Зачем нужны квантовые компьютеры?

Технологические компании вкладывают миллиарды долларов в квантовые вычисления, несмотря на то, что до практического применения этой технологии ещё много лет. Так для чего же будут использоваться квантовые компьютеры в будущем — и почему так много экспертов убеждены, что они изменят правила игры?

Идея создания компьютера, использующего принципы квантовой механики, появилась ещё в 1980-х годах, но только в последние два десятилетия были достигнуты значительные успехи в создании работоспособных, хотя и пока ещё ограниченных, устройств.

Принцип работы квантового компьютера

В основе квантовых вычислений лежит принцип суперпозиции и квантовой запутанности. В отличие от классического бита, который может находиться только в одном из двух состояний (0 или 1), кубит – квантовый бит – может находиться в суперпозиции, представляя собой одновременно и 0, и 1 с определёнными вероятностями. Эта способность к суперпозиции позволяет квантовому компьютеру обрабатывать огромный объём информации одновременно, значительно превосходя возможности классических компьютеров. Квантовая запутанность, когда два или более кубитов связаны таким образом, что их состояния взаимозависимы, независимо от расстояния между ними, позволяет проводить параллельные вычисления с невероятной эффективностью.

В настоящий момент существуют несколько типов квантовых компьютеров, каждый со своими преимуществами и недостатками. К примеру, суперпроводниковые кубиты, используемые Google и IBM, основаны на сверхпроводящих цепочках, в которых кубиты представляют собой микроскопические кольца из сверхпроводящего материала. Ионные ловушки, разрабатываемые другими компаниями, удерживают ионы в вакуумной камере с помощью электромагнитных полей, используя их внутренние квантовые состояния в качестве кубитов. Фотонные квантовые компьютеры, основанные на фотонах света, также обещают высокую скорость и масштабируемость. Каждый тип имеет свои технические ограничения, связанные с когерентностью (временем, в течение которого кубиты сохраняют свои квантовые состояния) и скоростью выполнения операций.

Где пригодятся квантовые компьютеры?

Потенциальные области применения квантовых компьютеров невероятно обширны. В химии и материаловедении квантовые компьютеры могут моделировать сложные молекулярные системы с беспрецедентной точностью, что позволит ускорить разработку новых лекарств, материалов с улучшенными свойствами (например, высокотемпературных сверхпроводников) и более эффективных катализаторов. В физике они могут помочь разгадать загадки Вселенной, моделируя явления, такие как гравитация и темная материя.

В криптографии квантовые компьютеры представляют как угрозу, так и возможность. Они могут взломать многие современные шифры, основанные на сложности факторизации больших чисел (RSA), но также позволят создать новые, квантово-устойчивые криптографические системы, безопасные даже от атак квантовых компьютеров.

Однако путь к практическому применению квантовых компьютеров сопряжён с огромными технологическими вызовами. Создание стабильных и масштабируемых квантовых систем – одна из главных задач. Необходимо значительно увеличить число кубитов, улучшить их когерентность и снизить уровень шумов, которые влияют на точность вычислений. 

Самые большие современные квантовые компьютеры только что преодолели отметку в 1000 кубитов, но большинство из них содержат всего несколько десятков или сотен кубитов. Они гораздо более подвержены ошибкам, чем классические вычислительные компоненты, из-за крайней чувствительности квантовых состояний к внешним помехам, в том числе к изменениям температуры или блуждающим электромагнитным полям. 

Однако это не значит, что современные квантовые компьютеры бесполезны, полагает Уильям Оливер, директор Центра квантовой инженерии Массачусетского технологического института (MIT) в США. «Сегодня квантовые компьютеры используются в основном для того, чтобы научиться делать квантовые компьютеры больше, а также научиться использовать квантовые компьютеры», — говорит он Оливер

Недавние прорывы в этой области позволяют предположить, что отказоустойчивые квантовые вычисления могут быть не так уж далеки от нас. Несколько компаний, включая QuEra, Quantinuum и Google, недавно продемонстрировали способность надёжно генерировать логические кубиты.