Так или иначе, но время современных ПК подходит к концу, скоро будет достигнут минимально возможный размер классического транзистора, и на этом прогресс остановится. Основа таких компьютеров – бит, который может изменяться в зависимости от напряжения полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то состояние бита – логическая «1», а если меньше, то логический «0». Память компьютера представляет собой массив битов, а все вычисления – определенные операции, изменяющие состояния битов.

Принципиально другой методов расчетов на основе кубитов использует квантовый компьютер. В отличие от битов, кубиты могут находиться в двух логических состояниях одновременно. Вычислительная мощность квантовых компьютеров вырастает относительно классической транзисторной схемы за счет реализации большего числа операций в единицу времени.

Существует много вариантов технической основы для создания кубитов. Это и микроскопические сверхпроводящие кольца, и атомы, охлажденные до температуры в несколько кельвин, и ловушки на ионах.

Количество кубитов – это только одна характеристика квантового компьютера. Есть еще много других параметров: как долго могут существовать кубиты, насколько легко ими управлять, воспроизводятся ли результаты вычислений, можно ли масштабировать систему до больших размеров?

В Гарварде находится компьютер из 51 кубита. Он может решать только одну задачу – изучать конкретные явления в квантовой многочастичной модели. Для решения другой задачи придется существенно модифицировать его.

Максимальное число кубитов, из которого сделан репрограммируемый квантовый компьютер, способный решать разные задачи, пока равно 16. Создавшая его компания IBM заявила, что компьютер уже использовался для проведения 300000 экспериментов с квантовыми вычислениями ее пользователями при помощи облачных сервисов.

Получается, что квантовый компьютер может работать, несмотря на уверения скептиков. При этом они могут решать задачи, демонстрируя ускорение, недоступное обычным ПК. Однако есть у них немало и слабых мест. К примеру, они слишком хрупкие и любое возмущение может из разрушить. Кроме того, под вопросом остается и достоверность расчетов, а чтобы проверить проделанную работу, надо собрать отдельные системы. И самое главное — квантовые компьютеры могут потерять информацию при разных квантовых состояниях.

Исследователи признают, что на данный момент квантовый компьютер не подходит для рядового пользователя. Да и оправдана ли будет цена квантовых компьютеров для домашнего пользования? Нужна ли будет его вычислительная мощность для просмотра фильмов и поддержки интернета?

Скорее всего, нынешние суперкомпьютеры в исследовательских лаборатория уступят место квантовым. Однако появятся ли они у нас дома – сказать сложно. Вероятнее всего, это будут некие гибриды квантовых и классических компьютеров, но как это будет точно, сейчас сказать не может никто.

Эксперты считают, что создание квантового компьютера разделит историю человечества на две эпохи: до и после. Возможности квантового компьютера не только приведут к колоссальному технологическому скачку, но и дадут ответы на фундаментальные вопросы. Так что это на самом деле технология будущего, которое приближается быстрее, чем кажется.

Квантовый компьютер – это порождение квантового мира, живущего по законам квантовой механики, которые на первый взгляд могут показаться очень странными. Но нам ничего не остается, кроме как поверить в справедливость этих законов, поскольку именно на их основе построено и работает множество окружающих нас сегодня устройств – например, лазеры и томографы.

Одно из основных положений, которое иначе как магическим не назовешь, – принцип суперпозиции. Заключается он в следующем: если субатомная частица может находиться в нескольких состояниях, то она находится во всех этих состояниях одновременно. Принцип суперпозиции легко продемонстрировать на примере всем известного электрона. Электрон имеет некоторую внутреннюю характеристику, называемую спином. Электрон может находиться в двух состояниях – «спин вверх» (Spin Up) и «спин вниз» (Spin Down). В соответствии с принципом суперпозиции он находится в обоих состояниях сразу, каждое из которых присутствует со своей вероятностью (эти вероятности не обязательно равны, но сумма их – всегда 1).

Наш жизненный опыт подсказывает, что в окружающем макромире не бывает суперпозиции: чашка с кофе стоит всегда либо слева, либо справа от вас, а настольная лампа всегда либо горит, либо нет.

В микромире действует еще один странный принцип – любое измерение, производимое над частицей, оказывает на нее необратимое воздействие: суперпозиция состояний возможна только до тех пор, пока не произведено измерение. Как только мы «знаем», что электрон находится, например, в состоянии «спин вверх», суперпозиция исчезает.

Обычные компьютеры хранят информацию в ячейках, каждая из которых либо имеет электрический заряд, либо нет. Каждая такая ячейка соответствует минимальной единице информации – биту. Бит может быть равен нулю или единице. Хороший пример бита – это рубильник, который включает электролампу. Его значение либо 0 (лампа выключена), либо 1 (лампа включена). В квантовом компьютере аналогом бита является кубит (квантовый бит), который благодаря принципу суперпозиции находится в двух состояниях одновременно. Как в классических, так и в квантовых компьютерах биты или кубиты объединены в последовательности – регистры. Обычный двухбитовый регистр может хранить 4 значения – 00, 01, 10 или 11, но только одно из них в данный конкретный момент времени. А вот в двухкубитовом регистре одновременно находятся все 4 возможных значения. (Вообще в регистре размером N кубитов одновременно «живут» все возможные 2n значений.)

Начальные условия задаются установкой кубитов в нужные состояния. Как и в классическом компьютере, здесь за каждой командой стоит последовательность логических операций, которые реализуются через воздействие на кубиты (например, «переворот» спина радиочастотными импульсами соответствует операции отрицания в обычном компьютере). А считывание результатов – это «считывание» состояния кубитов.

Почему он работает так быстро. Допустим, вы хотите провести какое-то действие над каждым из 4 возможных чисел в регистре из 2 битов на обычном компьютере. Решение этой задачи потребует 4 шага, выполняемых последовательно, поскольку в 2 обычных бита в каждый момент времени записано только 1 из 4 возможных чисел. Мы должны их последовательно перебрать и над каждым выполнить нужную операцию. В квантовом компьютере с регистром из 2 кубитов задача будет решена за один шаг, ведь действие производится сразу над всеми числами, которые одновременно хранятся в регистре. Это называется «квантовый параллелизм». Именно квантовый параллелизм позволяет сделать некоторые вычисления намного более эффективными по сравнению с вычислениями на классическом компьютере.

Дальнейшее движение по пути создания квантового компьютера показало, что, несмотря на плодотворность идеи кубитов, праздновать победу еще рано. Тот самый квантовый параллелизм, который позволяет достичь фантастической производительности, порождает и новые проблемы: интересующий нас результат действия над квантовым регистром в действительности оказывается «спрятан» внутри суперпозиции. Если просто «прочитать» ответ, он окажется «первым попавшимся» из всех возможных (в системе с N состояниями правильный ответ будет выведен с вероятностью 1/N). Более того, в процессе «считывания» суперпозиция разрушается и система становится непригодной для дальнейших вычислений. И только заново настроив систему, можно снова попытаться получить правильный ответ. Весь выигрыш в быстродействии, который дает квантовый параллелизм, теряется!

Возник вопрос – как же быстро получить результат, который будет правильным с приемлемой вероятностью? Первым на него ответил американский математик Питер Шор в 1994 году. Он опубликовал работу, в которой описал квантовый алгоритм разложения на множители большого числа (алгоритм факторизации). Операции в этом алгоритме подобраны таким образом, что неправильные результаты с большой вероятностью взаимоуничтожаются, и потому вероятность правильного ответа увеличивается.

Задача факторизации, кажущаяся на первый взгляд чисто теоретической, имеет важное практическое приложение. Дело в том, что один из самых распространенных сегодня методов шифрования с открытым ключом – RSA – построен на очень простом утверждении: если у вас есть два простых числа (M и N), то вычислить их произведение (К) проблемы не представляет. Но вот, зная K, найти M и N – задача, на сегодняшний день разрешимая только путем прямого перебора всех возможных чисел. А если M и N – очень большие простые числа (более 100 цифр), то мощность (а скорее – немощность) сегодняшних компьютеров делает ее неразрешимой. Например, чтобы с помощью обычного компьютера разложить на простые множители 250-значное число, потребуются многие тысячи лет. То есть алгоритм Шора, по сути, есть не что иное, как алгоритм взлома шифров. Таким образом, определилась идеальная область для применения квантового комп’ютера – криптография.

Ходят слухи, что сразу после публикации доклада Шора Агентство национальной безопасности США (NSA) запустило проект построения квантового компьютера, по масштабам сопоставимый с проектом создания атомной бомбы. Это вполне вероятно – ведь задачи криптографии представляют интерес в первую очередь для спецслужб, накопивших огромное количество информации, расшифровать которую существующими способами вряд ли удастся в обозримое время.

Итак, идея обоснована, алгоритмы придуманы, и на пути создания действующего квантового компьютера остались только технические проблемы: выбрать метод реализации и способ управления состояниями и надежно изолировать всю эту конструкцию от окружающего мира, чтобы избежать влияния случайных внешних факторов. Последняя задача особенно сложна, но есть надежда, что она все-таки разрешима с помощью современных технологий. Возможность квантовых вычислений продемонстрирована уже в нескольких лабораториях мира.

Эра соперничества квантового и классического компьютеров еще не наступила, ведь преимущество квантового вычислителя становится заметным, только если он состоит по крайней мере из 1000 кубитов. Сегодня о тысячах нет и речи.

Квантовый компьютер – это вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики для передачи и обработки данных. Идея квантовых вычислений была независимо предложена Юрием Маниным и Ричардом Фейнманом в начале 80-х годов прошлого века. С тех пор была проделана колоссальная работа по созданию квантового компьютера. Однако полноценный универсальный квантовый компьютер все еще является гипотетическим устройством, возможность разработки которого связана с серьёзным развитием квантовой теории. К настоящему моменту были созданы единичные экспериментальные системы с алгоритмом небольшой сложности.

Основное отличие квантового компьютера от классического заключается в представлении информации. В обычных компьютерах, работающих на основе транзисторов и кремниевых чипов, для обработки информации используется бинарный код. Бит, как известно, имеет два базовых состояния – ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. Что же касается квантового компьютера, то его работа основывается на принципе суперпозиции, а вместо битов используются квантовые биты, именуемые кубитами. У кубита также имеется два основных состояния: ноль и единица. Однако благодаря суперпозиции кубит может принимать значения, полученные путем их комбинирования, и находиться во всех этих состояниях одновременно. В этом заключается параллельность квантовых вычислений, то есть отсутствие необходимости перебирать все возможные варианты состояний системы. Кроме того, для описания точного состояния системы квантовому компьютеру не нужны огромные вычислительные мощности и объемы оперативной памяти, так как для расчета системы из 100 частиц достаточно лишь 100 кубитов, а не триллион триллионов бит.

Также стоит отметить, что изменение состояния определенного кубита в квантовом компьютере ведет к изменению состояния других частиц, что является еще одним отличием от обычного компьютера. И этим изменением можно управлять. Процесс работы квантового компьютера был предложен британским физиком-теоретиком Дэвидом Дойчем в 1995 году, когда он создал цепочку, способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Согласно его схеме, для начала берется набор кубитов и записываются их начальные параметры. Затем выполняются необходимые преобразования с использованием логических операций и записывается полученное значение, которое и является результатом, выдаваемым компьютером. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования совершают логические блоки.

По словам ученых, квантовые компьютеры будут в миллионы раз мощнее нынешних. Уже сейчас описаны самые разнообразные алгоритмы работы квантового компьютера, и даже разрабатываются специальные языки программирования. По прогнозу исследователей Cisco Systems, полноценный рабочий квантовый компьютер появится к середине следующего десятилетия. Лидером в этой области является Япония: более 70% всех исследований приходится на эту страну.

Даже если слово «квантовый» не пугает вас, квантовые компьютеры все еще остаются скорее причудливыми концепциями научной фантастики, нежели реальностью. Однако последние достижения в этой области предполагают, что эти безумно быстрые компьютеры могут появиться раньше, чем мы думаем. И у нас есть много причин волноваться по поводу их прибытия.

Соблазном квантовых компьютеров является их способность решать почти неразрешимые проблемы – настолько сложные проблемы, что для их решения современным компьютерам потребовались бы десятилетия. В теории квантовый компьютер сможет решить эти вопросы, пока вы пьете утренний кофе.

Обычные компьютеры, которые мы используем каждый день, используют«биты» для хранения информации – 1 и 0 – и строки из этих нулей и единиц, представляющих определенную цифру или букву. В противовес этому, квантовые компьютеры используют преимущества довольно странных физических явлений, когда крошечные частицы могут существовать в нескольких местах одновременно. Вместо того чтобы использовать биты, обладающие только двумя «установками», они используют квантовые биты, или «кубиты», у которых есть дополнительная установка: они могут быть 1 или 0, или 1 и 0 одновременно.

Таким образом, обычный компьютер с двумя битами может кодировать информацию только в четырех возможных комбинациях: 00, 01, 10, 11. Квантовый компьютер может принимать все эти четыре комбинации одновременно. Это позволяет ему обрабатывать экспоненциально больше информации, чем могут обычные компьютеры.

Другой способ задуматься о разнице между обычными и квантовыми компьютерами – это подумать о версии знаменитой задачи о коммивояжере в математике. В этой задаче вы – коммивояжер, планирующий поездку, и вы хотите выяснить, какой маршрут через 10 разных городов будет самым дешевым (экономичным) и самым быстрым.

Обычному компьютеру придется рассчитывать длину всех этих маршрутов отдельно, а затем сравнивать результаты, определяя победителя. Квантовый компьютер может вычислить длины всех маршрутов одновременно, поскольку кубиты могут обрабатывать много информации одновременно – и следовательно быстрее найдут решение.

Есть несколько препятствий на пути к распространению квантовых компьютеров по всему миру. В настоящее время эти компьютеры должны храниться в переохлажденных условиях и даже легкое беспокойство приведет к коллапсу их деликатного состояния. Тем не менее, благодаря серьезному прорыву Google в марте, инженеры выяснили, как сделать квантовые компьютеры более стабильными – некоторые даже заговорили, что мы находимся на полпути к полностью функциональным квантовым компьютерам. Google, NASA и IBM усиленно работают над воплощением этой затеи. И когда мы наконец достигнем этой точки, квантовые компьютеры смогут осуществить революцию практически в любой отрасли.

Джонсон, бывший CTO Lockheed Martin, объяснил, что компьютеры, которые у нас сейчас есть, хорошо делают то, что люди делают плохо. К примеру, люди не могут запомнить 10 миллионов чисел, расставить их в таблице, а затем быстро произвести расчеты с этими числами. Зато это делают компьютеры.

Квантовый компьютер не сможет сделать это быстрее любого обычного компьютера. Нет более хорошего или быстрого способа производить вычисления с набором чисел. Однако квантовые компьютеры могут сократить разрыв между тем, что компьютеры делают хорошо и что люди делают хорошо.

Люди хорошо пробираются через сложные установки и выбирают нужные вещи из этих массивов. Наши мозги делают это вполне естественно и с куда меньшими затратами, чем может компьютер. Квантовые компьютеры, однако, будут работать больше как человеческий мозг.

Дело в том, что, как и люди, квантовые компьютеры могут обучаться с получением опыта. К примеру, если квантовый компьютер работает под управлением программы, которая плохо справляется с определенной задачей, он может самостоятельно внести изменения в код этой программы и избавить ее от совершения ошибок в дальнейшем.

Эта концепция называется машинное обучение. Оно похоже на то, как ваш почтовый сервис обучается, какие письма отправлять в спам, а какие нет, только более хитроумное. Машинное обучение квантовых компьютеров позволит нам делать многие вещи быстрее и с большей эффективностью.

Например, квантовые компьютеры могут существенно улучшить аэрокосмические, военные и оборонные системы. Со всеми спутниками, которые у нас имеются, мы постоянно собираем тонны изображений и видео. Большую часть этих данных никто не просматривает, поскольку в ней сложно разобраться. В том числе и потому, что современные компьютеры не очень хорошо распознают и выделяют нужные данные из собранного ряда.

Квантовые компьютеры могут сортировать гигантские объемы данных быстрее и точнее людей, которым нужно просматривать снимки и видео, чтобы понять их смысл.

Та же способность квантовых компьютеров может привести нас к безопасному транспорту. Квантовые компьютеры могут лечь в основу полуавтоматических автомобилей (не таких интересных, как самоуправляемые авто Google, но все же), которые смогут предупреждать нас о возможном столкновении и самостоятельно принимать некоторые решения во время езды. Мы пока не знаем даже и одного процента возможностей квантовых компьютеров и сопряженных с ними изменений. 

Квантовый компьютер в каждом доме – этот план довольно долгосрочный. Но ключевой момент – это создание простого интерфейса, которым каждый сможет воспользоваться. Над этим и работает QxBranch. Впрочем, промышленные и коммерческие применения квантовых компьютеров не кажутся такими уж долгосрочными.