Як квантові комп’ютери змінять світ

Що таке квантовий комп’ютер?

Квантовий комп’ютер — це механізм на стику комп’ютерних наук та квантової фізики, самого складного розділу теоретичної фізики. Річард Фейнман, один з найбільших фізиків XX століття, як-то сказав: «Якщо ви думаєте, що розумієте квантову фізику, значить, ви її не розумієте». Тому врахуйте, що наступні пояснення — неймовірно спрощені. На те, щоб розібратися в квантовій фізиці, люди витрачають довгі роки.

Квантова фізика займається елементарними частинками менше атома. Те, як ці частинки влаштовані і як вони себе ведуть, суперечить багатьом нашим уявленням про Всесвіт. Квантова частинка може знаходитися в декількох місцях одночасно — і в кількох станах одночасно. Уявіть, що ви підкинули монету: поки вона знаходиться в повітрі, ви не можете сказати, випаде орел або решка; ця монета — як би орел і решка одночасно. Приблизно так поводяться квантові частинки. Це називається принципом суперпозиції.

Квантовий комп’ютер — це поки ще гіпотетичний пристрій, яке буде використовувати принцип суперпозиції (та інші квантові властивості)

для обчислень. Звичайний комп’ютер працює з допомогою транзисторів,

які сприймають будь-яку інформацію як нулі та одиниці. Бінарним кодом можна описати весь світ — і вирішувати будь-які завдання всередині нього. Квантовий аналог класичного біта називається кьюбит (qubit, qu — від слова quantum, квантовий). Використовуючи принцип суперпозиції, кьюбит може одночасно знаходитися

в стані 0 і 1 — і це не тільки значно збільшить потужність порівняно з традиційними комп’ютерами, але і дозволить вирішувати несподівані завдання,

на які звичайні комп’ютери не здатні.

Принцип суперпозиції — єдине,

на чому будуть засновані квантові комп’ютери?

Немає. З-за того, що квантові комп’ютери існують тільки в теорії, вчені поки тільки передбачають, як саме вони будуть працювати. Наприклад, вважається, що в квантових комп’ютерах також будуть застосовувати квантова заплутаність.

Це феномен, який Альберт Ейнштейн називав «страшним» (він взагалі був проти квантової теорії, тому що вона не поєднується з його теорією відносності). Зміст феномену в тому, що дві частинки у Всесвіті можуть бути взаємопов’язаними, причому назад: скажімо, якщо спиральность

(є така характеристика стану елементарних частинок, не будемо вдаватися в подробиці) першої частинки позитивна, то спиральность другий завжди буде негативною, і навпаки. «Страшним» цей феномен називають по двох причинах. По-перше, цей зв’язок працює моментально, швидше швидкості світла. По-друге, заплутані частинки можуть знаходитися на будь-якій відстані один

від одного: наприклад, на різних кінцях Чумацького Шляху.

Як можна використовувати квантовий комп’ютер?

Вчені шукають квантових комп’ютерів застосування і одночасно розбираються, як їх побудувати. Головне — те, що квантовий комп’ютер зможе дуже швидко оптимізувати інформацію і взагалі працювати з великими даними, які ми накопичуємо, але поки не розуміємо, як використовувати.

Уявімо такий варіант (сильно спрощений, звичайно): ви збираєтеся стріляти з лука в мішень і вам потрібно вирахувати, наскільки високо цілитися, щоб потрапити. Скажімо, потрібно прорахувати висоту від 0 до 100 див. Звичайний комп’ютер буде вираховувати кожну траєкторію по черзі: спочатку 0 см, потім 1 см, потім 2 см і так далі. Квантовий комп’ютер прорахує всі варіанти одночасно — і моментально видасть той, який дозволить вам потрапити рівно в ціль. Таким чином можна оптимізувати багато процесів:

від медицини (скажімо, раніше діагностувати рак) до авіації (наприклад, робити більш складні автопілоти).

Ще є версія, що такий комп’ютер зможе вирішувати завдання, на які звичайний комп’ютер просто не здатний — або які зайняли б у нього тисячі років обчислень. Квантовий комп’ютер зможе працювати зі складними симуляціями: наприклад, вирахувати, чи є у Всесвіті розумні істоти, крім людей. Не виключено, що створення квантових комп’ютерів призведе

до появи штучного інтелекту. Уявіть, що з нашим світом зробило поява звичайних комп’ютерів — квантові комп’ютери можуть стати приблизно таким же проривом.

Хто займається розробкою квантових комп’ютерів?

Всі. Уряду, військові, технологічні компанії. Створити квантовий комп’ютер буде вигідно практично кому завгодно. Скажімо, серед документів, оприлюднених Едвардом Сноуденом, була інформація про те, що у АНБ є проект «Впровадження в складні цілі», куди входить створення квантового комп’ютера для шифрування інформації. Microsoft серйозно займаються квантовими комп’ютерами — перші дослідження в цій області вони почали ще у 2007 році. IBM ведуть розробки і кілька років тому заявили, що створили чіп з трьома кьюбитами. Нарешті, Google і NASA співпрацюють

з компанією D-Wave, яка заявляє, що вже зараз випускає

«перший комерційний квантовий процесор» (а точніше вже другий, зараз їх модель називається D-Wave Two), але він поки не працює як квантовий —

їх, нагадаємо, не існує.

Наскільки ми близькі до створення

квантового комп’ютера?

Ніхто не може сказати точно. Новини про прориви в технології (як недавня новина про Google) з’являються постійно, але ми можемо бути як дуже далекі

від повноцінного квантового комп’ютера, так і дуже близькі до нього. Скажімо, є дослідження, які говорять про те, що достатньо створити комп’ютер всього

c кількома сотнями кьюбитов, щоб він працював як повноцінний квантовий комп’ютер. D-Wave заявляють, що створили процесор з 84 кьюбитами —

але критики, проаналізували їх процесор, заявляють, що він працює,

як класичний комп’ютер, а не як квантовий. Google, співпрацюють

з D-Wave, вважають, що їх процесор просто знаходиться на ранніх стадіях розвитку і зрештою буде працювати, як квантовий. Так чи інакше, зараз

у квантових комп’ютерів існує одна головна проблема — помилки. Будь-які комп’ютери роблять помилки, але класичні вміють з ними легко справлятися — а ось квантові ще немає. Як тільки дослідники розберуться з помилками, до появи квантового комп’ютера залишиться всього кілька років.

Що ускладнює виправлення помилок

у квантових комп’ютерах?

Якщо спрощувати, помилки в квантових комп’ютерах можна розділити на два рівня. Перший — це помилки, які роблять будь-які комп’ютери, в тому числі класичні. У пам’яті комп’ютера може з’явитися помилка, коли 0 мимоволі змінюється на 1 з-за зовнішнього шуму — наприклад, космічних променів або радіації. Ці помилки вирішити легко, всі дані перевіряють на предмет таких змін. І з цією проблемою в квантових комп’ютерах як раз недавно впорались в Google: вони стабілізували ланцюжок з дев’яти кьюбитов

і позбавили її від помилок. У цьому прориві є, втім, один нюанс: Google впоралися з класичними помилками в класичних обчисленнях. Є другий рівень помилок у квантових комп’ютерах, і його набагато складніше зрозуміти і пояснити.

Кьюбиты вкрай нестабільні, вони схильні квантової декогеренции — це порушення зв’язку всередині квантової системи під впливом навколишнього середовища. Квантовий процесор потрібно максимально ізолювати від навколишнього впливу (хоча декогеренції відбувається іноді і в результаті внутрішніх процесів), щоб звести помилки до мінімуму. При цьому від квантових помилок неможливо позбутися повністю, — але якщо зробити їх досить рідкісними, квантовий комп’ютер зможе працювати. При цьому деякі дослідники вважають, що 99% потужності такого комп’ютера як раз направлять

на усунення помилок, але й залишився 1% вистачить для вирішення будь-яких завдань.

На думку фізика Скотта Ааронсона, досягнення Google можна вважати третім

з половиною кроком з семи, необхідних для створення квантового комп’ютера, — інакше кажучи, ми пройшли половину шляху.

  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1
(0 голосов, в среднем: 0 из 5)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *