Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер
vk f t

Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Это про­рыв в тех­но­ло­ги­ях или оче­ред­ной бит­ко­ин?

Сей­час мно­го гово­рят о новых тех­но­ло­ги­ях вычис­ле­ния — в част­но­сти, то и дело зву­чат сло­ва «кван­то­вые вычис­ле­ния», «кван­то­вый интер­нет» и даже «кван­то­вая крип­то­гра­фия». Посмот­рим, что это такое и нуж­но ли оно нам. Нач­нём с кван­то­во­го ком­пью­те­ра. 

Биты и кубиты

В обыч­ном ком­пью­те­ре все вычис­ле­ния осно­ва­ны на поня­тии «бит». Это такой эле­мент, кото­рый может при­ни­мать зна­че­ния 0 или 1. Физи­че­ски это реа­ли­зо­ва­но так:

  1. В ком­пью­те­ре есть деталь под назва­ни­ем тран­зи­стор. Пред­ставь­те, что это кран на тру­бе: если его вклю­чить, вода польёт­ся, если выклю­чить — оста­но­вит­ся.
  2. В тран­зи­сто­ре вода — это элек­три­че­ство, и включение-выключение кра­на тоже зави­сит от элек­три­че­ства. Пред­ставь­те, что кра­ны соеди­не­ны меж­ду собой так, что вода из одно­го кра­на вклю­ча­ет или выклю­ча­ет дру­гой кран, — и так кас­ка­дом по цепоч­ке.
  3. Тран­зи­сто­ры соеди­не­ны таким хит­рым обра­зом, что когда они вклю­ча­ют­ся и выклю­ча­ют­ся, на них мож­но про­из­во­дить мате­ма­ти­че­ские вычис­ле­ния.
  4. Из-за того, что тран­зи­сто­ров очень мно­го (мил­ли­ар­ды), а рабо­та­ют они очень быст­ро (близ­ко к ско­ро­сти све­та), тран­зи­стор­ные ком­пью­те­ры могут очень быст­ро совер­шать мате­ма­ти­че­ские вычис­ле­ния.
  5. Всё, что вы види­те в ком­пью­те­ре, — это про­из­вод­ные от вычис­ле­ний. Вы види­те окно, бук­вы, кар­тин­ки, а где-то в самой-самой глу­бине это про­сто сло­же­ние и вычи­та­ние, а ещё глуб­же — включение-выключение кра­нов с элек­три­че­ством на ско­ро­сти све­та. 

Тран­зи­стор в ком­пью­те­ре может при­ни­мать зна­че­ние 1 или 0, то есть «вклю­чён» или «выклю­чен». С точ­ки зре­ния ком­пью­тер­ной логи­ки, этот тран­зи­стор назы­ва­ет­ся битом. Это мини­маль­ная еди­ни­ца инфор­ма­ции в ком­пью­те­ре. Физи­че­ски бит может быть в про­цес­со­ре, на чипе памя­ти, на маг­нит­ном дис­ке, но суть одна: это какое-то физи­че­ское про­стран­ство, кото­рое опре­де­лён­но либо вклю­че­но, либо выклю­че­но.

Клю­че­вое сло­во здесь — «опре­де­лён­но». Про­грам­мист и инже­нер может точ­но узнать, в каком состо­я­нии нахо­дит­ся тот или иной бит. Заряд в нём либо есть, либо нет, ника­ких про­ме­жу­точ­ных состо­я­ний там не суще­ству­ет.

В кван­то­вом ком­пью­те­ре вме­сто битов — куби­ты. Куби­ты — это кван­то­вые части­цы, у кото­рых есть инте­рес­ная осо­бен­ность: кро­ме стан­дарт­ных 0 и 1 кубит может нахо­дить­ся меж­ду нулём и еди­ни­цей — это назы­ва­ют супер­по­зи­ци­ей. Нагляд­нее это вид­но на рисун­ке:

Кубит может при­ни­мать все зна­че­ния, кото­рые вид­ны на цвет­ной сфе­ре

Все решения уже известны

Ещё одна осо­бен­ность куби­тов — зави­си­мость зна­че­ния от изме­ре­ния. Это зна­чит, что про­грам­мист не узна­ет зна­че­ние куби­та до тех пор, пока его не изме­рит, а сам факт изме­ре­ния тоже вли­я­ет на зна­че­ние куби­та. Зву­чит стран­но, но это осо­бен­ность кван­то­вых частиц.

Имен­но бла­го­да­ря тому, что кубит нахо­дит­ся во всех состо­я­ни­ях одно­вре­мен­но до тех пор, пока его не изме­ри­ли, ком­пью­тер мгно­вен­но пере­би­ра­ет все воз­мож­ные вари­ан­ты реше­ния, пото­му что куби­ты свя­за­ны меж­ду собой. Полу­ча­ет­ся, что реше­ние ста­но­вит­ся извест­но сра­зу, как толь­ко вве­де­ны все дан­ные. Супер­по­зи­ция и даёт ту парал­лель­ность в вычис­ле­ни­ях, кото­рая уско­ря­ет рабо­ту алго­рит­мов в разы.

Вся слож­ность в том, что резуль­тат рабо­ты кван­то­во­го ком­пью­те­ра — это пра­виль­ный ответ с какой-то долей веро­ят­но­сти. И нуж­но стро­ить алго­рит­мы таким обра­зом, что­бы мак­си­маль­но при­бли­зить веро­ят­ность пра­виль­но­го отве­та к еди­ни­це.

Рабо­чая тем­пе­ра­ту­ра внут­ри таких ком­пью­те­ров — минус 273 гра­ду­са по Цель­сию

Как делают кубиты и в чём сложность

Мак­си­маль­но упро­щён­но: что­бы полу­чить рабо­чий кубит, нуж­но взять один атом, мак­си­маль­но его зафик­си­ро­вать, огра­дить от посто­рон­них излу­че­ний и свя­зать с дру­гим ато­мом спе­ци­аль­ной кван­то­вой свя­зью.

Чем боль­ше таких куби­тов свя­за­но меж­ду собой, тем менее ста­биль­но они рабо­та­ют. Для дости­же­ния «кван­то­во­го пре­вос­ход­ства» над обыч­ным ком­пью­те­ром нуж­но не менее 49 куби­тов — а это очень неустой­чи­вая систе­ма.

Основ­ная слож­ность — деко­ге­рен­ция. Это когда мно­го куби­тов зави­сят друг от дру­га и на них может повли­ять всё что угод­но: кос­ми­че­ские лучи, ради­а­ция, коле­ба­ния тем­пе­ра­ту­ры и все осталь­ные явле­ния окру­жа­ю­ще­го мира.

Такой «фазо­вый шум» — ката­стро­фа для кван­то­во­го ком­пью­те­ра, пото­му что он уни­что­жа­ет супер­по­зи­цию и застав­ля­ет куби­ты при­ни­мать огра­ни­чен­ные зна­че­ния. Кван­то­вый ком­пью­тер пре­вра­ща­ет­ся в обыч­ный — и очень мед­лен­ный.

С деко­ге­рен­ци­ей мож­но бороть­ся раз­ны­ми спо­со­ба­ми. Напри­мер, ком­па­ния D-Wave, кото­рая про­из­во­дит кван­то­вые ком­пью­те­ры, охла­жда­ет ато­мы почти до абсо­лют­но­го нуля, что­бы отсечь все внеш­ние про­цес­сы. Поэто­му они такие боль­шие — почти всё место зани­ма­ет защи­та для кван­то­во­го про­цес­со­ра.

Кван­то­вый про­цес­сор на девя­ти куби­тах от Google

Зачем нужны квантовые компьютеры

Одно из самых важ­ных при­ме­не­ний кван­то­во­го ком­пью­те­ра сей­час — раз­ло­же­ние на про­стые чис­ла. Дело в том, что вся совре­мен­ная крип­то­гра­фия осно­ва­на на том, что никто не смо­жет быст­ро раз­ло­жить чис­ло из 30–40 зна­ков (или боль­ше) на про­стые мно­жи­те­ли. На обыч­ном ком­пью­те­ре на это уйдёт мил­ли­ар­ды лет. Кван­то­вый ком­пью­тер смо­жет это сде­лать при­мер­но за 18 секунд.

Это озна­ча­ет, что тайн боль­ше не будет, пото­му что любые алго­рит­мы шиф­ро­ва­ния мож­но будет сра­зу взло­мать и полу­чить доступ к чему угод­но. Это каса­ет­ся все­го — от бан­ков­ских пере­во­дов до сооб­ще­ний в мес­сен­дже­ре. Воз­мож­но, насту­пит инте­рес­ный момент, когда обыч­ное шиф­ро­ва­ние пере­ста­нет рабо­тать, а кван­то­вое шиф­ро­ва­ние ещё не изоб­ре­тут.

Ещё кван­то­вые ком­пью­те­ры отлич­но под­хо­дят для моде­ли­ро­ва­ния слож­ных ситу­а­ций, напри­мер, рас­чё­та физи­че­ских свойств новых эле­мен­тов на моле­ку­ляр­ном уровне. Это, воз­мож­но, поз­во­лит быст­рее нахо­дить новые лекар­ства или решать слож­ные ресур­со­ём­кие зада­чи.

Сей­час кван­то­вые ком­пью­те­ры все­го это­го не уме­ют — они слиш­ком слож­ные в про­из­вод­стве и очень неста­биль­ные в рабо­те. Мак­си­мум, что мож­но пока сде­лать, — зато­чить кван­то­вый ком­пью­тер под един­ствен­ный алго­ритм, что­бы полу­чить на нём колос­саль­ный выиг­рыш в про­из­во­ди­тель­но­сти. Как раз для этих целей их и заку­па­ют круп­ней­шие ком­па­нии — что­бы быст­рее решать одну-две самые важ­ные для себя зада­чи.

Ещё по теме