Просто про складне що таке квантовий комп’ютер і навіщо він потрібен
Світ на порозі чергової квантової революції. Перший квантовий комп'ютер буде миттєво вирішувати завдання, на які наймогутніша сучасна пристрій зараз витрачає роки. Які це завдання? Кому вигідно, а кому загрожує масове використання квантових алгоритмів? Що таке суперпозиція кубітів, як люди навчилися знаходити оптимальне рішення, яке не перебираючи трильйони варіантів? Відповідаємо на ці питання в рамках рубрики «Просто про складне».
Євген Глушков
До квантової в ходу була класична теорія електромагнітного випромінювання. У 1900 році німецький вчений Макс Планк, який сам в кванти не вірив, вважав їх вигаданої і чисто теоретичною конструкцією, був змушений визнати, що енергія нагрітого тіла випромінюється порціями - квантами; таким чином, припущення теорії збіглися з експериментальними спостереженнями. А п'ять років потому великий Альберт Ейнштейн вдався до цього ж підходу при поясненні фотоефекту: при опроміненні світлом в металах виникав електричний струм! Навряд чи Планк з Ейнштейном могли припустити, що своїми роботами закладають основи нової науки - квантової механіки, якій судилося до невпізнання перетворити наш світ, і що в XXI столітті вчені впритул наблизяться до створення квантового комп'ютера.
Спочатку квантова механіка дозволила пояснити структуру атома і допомогла зрозуміти що відбуваються всередині нього процеси. За великим рахунком збулася давня мрія алхіміків про перетворення атомів одних елементів в атоми інших (так, навіть в золото). А знаменита формула Ейнштейна E = mc2 привела до появи атомної енергетики і, як наслідок, створення атомної бомби.
Квантовий процесор на п'яти кубітах від IBM
Дальше більше. Завдяки роботам Ейнштейна і англійського фізика Поля Дірака в другій половині XX століття був створений лазер - теж квантовий джерело надчистого світла, зібраного в вузький пучок. Дослідження лазерів принесли Нобелівську премію не одному десятку вчених, а самі лазери знайшли своє застосування майже у всіх сферах людської діяльності - від промислових ризиків і лазерних гармат до сканерів штрихкодів і корекції зору. Приблизно в той же час йшли активні дослідження напівпровідників - матеріалів, за допомогою яких можна легко управляти протіканням електричного струму. На їх основі були створені перші транзистори - вони в подальшому стали головними будівельними елементами сучасної електроніки, без якої зараз ми вже не уявляємо своє життя.
Швидко і ефективно вирішувати багато завдань дозволило розвиток електронних обчислювальних машин - комп'ютерів. А поступове зменшення їх розмірів і вартості (в зв'язку з масовим виробництвом) проклало комп'ютерів дорогу в кожен будинок. З появою інтернету наша залежність від комп'ютерних систем, в тому числі і для комунікації, стала ще сильніше.
Залежність зростає, постійно зростають обчислювальні потужності, але настала пора визнати, що, незважаючи на свої вражаючі можливості, комп'ютери виявилися не в змозі вирішити всі завдання, які ми готові перед ними ставити. Одним з перших про це почав говорити знаменитий фізик Річард Фейнман: ще в 1981 році на конференції він заявив, що на звичайних комп'ютерах принципово неможливо точно розрахувати реальну фізичну систему. Вся справа в її квантову природу! Ефекти мікромасштабі легко пояснюються квантовою механікою і з рук геть погано - звичної нам класичної механікою: вона описує поведінку великих об'єктів. Тоді-то в якості альтернативи Фейнман запропонував використовувати для розрахунків фізичних систем квантові комп'ютери.
Що ж таке квантовий комп'ютер і в чому його відмінність від комп'ютерів, до яких ми звикли? Вся справа в тому, як ми уявляємо собі інформацію.
Якщо в звичайних комп'ютерах за цю функцію відповідають біти - нулі й одинички, - то в квантових комп'ютерах їм на зміну приходять квантові біти (скорочено - кубіти). Сам кубіт - річ досить проста. У нього як і раніше два основних значення (або стану, як люблять говорити в квантовій механіці), які він може приймати: 0 і 1. Однак завдяки властивості квантових об'єктів під назвою «суперпозиція» кубіт може приймати всі значення, які є комбінацією основних. При цьому його квантова природа дозволяє йому перебувати у всіх цих станах одночасно.
В цьому і полягає паралельність квантових обчислень з кубитами. Все трапляється відразу - вже не потрібно перебирати всі можливі варіанти станів системи, а це саме те, чим займається звичайний комп'ютер. Пошук по великих баз даних, складання оптимального маршруту, розробка нових ліків - лише кілька прикладів завдань, вирішення яких здатні прискорити у безліч разів квантові алгоритми. Це ті завдання, де для пошуку правильної відповіді потрібно перебрати величезну кількість варіантів.
Крім того, для опису точного стану системи тепер не потрібні величезні обчислювальні потужності і обсяги оперативної пам'яті, адже для розрахунку системи з 100 частинок досить 100 кубітів, а не трильйонів трильйонів біт. Більш того, з ростом числа частинок (як в реальних складних системах) ця різниця стає ще істотніше.
Перший український кубіт під електронним мікроскопом
Квантовий процесор на дев'яти кубітах від Google
З появою алгоритму Шора перед науковим співтовариством постала серйозна проблема. Ще в кінці 1970-х років, грунтуючись на складності завдання факторизації, вчені-криптографи створили алгоритм шифрування даних, який отримав повсюдне поширення. Зокрема, за допомогою цього алгоритму стали захищати дані в інтернеті - паролі, особисту переписку, банківські та фінансові транзакції. І після багаторічного успішного використання раптом виявилося, що зашифрована таким способом інформація стає легкою мішенню для алгоритму Шора, запущеного на квантовому комп'ютері. Дешифрування з його допомогою стає хвилинною справою. Радувало одне: квантовий комп'ютер, на якому можна було б запустити смертоносний алгоритм, ще не був створений.
Така різноманітність мало свої переваги. Підганяли гострою конкуренцією, різні наукові групи створювали все більш досконалі кубіти і будували з них все більш складні схеми. Основних змагальних параметрів у кубітів було два: час їх життя і кількість кубітів, які можна було змусити працювати спільно.
Співробітники лабораторії штучних квантових систем
Час життя кубітів задавало то, як довго в них зберігалося крихке квантовий стан. Це, в свою чергу, визначало, скільки обчислювальних операцій можна було виконати з кубітом, поки він не «помер».
Для ефективної роботи квантових алгоритмів потрібен був не один кубіт, а хоча б сотня, причому працює разом. Проблема полягала в тому, що кубіти не надто любили бути сусідами один з одним і висловлювали протест драматичним зменшенням свого часу життя. Щоб обійти цю нелагідність кубітів, вченим доводилося йти на всілякі хитрощі. І все ж на сьогоднішній день вченим вдалося змусити працювати разом максимум один-два десятка кубітів.
Так що, на радість криптографії, квантовий комп'ютер - все ще справа майбутнього. Хоча вже зовсім не такого далекого, як могло колись здаватися, адже до його створення активно підключаються як найбільші корпорації на зразок Intel, IBM і Google, так і окремі держави, для яких створення квантового комп'ютера - питання стратегічної важливості.
Не пропустіть лекцію:
