Квантовый компьютер — его ждут и боятся. Принцип работы квантового компьютера

Передовые суперкомпьютеры уже способны выполнять десятки квадриллионов операций в секунду. Но есть целый ряд задач, которые они решить не могут. Приведем пример.

Нас всюду окружают криптографические технологии: они используются в мессенджерах или операциях с банковскими картами, криптовалютах, при безопасном хранении данных и так далее. Информация постоянно шифруется на этапе ее отправки и дешифруется после получения, чтобы ее могли прочитать только те, для кого она предназначена. Есть различные системы шифрования (AES, RSA), но все они так или иначе строятся на использовании факторизации (разложения на простые множители).

Как вы думаете, какие именно простые числа мы перемножили, чтобы получить число ниже, представляющее собой 2048-битный ключ шифрования (такими ключами, сгенерированными по алгоритму RSA, адресаты обмениваются, чтобы подписывать с их помощью секретные сообщения)?

Не трудитесь: узнать, из каких простых чисел они сделаны - сложнейшая задача. Но трудна она не только для вас, но и для классического компьютера. Если мы используем все вычислительные мощности в мире, то ее решение займет миллиард лет! А вот квантовый компьютер смог бы решить ее за 100 секунд. Сделать это позволит его бешеная скорость.

Столь серьезное увеличение в скорости решения задач, кстати, повлечет за собой перестройку всей мировой финансовой системы, ведь без надежного шифрования она просто не сможет функционировать (шутка ли - каждый, у кого будет квантовый компьютер, сможет подделать информацию о том, что владеет любой суммой денег).

Если изобретение квантового компьютера повлечет за собой такие масштабные изменения, может быть, лучше обойтись вовсе без него? Едва ли, ведь пользы от таких машин несравнимо больше, чем хлопот. Существующие двоичные суперкомпьютеры очень мощны, однако, несмотря на впечатляющие характеристики, они вряд ли будут способны решить все задачи, которые планирует поставить перед ними человек.

Сегодня, к примеру, порядка 35% времени суперкомпьютеров уходит на решение задач в области квантовой химии и материаловедения: чтобы просчитывать поведение отдельных молекул, требуются колоссальные затраты вычислительных ресурсов (и речь только о тех задачах, способ решения которых нам известен уже сейчас).

В дополнение к этому есть целый ряд задач, решение которых займет у классических компьютеров миллионы лет или которые пока невозможно решить совсем, даже теоретически. Так, чтобы точно понять, как, к примеру, пойдет та или иная химическая реакция, нужно учитывать задействованные в ней квантовые процессы, а сделать это можно только при помощи квантового компьютера. В случае успеха это даст людям возможность досконально изучить (а значит, и повторить) такие явление, как, например, фотосинтез.

Почему же квантовые компьютеры такие мощные? Главное, что отличает их от классических двоичных, - использование кубитов, которые, в отличие от битов, способны одновременно принимать два значения: 0 и 1. Такая «двойственность» обеспечивает параллельность квантовых вычислений, ведь больше не нужно перебирать все возможные состояния системы. Набор всего из 30 кубитов может сформировать 2 30 (то есть более миллиарда) двоичных последовательностей - именно такое количество битов потребуется на их одновременную обработку. Просто космическая экономия места, энергии и времени!

На квантовом компьютере мощностью 100-200 кубит мы могли бы строить точные симуляции сложных химических процессов: таких, как, например, азотная фиксация - превращение содержащегося в атмосфере азота в азотосодержащие соединения. Эта реакция широго используется для получения аммиака, необходимого для производства удобрений, критически важных для обеспечения едой постоянно растущего населения планеты. Промышленный процесс получения аммиака практически не изменился за последнее столетие и отличается большой энергоемкостью: на производство его уходит от 1% до 3% мировых запасов природного газа. На достаточно мощном квантовом компьютере путем симуляции ученые могли бы подобрать более эффективные катализаторы, которые помогут сделать реакцию менее энергозатратной.

Благодаря квантовому компьютеру могут быть решены и такие задачи, как поиск разумной жизни во Вселенной, разработка новых способов передачи энергии на основе сверхпроводников, диагностирование рака на более ранних стадиях, моделирование молекул ДНК и создание веществ, которые помогут очистить воздух от вредных загрязнений. Высокая вычислительная мощность квантовых компьютеров может серьезно помочь и в создании новых эффективных лекарств.

Обнадеживает то, что человечество все ближе подбирается к созданию полноценного квантового компьютера - мировые корпорации уже давно инвестируют в эту область. В частности, системы топологических кубитов, созданные в Microsoft, уже показали способность сохранять квантовое состояние в течение длительного времени без дополнительных ухищрений, а также масштабироваться до размеров полноценного компьютера. А в конце прошлого года компания представила язык программирования для квантового компьютера.

Идея, еще 30 лет назад казавшаяся чистой фантастикой, сегодня приобрела реальные очертания. Кто знает, может, уже в следующем десятилетии мы станем свидетелями новой эры цифровых технологий и квантовый компьютер преобразит наш мир до неузнаваемости, предоставив человеку возможности, о которых ранее он мог лишь мечтать.

Количество информации в мире возрастает ежегодно на 30%. Только за последние пять лет человечеством было произведено больше данных, чем за всю предшествующую историю. Появляются системы Интернета вещей, в которых каждый датчик отправляет и получает огромное количество данных ежесекундно, и, по прогнозам аналитиков, количество подключенных к Интернету вещей скоро превысит количество пользователей-людей. Эти колоссальные объемы информации необходимо где-то хранить и как-то обрабатывать.

Сейчас уже существуют суперкомпьютеры мощностью более 50 петафлопс (1 петафлопс =1 тыс. трлн операций в секунду). Однако рано или поздно мы упремся в физический предел возможной мощности процессоров. Конечно, суперкомпьютеры все еще смогут расти в размерах, но это не решение проблемы, поскольку и размеры когда-нибудь достигнут своих пределов. По мнению ученых, скоро закон Мура перестанет исполняться и человечеству понадобятся новые, значительно более мощные устройства и технологии обработки данных. Поэтому уже сейчас крупные ИТ-компании работают над созданием совершенно нового революционного типа компьютеров, мощности которых будут в сотни раз превосходить те, что мы имеем на сегодняшний день. Это - квантовый компьютер. Эксперты обещают, что благодаря ему, возможно, удастся найти лекарство от рака, моментально находить преступников, анализируя записи с камер, моделировать молекулы ДНК. Сейчас даже представить сложно, какие еще задачи он сможет решать.

Microsoft старается быть на передовой развития этой области, изучая ее уже на протяжении двадцати лет, ведь тот, кто первым создаст квантовый компьютер, получит неоспоримое конкурентное преимущество. Причем компания работает не только над созданием «железа», но также недавно представила язык программирования, который смогут использовать разработчики. На самом деле очень немногие люди могут похвастаться тем, что понимают принципы работы этого революционного устройства, для большинства из нас это нечто из разряда фантастики. Так что же он собой представляет?

Одной из важнейших частей компьютера, от которой напрямую зависит его мощность, является процессор, который, в свою очередь, состоит из огромного числа транзисторов. Транзисторы - это простейшие части системы, они чем-то похожи на переключатели и могут находиться только в двух положениях: либо «включен», либо «выключен». Именно из комбинаций этих положений складывается двоичный код, состоящий из нулей и единиц, на котором базируются все языки программирования.

Соответственно, чем мощнее компьютер, тем больше транзисторов необходимо для его работы. Производители постоянно уменьшают их размеры, стараясь уместить как можно большее число в процессоры. Например, в новом Xbox One X их миллиарды.

Сейчас размер одного транзистора составляет 10 миллимикрон, то есть одну стотысячную миллиметра. Но однажды будет достигнут физический предел, меньше которого транзистор просто невозможно сделать. Для того чтобы избежать кризиса в развитии ИТ, ученые работают над созданием компьютера, который будет работать по совершенно другому принципу, - квантового. Транзисторы, из которых будет состоять квантовый компьютер, могут находиться одновременно в двух положениях: «включен» и «выключен» и, соответственно, сразу быть и единицей, и нулем, это называется «суперпозиция».

Если мы возьмем 4 стандартных транзистора (бита), то они, работая вместе, могут создать 16 различных комбинаций единиц и нулей. По одной за раз.

Если же мы рассматриваем 4 квантовых транзистора (кубита), то они могут быть всеми 16 комбинациями одновременно. Это огромная экономия места и времени!

Но, конечно же, создать кубиты очень и очень сложно. Ученым приходится иметь дело с субатомными частицами, которые подчиняются законам квантовой механики, разрабатывать совершенно новый подход к программированию и языку.

Существуют различные типы кубитов. Эксперты Microsoft, например, работают над созданием топологических кубитов. Они невероятно хрупки и легко разрушаются от малейших звуковых волн или теплового излучения. Для стабильной работы им необходимо постоянно находиться при температуре –273°C. Однако у них есть и ряд преимуществ перед другими типами: информация, хранящаяся в них, практически не подвержена ошибкам, и, соответственно, квантовый компьютер, созданный на основе топологических кубитов, будет являться сверхнадежной системой.

Квантовый компьютер Microsoft состоит из трех основных уровней: первый уровень - собственно, квантовый компьютер, содержащий кубиты и постоянно находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю; следующий уровень - криогенный компьютер - это тоже совершенно новый тип компьютера, который управляет квантовым и работает при температуре –268°C; последний уровень - компьютер, за которым уже может работать человек, и управляющий всей системой. Подобные компьютеры будут в 100–300 раз превосходить по мощности самые продвинутые суперкомпьютеры, существующие сейчас.

Сегодня мир как никогда близко подошел к изобретению настоящего квантового компьютера: есть понимание принципа его работы, прототипы. И в тот момент, когда мощности обычных компьютеров для обработки всей существующей на Земле информации хватать перестанет, появится квантовый компьютер, знаменующий собой совсем новую эру цифровых технологий.

Последние десятилетия компьютеры развивались очень быстро. Фактически на памяти одного поколения они прошли путь от громоздких ламповых, занимающих огромные помещения до миниатюрных планшетов. Стремительно увеличивалась память и скорость. Но наступил момент, когда появились задачи, неподвластные даже сверхмощным современным компьютерам.

Что такое квантовый компьютер?

Появление новых задач, неподвластных обычным компьютерам, заставило искать новые возможности. И, как альтернатива обычным компьютерам, появился квантовый. Квантовый компьютер - это вычислительная техника, в основу действия, которой положены элементы квантовой механики. Основные положения квантовой механики были сформулированы в начале прошлого века. Ее появление позволило решить многие задачи физики, которые не находили решения в классической физике.

Хотя теория квантов уже насчитывает второе столетие, она по-прежнему остается понятной только узкому кругу специалистов. Но есть и реальные результаты квантовой механики, к которым мы уже привыкли – лазерная техника, томография. А в конце прошлого века была разработана теория квантовых вычислений советским физиком Ю. Маниным. Через пять лет Дэвид Дойч обнародовал идею квантовой машины.

Существует ли квантовый компьютер?

Но воплощение идей оказалось не столь простым. Периодически появляются сообщения о то, что создан очередной квантовый компьютер. Над разработкой такой вычислительной техники работают гиганты в области информационных технологий:

D-Wave – компания из Канады, которая первой начала выпуск действующих квантовых компьютеров. Тем не менее идут споры специалистов, насколько реально являются квантовыми эти компьютеры и какие преимущества они дают.
IBM – создала квантовый компьютер, причем открыла к нему доступ для пользователей интернета для экспериментов с квантовыми алгоритмами. К 2025 году компания планирует создать модель, способную решать уже практические задачи.
Google – анонсировала выпуск в этом году компьютера, способного доказать превосходство квантовых на обычными компьютерами.
В мае 2017 г. Китайские ученые в Шанхае заявили, что создан самый мощный квантовый компьютер в мире, превосходящий аналоги по частоте обработки сигналов в 24 раза.
В июле 2017 г. На Московской конференции по квантовым технологиям было заявлено о том, что был создан 51-кубитный квантовый компьютер.

Чем отличается квантовый компьютер от обычного?

Принципиальное отличие квантового компьютера в подходе к процессу вычисления.

В обычном процессоре все вычисления строятся на основе битов, бывающих в двух состояний 1 либо 0. То есть, вся работа сводится к анализу огромного количества данных на предмет соответствия заданным условиям. В основу квантового компьютера положены кубиты (квантовые биты). Их особенностью является возможность быть в состоянии 1, 0, а также одновременно 1 и 0.
Возможности квантового компьютера значительно возрастают, так как нет необходимости искать нужный ответ среди множества. В этом случае ответ выбирается из уже имеющихся вариантов с определенной долей вероятности соответствия.

Для чего нужен квантовый компьютер?

Принцип квантового компьютера, выстроенный на выборе решения с достаточной долей вероятности и способность находить такое решение в разы быстрее, чем современные компьютеры, определяет и цели его использования. Прежде всего, появление такого вида вычислительной техники беспокоит криптографов. Это связано со способностями квантового компьютера с легкостью вычислять пароли. Так, самый мощный квантовый компьютер, созданный российско-американскими учеными, способен получить ключи к существующим системам шифрования.

Есть и более полезные прикладные задачи для квантовых компьютеров, они связаны с поведением элементарных частиц, генетикой, здравоохранением, финансовыми рынками, защитой сетей от вирусов, искусственным интеллектом и множеством других, решить которые пока не могут обычные компьютеры.

Как устроен квантовый компьютер?

Устройство квантового компьютера базируется на применении кубитов. В качестве физического исполнения кубитов в настоящее время используются:

кольца из сверхпроводников с перемычками, с разнонаправленным током;
отдельные атомы, под воздействием лазерных лучей;
ионы;
фотоны;
разрабатываются варианты использования нанокристалов полупроводников.

Квантовый компьютер - принцип работы

Если с классическим компьютером в работе есть определенность, то на вопрос, как работает квантовый компьютер, ответить непросто. Описание работы квантового компьютера основывается на двух малопонятных для большинства словосочетаниях:

принцип суперпозиции – речь о кубитах, способных находиться одновременно в позиции 1 и 0. Это позволяет вести одновременно несколько вычислений, а не перебирать варианты, что дает большой выигрыш во времени;
квантовая запутанность – феномен, отмеченный еще А. Эйнштейном, заключающийся во взаимосвязи двух частиц. Говоря простыми словами, если одна из частиц имеет положительную спиральность, то вторая моментально принимает положительную. Такая взаимосвязь происходит вне зависимости от расстояния.

Кто изобрел квантовый компьютер?

Основа квантовой механики была изложена еще в самом начале прошлого века, как гипотеза. Развитие ее связано с такими гениальными физиками, как Макс Планк, А. Эйнштейн, Поль Дирак. В 1980 г. Ю.Антонов предложил идею о возможности квантовых вычислений. А уже через год Ричард Фейнеман в теории смоделировал первый квантовый компьютер.

Сейчас создание квантовых компьютеров в стадии разработок и даже трудно предположить, на что способен квантовый компьютер. Но абсолютно ясно, освоение этого направления принесет людям много новых открытий во всех областях науки, позволит заглянуть в микро и макромир, узнать больше о природе разума, генетики.

Квантовые компьютеры обещают настоящую революцию, причем не только в вычислениях, но и в реальной жизни. Медиа пестрят заголовками про то, как квантовые компьютеры уничтожат современную криптографию, а мощность искусственного интеллекта, благодаря им возрастет на порядки.

За последние 10 лет квантовые компьютеры прошли путь от чистой теории до первых работающих образцов. Правда, до обещанной революции предстоит пройти еще немалый путь, да и ее влияние в итоге может оказаться не таким всеобъемлющим, как представляется сейчас.

Как работает квантовый компьютер

Квантовый компьютер – устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. Основным элементом в таких вычислениях является кубит, или квантовый бит. За всеми этими словам кроется довольно сложная математика и физика, но если их максимально упростить, то получится примерно следующее.

В обычных компьютерах мы имеем дело с битами. Бит - единица измерения информации в двоичной системе. Он может принимать значение 0 и 1, что очень удобно не только для математических операций, но и для логических, так как нулю можно сопоставить значение «ложно», а единице – «истинно».

Современные процессоры построены на базе транзисторов, полупроводниковых элементов, которые могут пропускать, либо не пропускать электрический ток. Иначе говоря, выдавать два значения 0 и 1. Точно также во флеш-памяти транзистор с плавающим затвором может хранить заряд. Если он есть, мы получаем единицу, если его нет – ноль. Аналогичным образом работает и магнитная цифровая запись, только носителем информации там является магнитная частичка, либо имеющая, либо не имеющая заряд.

При вычислениях мы считываем из памяти значение бита (0 или 1) и затем пропускаем ток через транзистор и в зависимости о того, пропускает он его или нет, получаем на выходе новый бит, возможно, имеющий другое значение.

Что такое кубиты для квантовых компьютеров? В квантовом компьютере основным элементом является кубит – квантовый бит. В отличие от обычного бита он находится в состоянии квантовой суперпозиции, то есть имеет значение и 0, и 1, и любые их сочетания в любой момент времени. Если в системе находится несколько кубитов, то изменение одного также влечет за собой изменение всех остальных кубитов.

Это позволяет одновременно просчитывать все возможные варианты. Обычный процессор с его бинарными вычислениями, фактически просчитывает варианты последовательно. Сначала один сценарий, потом другой, потом третий и т.д. Чтобы ускорить, начали применять многопоточность, запуская вычисления параллельно, предвыборку, чтобы предугадывать возможные варианты ветвления и просчитывать их заранее. В квантовом компьютере это все делается параллельно.

Отличается и принцип вычислений. В каком-то смысле квантовый компьютер уже содержит все возможные варианты решения задачи, нашей задачей только является считать состояние кубитов и... выбрать из них правильный вариант. И вот тут начинаются сложности. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.

Создание квантового компьютера

Какой будет физическая природа квантового компьютера? Добиться квантового состояния можно только у частиц. Кубит не построишь из нескольких атомов, как транзистор. Пока эта проблема до конца не решена. Есть несколько вариантов. Используются зарядовые состояния атомов, например, присутствие или отсутствие электрона в обычной точке, сверхпроводящие элементы, фотоны и т.д.

Столь «тонкие материи» накладывают ограничения и на измерения состояния кубитов. Энергии крайне малые, необходимы усилители, чтобы прочитать данные. Но усилители могут оказывать воздействия на квантовую систему и менять ее состояния, впрочем, не только они, но даже сам факт наблюдения может иметь значение.

Квантовые вычисления предполагают последовательность операций, которые совершаются с одним или несколькими кубитами. Те в свою очередь ведут за собой изменения всей системы. Задача выбрать из ее состояний правильное, дающее результат вычислений. При этом может быть сколь угодно много состояний, максимальное приближенных к таковому. Соответственно, точность таких вычислений почти всего будет отличаться от единицы.

Таким образом, для полноценного квантового компьютера нужны значительные достижения в физике. Кроме того, программирование для квантового компьютера будет отличаться от существующего сейчас. Наконец, квантовые компьютеры не смогут решить задачи, которые не под силу обычным, но в состоянии ускорить решения тех, с которыми они справляются. Правда, опять же не все.

Счет на кубиты, кубитный квантовый компьютер

Постепенно проблемы на пути к квантовому компьютеру снимаются. Первые кубиты были построены еще в начале века. Процесс ускорился в начале десятилетия. Сегодня разработчики уже в состоянии произвести процессоры с десятками кубитов.

Последним по времени прорывом стало создание процессора Bristlecone в недрах Google. В марте 2018 года компания заявила, что смогла построить 72-кубитный процессор. На каких физических принципах построен Bristlecone Google не сообщает. Однако считается, что для достижения «квантового превосходства», когда квантовый компьютер начинает превосходить обычный, достаточно 49 кубитов. Google удалось выполнить это условие, но уровень ошибок в 0,6% пока выше требуемого в 0,5%.

Осенью 2017 года IBM объявила о создании прототипа 50-кубитового квантового процессора. Он проходит тестирование. Но в 2017 году IBM открыла свой 20-кубитовый процессор для облачных вычислений. В марте 2018 года была запущена меньшая версия IBM Q. Ставить эксперименты на таком компьютере могут все желающие. По их результатам уже вышло 35 научных работ.

Еще в начале 10-летия на рынке появилась шведская компания D-Wave, которая позиционировала свои компьютеры как квантовые. Она породила множество споров, так как объявляла о создании 1000-кубитных машин, в то время как признанные лидеры «ковырялись» всего лишь с парой кубитов. Компьютеры шведских разработчиков продавались по цене в $10-15 миллионов, так что проверить их было не так просто.

Компьютеры D-Wave не являются квантовыми в прямом смысле этого слова, но используют некоторые квантовые эффекты, которые можно применять для решения некоторых задач оптимизации. Иначе говоря, не все алгоритмы, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере, получают на D-Wave квантовое ускорение. Google приобрела одну из систем шведов. В результате ее исследователи признали компьютеры «ограниченно квантовыми». При этом выяснилось, что кубиты сгруппированы кластерами по восемь, то есть их реальное число заметно меньше, чем декларируемое.

Квантовый компьютер в России

Традиционно сильная школа физики позволяет внести существенный вклад в решение физических проблем для создания квантового компьютера. В январе 2018 года россияне создали усилитель сигнала для квантового компьютера. Учитывая, что своей работой усилитель сам по себе способен влиять на состояние кубитов, уровень генерируемого им шума должен мало отличаться от «вакуумного». Это и удалось российским ученым из лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и двух институтов РАН. Для создания усилителя использовались сверхпроводники.

В России также создан квантовый центр. Это негосударственная исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В том числе она занимается проблемой создания кубитов. За центром стоит бизнесмен Сергей Белоусов и профессор Гарвардского университета Михаил Лукин. Под его руководством в Гарварде уже был создан 51-кубитовый процессор, который некоторое время до анонса Bristlecon был самым мощнейшим квантовым компьютером устройством в мире.

Развитие квантовых вычислений стало частью госпрограммы «Цифровая экономика». В 2018-20 года на работы в этой сфере будет выделяться господдержка. Планом мероприятий предусмотрено создание квантового симулятора на восьми сверхпроводниковых кубитах. После этого будет решаться вопрос дальнейшего масштабирования данной технологии.

Кроме того, до 2020 года в России собираются опробовать еще одну квантовую технологию: построение кубитов на нейтральных атомах и заряженных ионах в ловушках.

Одной из целей программы является создание устройств квантовой криптографики и квантовых коммуникаций. Будут созданы центры распределения квантовых ключей, которые будут их раздавать потребителям – банкам, дата-центрам, отраслевым предприятиям. Считается, что полноценный квантовый компьютер может за считанные минуты сломать любой современный алгоритм шифрования.

В итоге

Итак, квантовые компьютеры пока все еще остаются экспериментальными. Маловероятно, что полноценный квантовый компьютер, обеспечивающий действительно высокую вычислительную мощность, появится раньше следующего десятилетия. Производство кубитов и построение из них стабильных системы все еще далеко от совершенства.

Судя по тому, что на физическом уровне квантовые компьютеры имеют несколько решений, которые отличаются технологиями и, вероятно, стоимостью, они не будут унифицированы еще лет 10. Процесс стандартизации может растянуться надолго.

Кроме того, уже сейчас понятно, что квантовые компьютеры и в течение следующего десятилетия, скорее всего, будут «штучными» и очень дорогими устройствами. Вряд ли они окажутся в кармане у простого пользователя, но списке суперкомпьютеров можно ожидать их появления.

Вероятно, что квантовые компьютеры будут предлагаться в «облачной» модели, когда их ресурсы смогут задействовать заинтересованные исследователи и организации.