» кубита чрезвычайно хрупкое и легко разрушается под воздействием даже небольшого тепла или магнитного поля. Поэтому требуется гигантское оборудование для охлаждения до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю (минус 273 градуса). В настоящее время основным направлением являются квантовые компьютеры среднего масштаба с шумом (NISQ), а для создания настоящего «отказоустойчивого квантового компьютера», способного самостоятельно исправлять ошибки, потребуется еще более 10 лет.
6. Заключение
Квантовый компьютер — это грандиозный вызов для человечества по практическому применению в качестве инженерии теории квантовой механики, созданной такими гигантами физики, как Эйнштейн и Шрёдингер. Так же, как персональные компьютеры породили интернет, а смартфоны — социальные сети, когда квантовые компьютеры получат практическое применение, несомненно, появятся совершенно новые технологии будущего, которые мы даже не можем себе представить.