Квантові комп’ютери: що це таке і навіщо вони нам

Мої читачі давно просять мене спробувати писати в науково-популярному стилі про новинки науки й технологій. Тож сьогодні я вирішив розповісти, що таке квантові комп’ютери, які останні досягнення є в цій галузі та яку користь усе це може нам принести.

Про квантові комп'ютери говорять уже не перший рік. Заголовки обіцяють революцію в медицині, криптографії та науці загалом, великі корпорації регулярно звітують про черговий "квантовий прорив". Але звичайна людина в цей момент лише знизує плечима, бо їй незрозуміло, про що йдеться і чим ця машина відрізняється від звичайного ноутбука. Спробуємо розібратися в цьому без зайвої математики, простими словами.

Лампочка, а не вдосконалена свічка

Найпростіший спосіб пояснити різницю між класичним і квантовим комп'ютером — порівняння зі свічкою та лампочкою розжарювання. Обидва пристрої світять, тобто виконують однакову функцію, але досягають результату абсолютно різними фізичними шляхами. Скільки б ви не вдосконалювали свічку — не так матеріал ґнота, не покращили віск, — вона ніколи не перетвориться на лампочку. Це принципово інша технологія, що спирається на глибше розуміння природи електрики.

Так само й квантовий комп'ютер — це не "потужніший" звичайний комп'ютер. Це пристрій, який працює за зовсім іншими фізичними правилами, спираючись на закони квантової механіки — науки, яка описує поведінку матерії на рівні окремих атомів і елементарних частинок. І так само, як винахід лампочки колись змінив спосіб життя людства, квантові обчислення потенційно можуть вплинути на медицину, безпеку даних та навіть на те, як ми розуміємо Інтернет.

Втім, варто одразу зробити застереження: якщо електрична лампочка вже понад століття є буденним предметом побуту, то "квантовий Едісон" — той, хто створить перший по-справжньому робочий і практично корисний квантовий комп'ютер, — ще не з'явився. Наука сьогодні перебуває приблизно на тому етапі, коли вчені намагаються отримати бодай стабільне світіння, перш ніж говорити про масове виробництво лампочок.

Що таке кубіт і чим він відрізняється від звичайного біта

Щоб зрозуміти суть квантових обчислень, варто почати з терміна "квант". Це не назва якогось об'єкта, а позначення найменшої можливої порції чогось — енергії, часу, взаємодії. Звідси й походить назва "квантова фізика" — розділ науки, що вивчає найменші можливі системи, аж до рівня окремих атомів і субатомних частинок.

Базовою одиницею інформації у звичайному, класичному комп'ютері є біт — найменша неподільна одиниця даних, яка може набувати лише одного з двох значень: 0 або 1. Саме комбінаціями нулів і одиниць закодовано абсолютно все, з чим ми взаємодіємо в цифровому світі: фотографії, повідомлення в месенджерах, відеоігри, банківські транзакції.

Квантовий біт, або кубіт, влаштований інакше. Завдяки явищу, яке називається суперпозицією, кубіт не зобов'язаний перебувати строго в стані 0 або строго в стані 1. Він може одночасно перебувати в обох станах, причому з певною "вагою" кожного — наприклад, на 20 відсотків бути нулем і на 80 відсотків одиницею. Саме ця властивість теоретично дозволяє квантовим машинам обробляти й зберігати значно більші обсяги інформації, ніж класичні комп'ютери, та виконувати деякі типи розрахунків значно швидше.

Другою ключовою властивістю квантового світу є квантова заплутаність (englishentanglement). Це стан, за якого два кубіти виявляються настільки тісно пов'язаними між собою, що вимірювання стану одного миттєво визначає стан іншого — незалежно від відстані між ними. Завдяки заплутаності кубіти можна об'єднувати у складніші й ефективніші структури для обробки інформації, що додатково масштабує обчислювальну потужність системи.

З чого складається квантовий комп'ютер

Технічно квантовий комп'ютер складається з трьох основних компонентів:

• сховище кубітів — фізичне середовище, у якому утримуються самі квантові біти;

• система керування кубітами — механізм, що передає їм сигнали (для цього використовують мікрохвильове випромінювання, лазери або електричну напругу);

• класичний комп'ютер — звичайний обчислювальний пристрій, який запускає програму, надсилає інструкції та зчитує результат.

Квантовий матеріал, з якого формуються кубіти, надзвичайно чутливий до будь-яких зовнішніх впливів. Тому в багатьох реалізаціях квантові процесори охолоджують до температур, близьких до абсолютного нуля — приблизно мінус 272 градуси за Цельсієм, що лише на кілька градусів вище за теоретично можливий мінімум. В інших підходах кубіти ізолюють у вакуумних камерах, щоб мінімізувати вібрації та зберегти їхню стабільність.

Головна проблема: помилки та декогеренція

Саме тут і криється основна складність усієї технології. Кубіти настільки чутливі до навколишнього середовища, що майже будь-яке втручання — коливання температури, зміна електромагнітного поля, навіть незначний рух — здатне зруйнувати весь розрахунок.

Наочно це видно, якщо порівняти частоту помилок класичних і квантових систем. У звичайних комп'ютерах імовірність помилки становить приблизно один випадок на 10 у 17 степені біт — величина настільки мала, що на практиці нею просто нехтують. У квантових же системах, навіть за умови максимальної ізоляції та охолодження до близького до абсолютного нуля стану, частота помилок залишається на рівні одного випадку на кілька сотень кубітів. Різниця — колосальна, і саме вона є головною перешкодою на шляху до практично корисних квантових обчислень.

Друга фундаментальна проблема — так звана квантова декогеренція. Щоразу, коли ми намагаємося виміряти стан кубіта, він втрачає свою суперпозицію і "звалюється" в одне з двох звичних положень — 0 або 1. Можна уявити це так: квантовий комп'ютер — це вправний математик, який отримує проміжні результати на кшталт 356 670,23 чи 1 846 662. Але ми, намагаючись оцінити результат достроково, здатні розрізнити лише грубі категорії "мало" і "багато", тобто фактично 0 і 1, втрачаючи всю точність обчислення. Єдиний спосіб отримати коректний результат — дозволити розрахунку завершитися повністю, не втручаючись у процес завчасно.

Саме через ці два фактори — крихкість кубітів і схильність до декогеренції — масштабування квантових систем (додавання нових кубітів) не спрощує, а навпаки, ускладнює завдання: що більше кубітів у системі, то важче утримати їх усі в стабільному стані одночасно.

Чи існує вже "справжній" квантовий комп'ютер

Це питання залишається відкритим навіть серед самих фізиків. Коли такі компанії, як IBM чи Google, заявляють про створення квантового комп'ютера або про виконання обчислення, недоступного класичним машинам, варто ставитися до цього з певною часткою скепсису. Наразі жодна з подібних демонстрацій не була настільки переконливою, щоб остаточно довести практичну перевагу квантових обчислень над класичними в реальних, а не штучно підібраних задачах.

Більшість дослідників сходяться на думці, що до появи повноцінно функціональних квантових машин, здатних вирішувати задачі, недосяжні для класичних комп'ютерів, мають минути ще десятиліття інтенсивних досліджень.

Навіщо взагалі потрібні квантові комп'ютери

Попри всі труднощі, потенційні напрямки застосування квантових обчислень виглядають дійсно масштабними.

Криптографія та безпека даних. Це, мабуть, найбільш очікуваний напрямок. Ідея полягає в тому, що захист інформації базуватиметься не на складності обчислень (як зараз), а на фундаментальних законах фізики. Кубіт втрачає свій особливий квантовий стан у момент, коли хтось намагається його "підслухати" чи скопіювати. Тобто сама спроба перехопити зашифроване повідомлення автоматично його зруйнує — і про факт стеження стане відомо миттєво.

Медицина та розробка ліків. "Хаотична" природа суперпозиції добре узгоджується з тим, як відбуваються, наприклад, мутації ДНК, розвиток хвороб чи еволюційні процеси. Розробка нового препарату сьогодні триває близько 15 років і може коштувати понад 2,6 мільярда доларів: із мільйонів досліджуваних молекул до фінальних випробувань доходять лише сотні, а близько 99 відсотків із них зрештою відсіюються через помилкові прогнози поведінки речовини. Квантове моделювання молекулярних взаємодій теоретично здатне суттєво скоротити цей шлях.

Моделювання складних систем. Ідеться не лише про ліки, а й, наприклад, про моделювання розвитку епідемій, кліматичних процесів чи інших систем із величезною кількістю змінних, які класичним комп'ютерам обраховувати надзвичайно важко.

Квантова телепортація даних. Попри фантастичну назву, йдеться не про телепортацію матерії, а про передачу інформації між заплутаними частинками без її фізичного перенесення каналом зв'язку. Подібні експерименти вже проводили в лабораторних умовах, і вони можуть лягти в основу майбутнього "квантового Інтернету" — мережі, у якій, серед іншого, обговорюють можливість повністю захищеного електронного голосування.

Замість висновку

Квантові комп'ютери — це не наступне покоління звичних нам пристроїв, а принципово інша технологія, яка спирається на закони природи, ще не до кінця приборкані людиною. Ми вже розуміємо базові принципи її роботи — суперпозицію, заплутаність, декогеренцію, — але між теоретичним розумінням і практично корисною машиною лежить прірва інженерних проблем, головна з яких — боротьба з помилками та крихкістю кубітів.

Це не означає, що технологія — марна вигадка маркетологів. Швидше, вона перебуває на етапі, який можна порівняти з раннім періодом розвитку електрики: принципи вже відомі, перші експерименти вже вражають, але до появи "лампочки", яка стане звичним предметом побуту, може пройти ще не одне десятиліття. І цілком можливо, що років за десять цю статтю ви прочитаєте вже за допомогою пристрою, який справедливо носитиме назву квантового комп'ютера.