На грани революции. Как работают квантовые компьютеры?

В начале этого года IBM на ежегодной конференции CES представила первый коммерческий квантовый компьютер. В компании говорят, что их устройство – первая в мире система квантовых вычислений, но тут же оговариваются, что она пока не настолько универсальная и мощная. В теории квантовые компьютеры обещают обеспечить быстрое взаимодействие с огромными массивами данных и будут способны решать задачи, недоступные самым мощным обыкновенным компьютерам.

Разработка и создание квантового компьютера похожи на своеобразную гонку вооружений, где крупнейшие IT-гиганты пытаются создать идеальное оружие, которое подойдёт для конструирования ДНК, синтеза лекарств и создания искусственного интеллекта нового уровня.

Идея квантовых вычислений была независимо предложена Юрием Маниным и Ричардом Фейнманом в начале 80-х годов прошлого века.

Даже при том, что полноценный квантовый компьютер остается гипотетическим устройством, есть много вопросов. Что именно делает квантовые компьютеры настолько мощными? Почему на рынке до сих пор нет таких устройств, и как они пригодятся в различных отраслях? DAR и Informburo.kz разбираются в этом вопросе в рамках рубрики "Просто о технологиях".

В чём разница между обычным и квантовым компьютером?

Потенциально квантовые компьютеры – это самая мощная вычислительная система из когда-либо созданных человеком. Главное отличие такого компьютера от того, к которому мы все привыкли, заключается в способности находиться в двух состояниях одновременно, а значит, и скорость предоставления информации у такого устройства резко возрастает.

Читайте также: Технологии, которые 10 лет назад считались выдумкой

Обычные компьютеры, которые стоят у вас в офисе, работают на основе транзисторов и кремниевых чипов, а для обработки информации используют бинарный код: записывают информацию на биты последовательно, в состояниях ноль или единица. В квантовых компьютерах за эту же функцию отвечает квантовые биты (кубиты), которые одновременно находятся в нескольких состояниях, а значит, могут выполнять несколько вычислений одновременно. Чем больше кубитов имеет квантовый компьютер, тем выше его производительность.

Например, квантовый компьютер D-Wave 2, который имеет около тысячи кубитов, работает в 3,6 тысяч раз быстрее, чем любой суперкомпьютер, а если сравнивать его с обычным компьютером, то показатель увеличивается до 100 миллионов раз. Получается, что квантовый компьютер будет решать задачи, на которые обычному компьютеру понадобится несколько лет, в течение нескольких секунд.

Процесс работы квантовой вычислительной системы в 1995 предложил британский физик Дэвид Дойч. Он создал цепочку, способную выполнять любые вычисления на квантовом уровне. Согласно схеме, для начала берётся набор кубитов и записываются их начальные параметры. Затем выполняются необходимые преобразования с использованием логических операций и записывается полученное значение – это и будет результат, который пользователю выдаст система. В роли проводов выступают кубиты, а преобразования совершают логические блоки.

Почему полноценных квантовых компьютеров пока нет?

Если квантовые компьютеры могут в десятки раз быстрее обрабатывать данные, то почему на рынке так мало полноценных или коммерческих разработок в этой сфере? Проблема в том, что квантовые компьютеры чувствительны к шуму и любому другому воздействию со стороны окружающей среды. Из-за внешнего возмущения, квантовое состояние начинает колебаться и исчезать, а сам этот процесс называется декогеренцией. Колебание квантового состояния – главная проблема, которая сдерживает разработку таких компьютеров.

Читайте также: Последствия глобального потепления, опреснение воды и борьба с раком. Какие ещё проблемы решают технологии?

Помимо того что квантовые компьютеры способны обеспечить быстрое взаимодействие с огромными массивами данных, эти устройства также смогут легко расшифровывать личные данные пользователей или какую-либо защищённую информацию, которая может быть использована третьей стороной. Появление квантовых компьютеров поставит под удар практически все системы, в которых используется шифрование. Речь идёт как о системах связи, так и о частных и правительственных базах данных.

Николас Фарина, глава EeroQ, выступая на конференции Quantum For Business в Калифорнии, заявил, что квантовые компьютеры можно использовать как для прогресса, так и во вред системе. "Квантовые вычисления вступили в новую эру развития, где таким технологиям найдётся реальное применение. Тем не менее пока не ясно, как такие устройства будут влиять на нас", – сказал он во время выступления.

Квантовые компьютеры смогут расшифровать защищённые данные, так что нам нужно задуматься о том, как заранее обезопасить себя.

Какие разработки существуют?

Крупных проектов по созданию квантовых компьютеров не так много, а команды серьёзно конкурируют между собой. Квантовые процессоры есть у нескольких IT-гигантов. Не так давно к гонке подключился Гарвард.

В начале прошлого года компания Google заявила о создании 72-кубитного квантового компьютера, который на тот момент стал самой мощной вычислительной системой. Через год на ежегодной конференции CES другая компания – IBM – представила первый коммерческий квантовый компьютер Q SystemOne, который можно собрать где угодно и который не потребует специального технического обслуживания со стороны обученного персонала. Но компьютер кажется идеальным только на первый взгляд. Прежде всего нужно учитывать, что система IBM Q SystemOne не продаётся. Пока разработка доступна только для бизнес-пользователей и только через облачный сервис IBM.

Читайте также: Cкрытые функции и возможности Youtube, Facebook и Telegram

В целом в разработке и создании квантового компьютера есть четыре главных игрока: Google, IBM в рамках проекта IBM Q Experience, Rigetti Computing и Alibaba (ведёт работу в рамках совместного проекта с Китайской академией наук). Взаимодействие учёных с существующими командами из IT-компаний позволяет ускорить сам процесс, но об успехах пока говорить рано.