Что такое квантовый компьютер и почему он изменит наше будущее. Простыми словами

Проще говоря, это устройство, способное перевернуть привычную нам картину информационных технологий, над разработкой которого сейчас бьются лучшие учёные и инженеры мира.

С его помощью можно проводить сверхбыстрые вычисления, манипулировать огромными объёмами данных, вывести на новый уровень криптографию, создать мощные нейросети и искусственный интеллект (ИИ) и позволить им решать сверхсложные задачи, для которых раньше было недостаточно данных и мощностей.

Первые квантовые компьютеры уже появились и тестируются в разных государствах, однако предстоит ещё много работы, чтобы эта технология обрела законченный вид и стала массовой.

Как выглядят квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры выглядят не так, как обычные. Они представляют собой большие цилиндры из металла с закрученными проводами. Для работы их опускают в холодильные установки.

Концепция квантовых компьютеров

Основные принципы и термины квантовых вычислений

Квантовые кубиты — наименьшая единица информации квантовых вычислений, аналог бита в обычном компьютере (о них мы подробнее расскажем ниже). Но в теории даже один кубит — это физическая система с бесконечным количеством памяти (за счёт того, что их состояние не исчерпывается одним из двух — 0 или 1, — а включает в себя всё множество состояний между ними).

Квантовые алгоритмы — алгоритм, предназначенный для выполнения на квантовом компьютере. Он похож на классические алгоритмы (последовательность операций), но результат работы квантового алгоритма носит вероятностный характер — то есть может быть неверным.

Как возникла идея квантовых вычислений в компьютерах

Знакомые всем современные компьютеры, появившиеся во второй половине XX века, работают в двоичной системе информации. Это значит, что единицей информации в ней служат биты, которые могут принимать значение либо 1, либо 0 («да» или «нет»).

Их можно сравнить с лампочками, которые последовательно включаются и выключаются. И делают они это очень быстро и в связи со множеством других битов.

Таким образом можно проводить сложнейшие вычисления, зашифровать, а потом считать и расшифровать огромные объёмы данных и команд для выполнения устройством.

Дело в том, что при решении задач с большими объёмами данных и большим количеством вариантов, неизвестных обычному компьютеру, требуется очень много времени. Имея в распоряжении только два значения бита, современные ЭВМ вынуждены последовательно действовать перебором, включая и выключая «лампочки» — биты. И постоянно записывать и стирать результаты предыдущих промежуточных вычислений, чтобы не забивать память. А на это могут уйти даже не годы — тысячелетия.

Гораздо быстрее справиться с вычислениями можно, если использовать вместо битов кубиты, способные принимать значение не только 0 или 1 последовательно, но и оба эти значения вместе (а также множество значений между).

Преимущества квантовых компьютеров перед классическими

Квантовый мир работает на принципе вероятности, неопределённости. В этом одновременно его сила и слабость. Там, где обычный компьютер, попыхтев, в конечном счёте выдаст-таки точный ответ, квантовый выдаст итог вычислений намного быстрее, но с некоторой вероятностью ответ будет неверен. То есть у нас не будет однозначного ответа, а только вероятность получить правильный ответ.

Но эта вероятность повышается с каждым новым вычислением. А за счёт того, что квантовый компьютер выполняет эти вычисления очень быстро, в конечном счёте это «гадание на квантах» даст верный ответ с очень большой вероятностью.

Квантовое превосходство — способность квантовых вычислительных систем решать задачи, которые классические компьютеры (даже сверхмощные суперкомпьютеры) практически не могут решить за вменяемое время.

Проблемы и вызовы квантовых вычислений

У квантовых компьютеров остаётся немало нерешённых проблем и задач. Одни из них — специфическая фишка технологии, другие в теории могут найти решение.

Первая очевидная проблема — вероятностный характер результатов вычислений. Для их интерпретации во что-то, приближенное к реальности, нужны особые квантовые алгоритмы. Они уже есть, но заточены прежде всего на решение математических задач, а не прикладных. То есть ещё предстоит разработать понятный не докторам математических наук язык квантового программирования. Они уже давно есть, но массовыми не станут ещё долго.

Другая сложность — декогеренция. Дело в том, что квантовый компьютер основан на физике элементарных частиц. А они довольно легко теряют свои свойства при столкновении с чем угодно. Повлиять может как физический толчок, так и сложнопрогнозируемые штуки вроде магнитной бури или смены погоды.

Поэтому сейчас квантовые компьютеры работают только в изолированных от внешнего мира лабораториях, где вся система охлаждается до абсолютного нуля (–273 градусов Цельсия).

Ну и, наконец, как и любая развивающаяся технология, сейчас квантовые компьютеры идут несколькими параллельными путями, пытаясь нащупать оптимальную платформу. Одни работают на ионах, другие на сверхпроводниках, фотонах и пр.

Каждая физическая система имеет свои преимущества и недостатки, такие как скорость, точность, масштабируемость и устойчивость к шумам. Но такое разнообразие пока не позволяет придумать универсальные стандарты и алгоритмы квантовых вычислений.

Только время покажет, какая система оптимальна для каких задач.

В каких странах уже есть квантовые компьютеры

Разработки экспериментальных моделей квантовых компьютеров идут уже несколько десятилетий. Первыми о работающем прототипе сообщила американская компания IBM в 2001 году.

Пионерами в этой области остаются США. Но их также активно догоняют и другие передовые страны:

• Япония;
• Китай;
• Канада;
• Россия.

Начав с простейших систем на двух кубитах, постепенно учёные увеличивали количество сверхпроводящих элементов. Самым мощным квантовым компьютером сейчас считается IBM Quantum Condor с 433 кубитами, представленный в 2023 году.

Помимо IBM, разработкой квантовых компьютеров занимаются такие техногиганты, как:

• Google (сверхпроводящие);
• Intel (сверхпроводящие и спиновые);
• IonQ (ионные);
• Xanadu (фотонные).

Квантовые компьютеры в России

Российские разработки ведутся с начала нулевых. В 2005 году группа кандидата физических наук Юрия Пашкина при помощи японских специалистов построила первый русский двухкубитный квантовый процессор.

Однако долгое время о российских прорывах в создании квантовых компьютеров почти не слышали.

Ситуация начала исправляться в 2016 году, когда при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал первый в России проект по созданию квантовых информационных систем на сверхпроводящих кубитах.

В 2017 году международная группа физиков под руководством россиянина Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра, создала программируемый квантовый симулятор на 51 кубите. Она стала самой сложной квантовой системой из существовавших на тот момент.

А в 2018 году в России начался пилотный проект по развитию платформ квантовых вычислений на двух других технологиях: нейтральных атомов в оптических ловушках и интегральных оптических чипов.

В 2020 году в России приняли дорожную карту по созданию квантовых компьютеров «Квантовые вычисления». Консорциум объединил структуры «Росатома», фонд «Сколково» и университеты МГУ, МИСиС, НИТУ, МФТИ. Общий бюджет инициативы до конца 2024 года составил около 24 млрд рублей.

В 2021 году специалисты Национальной квантовой лаборатории совместно с РКЦ и ФИАНом сообщили о создании прототипа ионного квантового компьютера. Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой.

2024 год оказался прорывным в плане создания работающих квантовых компьютеров в России. В январе специалисты МФТИ запустили первый в России 12-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводниках.

А в феврале 2024 года учёные Российского квантового центра при «Росатоме» заявили о создании 20-кубитного квантового компьютера на ионной платформе. До конца 2024 года российские специалисты планируют создать 50-кубитный квантовый компьютер.

Будущее квантовых компьютеров и их применение

Несмотря на то что уже есть работающие прототипы квантовых компьютеров и разрабатываются всё более мощные устройства, пока эта технология остаётся технологией будущего. Слишком много ещё предстоит понять и протестировать, чтобы чётко понимать, что можно и что нельзя требовать от такой системы.

Кроме того, квантовая физика — одна из сложнейших, если не сложнейшая область человеческого знания.

Сейчас их преимущественно используют для научно-исследовательских целей. Но в теории у квантовых компьютеров самое широкое применение:

• Оптимизация сложных систем и процессов в таких областях, как логистика, транспорт, энергетика, финансы, маркетинг.
• Новые способы шифрования и дешифрования данных, которые выведут на новый уровень криптографию, кибербезопасность (но и создадут новые угрозы в виде хакеров на квантовых компьютерах).
• Прорыв в области искусственного интеллекта, машинного обучения и построения нейросетей. С их помощью можно построить настолько мощные нейросети, что они будут как орешки щёлкать сложнейшие задачи, над которыми аналоговые человеческие умы могли биться десятилетиями. Они смогу находить новые материалы и лекарства, решать экономические задачи и прогнозировать кризисы, симулировать поведение молекул, атомов и мельчайших частиц, помогая человеку понять строение Вселенной.

Работающие квантовые компьютеры обещают прорыв в самых разных сферах. Но пока и сама разработка таких компьютеров требует консолидации умов из самых разных областей: учёных — физиков и математиков, инженеров, программистов и, конечно, инвесторов глобального уровня.

А после, на стадии внедрения, ещё долго будет ощущаться недостаток кадров и образования: работа с квантовыми вычислениями требует глубоких знаний физики, математики, информатики. Пока количество таких специалистов в мире довольно ограничено, а существующая система образования не успевает готовить новые кадры.

Так что, если вы или ваши дети рассчитываете в будущем оседлать тему квантовых компьютеров, учиться стоит начать уже сейчас.