Про квантовые компьютеры простыми словами (почти)

Пару лет назад мы писали про сериал «Разрабы», который в некоторой степени романтизировал квантовые вычисления, приписывая им возможность видеть будущее. В нем, безусловно, был некий фантастический концепт, но доля правды тоже была — вычисления на основе квантов реальны и очень перспективны, а такие компьютеры функционируют уже несколько лет. В последние годы, похоже, проектировщикам удалось достичь квантового превосходства, то есть обогнать традиционные суперкомпьютеры по вычислительной мощности.

Обычно о важности той или иной технологии говорит интерес к ней правительства. Например, Китай считает квантовые вычисления приоритетным направлением своих исследований, в 2018 году он выделил на строительство Национальной лаборатории квантовых наук $10 млрд. США инвестировали $1,2 млрд, а в дальнейшем потратят еще больше в рамках инфраструктурного плана Байдена. Германия, Канада, Индия и Япония тоже тратят существенные суммы. Уникальные наработки есть и в России, а суммарные инвестиции можно оценить почти в 30 млрд рублей. Возможно, скоро о квантах будут говорить активнее, поэтому пора разобраться в основных терминах.

Сначала разберемся, как работает обычный компьютер. Классическая детская задача про волка, козу и капусту вполне подходит для этого. Напомним условия: крестьянину нужно перевести троицу на другой берег в лодке, которая кроме хозяина вмещает еще один объект. При этом человек не может оставить наедине ни волка с козой, ни козу с капустой по понятным причинам.

Обычный ПК оперирует битами, единицами информации, которые принимают значение либо 0, либо 1 (думайте о транзисторах, маленьких переключателях — когда затвор выключен, ток не передается, этому соответствует значение бита = 0, когда затвор включен и ток поступает, значение = 1).

Если решать задачу с помощью обычного компьютера, можно использовать 4-битную систему, в которой 0 или 1 будут означать берег — левый и правый соответственно. Например, запись вида 0000 означает, что все находятся на левом берегу, а 1000 — что крестьянин уплыл один, бросив имущество.

Всего состояний в этой задаче может быть два у каждого объекта, то есть общее число комбинаций 2*2*2*2 = 16. Единственно верным первым шагом при решении, как мы знаем, будет перевозка козы — это комбинация 1001. Чтобы ПК понял, что именно этот шаг верный, он должен перебрать все варианты по очереди, последовательно пребывая в каждом из 16 состояний.

Квантовые компьютеры используют для хранения информации кубиты, которые могут принимать значение 0 и 1 по отдельности, а также 0 и 1 одновременно. То есть они могут пребывать во всех 16 состояниях сразу — это называется суперпозицией в противовес двоичной позиции в обычных устройствах.

Для примера мы использовали простую задачу, но представьте, если состояний не 16, а триллион, и вам нужно найти среди них одно. Даже если обычный компьютер будет обрабатывать каждое состояние за 1 микросекунду (это миллионная доля секунды), ему понадобится не меньше недели на решение задачи. Квантовый компьютер справится за 1 секунду, действуя по алгоритму Гровера.

Квантовый компьютер — новый тип устройств, он использует в своей работе принципы квантовой механики. Это раздел науки, которая изучает поведение атомов и еще более мелких (субатомных) частиц: фотонов, электронов, нейтрино. Законы взаимодействия между ними существенно отличаются от того, что мы привыкли видеть вокруг, в «большом» мире.

Единицей информации, как мы выяснили, в квантовом компьютере является квантовый бит, или кубит, одно из свойств которого — суперпозиция, то есть комбинация всех возможных состояний. Представьте, что нужно открыть N дверей. Обычный компьютер будет открывать их по очереди, квантовый может открыть все сразу.

Парадокс кошки Шредингера (да, именно кошки) — тоже пример суперпозиции, ведь она по условию и живая, и мертвая одновременно. Чтобы понять принцип было проще, компания Microsoft предлагает думать о монетке: если классические биты измеряются подбрасыванием и принимают значение либо орел (0), либо решка (1), кубиты могут зафиксировать все возможные варианты положений монеты, включая орла, решку и любые промежуточные состояния.

Суперпозиция — не единственное свойство субатомных частиц. В физике также есть понятия запутанности, квантовой интерференции, коллапса и декогеренции.

Запутанность — состояние квантовых частиц (двух и более), при котором между ними устанавливается некая связь, даже если они находятся за тысячи километров друг от друга. То есть если вы измените один кубит, запутанный с ним тоже изменится. Добавляя в систему запутанные кубиты, можно экспоненциально увеличить вычислительные возможности квантовых компьютеров.

Интерференция — следствие суперпозиции и один из самых загадочных принципов квантовой механики, который упрощенно подразумевает, что частица (скажем, фотон) может пересекать свою же траекторию и мешать собственному движению. Так как каждое состояние кубита описывается амплитудой вероятностей, эти состояния формируют интерференционную картину. Если хотите разобраться в терминах, почитайте про опыт с двумя щелями Томаса Юнга.

Интерференция может быть конструктивной и деструктивной — создатели квантовых компьютеров используют эти эффекты, чтобы влиять на вероятность определенного состояния для ускорения вычислений. Например, они добиваются, чтобы в момент измерения вероятность коллапса кубита в значение 1 была 70%, а в значение 0 — 30%.

Декогеренция — что-то вроде неконтролируемого коллапса волновой функции. Если в систему кубитов попадет любой шум из окружающей среды (электрические и другие помехи, не заметные глазу), суперпозиция нарушится, информация может потеряться (что критическим образом повлияет на точность решения задач). Ограничение декогеренции — ключевая задача при создании квантового компьютера.

Вопреки ожиданиям, современные квантовые компьютеры не очень большие — размером примерно с холодильник (но есть еще коробка с электроникой размером с комод). А вот детально они устроены гораздо сложнее привычных компьютеров. Обычно они состоят из:

• Квантовой системы. Технологии могут отличаются, но в основном роль кубитов играют либо ионы с разными уровнями энергии, либо сверхпроводящие цепи с разными колебательными состояниями, либо топологические кубиты (например, майорановские частицы).

• Некоего кластера, в котором находятся кубиты и в котором они будут как можно дольше стабильны. Кластеры обычно охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю, или стабилизируют с помощью химических компонентов. Цель — защитить кубиты от любых внешних помех.

• Устройства для передачи сигналов кубитам, чтобы манипулировать их состоянием. Часто это делают с помощью микроволновых импульсов или лазерного света с определенной длиной волны.

• Обычного компьютера, который в рамках программы будет передавать кубитам инструкции (алгоритм) для решения конкретных задач.

Сам принцип работы квантового компьютера еще сложнее, для его объяснения нужно вводить множество терминов типа туннелирования, эффекта Джозефсона, куперовских пар и так далее, при этом всегда будет вероятность неверного объяснения принципов (в конце концов, мы не ученые). Поэтому, чтобы не усложнять материал, просто покажем несколько изображений разных квантовых компьютеров:

В основном испытаниями квантовых устройств и созданием облачных решений занимаются крупные IT-компании: IBM, Intel, Microsoft, Google, Amazon. Программное обеспечение также создает NVIDIA. Определенные амбиции есть у Alibaba, Taiwan Semiconductor и ряда других игроков. Стартапы тоже есть: IonQ, Rigetti Computing и D-Wave. Последние, кстати, говорят, что обладают самым быстрым коммерческим квантовым компьютером в мире — модель Advantage предполагает 5000 кубитов, каждый из которых может соединяться с другими 15 разными способами.

Несмотря на довольно большое число разработчиков (мы упомянули компании преимущественно из США, но есть другие), у вас дома вряд ли когда-нибудь появится квантовый компьютер. Технология десятилетиями оставалась просто концепцией как раз потому, что кванты очень чувствительны к любым воздействиям, то есть могут коллапсировать даже от небольших помех — и это проблема. Вряд ли вы захотите жить в вакууме.

Но воспользоваться мощью таких компьютеров вы, скорее всего, сможете. Компании постепенно выходят на рынок облачных квантовых вычислений, то есть позволяют удаленно взаимодействовать со своими системами: писать для них программы и алгоритмы, вести расчеты. Опция есть у IBM и Microsoft.

Лучше всего квантовые компьютеры работают с массивами данных, которые, как и сами кванты, существуют в пространстве неопределенности. С их помощью можно заниматься секвенированием генома, разрабатывать сложные лекарства, например, от болезни Альцгеймера. Еще одно направление — работа с химическими реакциями, скажем, в аккумуляторах — это имеет значение для батарей нового поколения в электромобилях (нашу статью про глобальное потепление читайте здесь). Предсказания на финансовых рынках, прогнозы погодных явлений, изучение квантовой физики, криптография и блокчейн — тоже области применения квантов.

Но несмотря на все сказанное, важно отдавать себе отчет, что сама технология еще несовершенна, инженеры до сих пор пытаются справиться с влиянием декогеренции, а впереди масса исследований. Физик-теоретик Санкар дас Сарма из Университета Мэриленда в статье для MIT вообще склонен считать, что о создании настоящего квантового компьютера пока говорить не приходится. Прежде чем такие компьютеры смогут решать задачи из списка выше, то есть имеющие реальное значение (и если вообще смогут), пройдет еще много лет.