Людство, як і 60 років тому, знову стоїть на порозі грандіозного прориву у сфері обчислювальних технологій. Вже дуже скоро на зміну сьогоднішнім обчислювальним машинам прийдуть квантові комп'ютери.

До чого дійшов прогрес

У далекому 1965 році Гордон Мур говорив, що за рік кількість транзисторів, що вміщуються в кремнієвому мікрочіпі, збільшується вдвічі. Цей темп прогресу останнім часом сповільнився, і подвоєння відбувається рідше – раз на два роки. Навіть такий темп у найближчому майбутньому дозволить досягти транзисторів розмірів із атом. Далі – рубіж, який переступити неможливо. З точки зору фізичної будови транзистора він ніяк не може бути меншим за атомарні величини. Збільшення розмірів чіпа проблему не знімає. Робота транзисторів пов'язана з виділенням теплової енергії, і процесори потребують якісної системи охолодження. Багатоядерна архітектура також вирішує питання подальшого зростання. Досягнення піку розвитку технології сучасних процесорів відбудеться вже скоро.
Розробники дійшли розуміння цієї проблеми у той час, коли у користувачів тільки почали з'являтися персональні комп'ютери. 1980 року один із засновників квантової інформатики, радянський професор Юрій Манін, сформулював ідею квантових обчислень. Вже за рік Річард Фейман запропонував першу модель комп'ютера із квантовим процесором. Теоретичні основи того, як мають виглядати квантові комп'ютери, сформулював Пол Беніофф.

Принцип роботи квантового комп'ютера

Щоб розуміти, як працює новий процесор, потрібно мати хоча б поверхневі знання принципів квантової механіки. Немає сенсу наводити тут математичні розкладки та виводити формули. Обивателю достатньо ознайомитися з трьома відмінними рисами квантової механіки:

• Стан або положення частинки визначається тільки з часткою ймовірності.
• Якщо частка може мати кілька станів, то вона і знаходиться одразу у всіх можливих станах. Це принцип суперпозиції.
• Процес виміру стану частинки призводить до зникнення суперпозиції. Характерно, що отримане виміром знання про стан частинки відрізняється від реального стану частинки до вимірів.

З погляду здорового глузду - повне безглуздя. У нашому звичайному світі ці принципи можна представити так: двері в кімнату зачинені, і в той же час відчинені. Закрита та відкрита одночасно.

У цьому й полягає разюча відмінність обчислень. Звичайний процесор оперує у діях бінарним кодом. Комп'ютерні біти можуть бути тільки в одному стані - мати логічне значення 0 або 1. Квантові комп'ютери оперують кубитами, які можуть мати логічне значення 0, 1, 0 і 1 відразу. Для вирішення певних завдань вони матимуть багатомільйонну перевагу, порівняно з традиційними обчислювальними машинами. Сьогодні вже є десятки описів алгоритмів роботи. Програмісти створюють особливий програмний код, який зможе працювати за новими принципами обчислень.

Де застосовуватиметься нова обчислювальна машина

Новий підхід у процесі обчислень дозволяє працювати з величезними масивами даних та виконувати моментальні обчислювальні операції. З появою перших ЕОМ деякі люди, включаючи державних діячів, мали великий скепсис щодо застосування в народному господарстві. Є й сьогодні люди, повні сумнівів щодо важливості комп'ютерів нового покоління. Дуже тривалий час технічні журнали відмовлялися друкувати статті про квантові обчислення, вважаючи цей напрямок звичайним шахрайським вивертом для обдурювання інвесторів.

Новий метод обчислень створить передумови для наукових грандіозних відкриттів у всіх галузях. Медицина вирішить багато проблемних питань, яких накопичилося останнім часом досить багато. Чи стане можливим діагностика ракових захворювань на ранньому етапі захворювання, ніж зараз. Хімічна промисловість зможе синтезувати продукти з унікальними властивостями.

Прорив у космонавтиці не змусить на себе чекати. Польоти до інших планет стануть такою ж повсякденною дією, як і щоденні поїздки містом. Потенціал, закладений у квантових обчисленнях, безумовно, перетворить нашу планету до невпізнанності.

Інша відмінна риса, яку мають квантові комп'ютери, це здатність квантового обчислення швидко підібрати потрібний код або шифр. Звичайний комп'ютер виконує рішення математичної оптимізації послідовно, перебираючи один варіант іншим. Квантовий конкурент працює відразу з усім масивом даних, блискавично вибираючи найбільш підходящі варіанти за безпрецедентно короткий час. Банківські операції будуть розшифровані миттєво, що сучасним обчислювальним машинам недоступно.

Проте банківський сектор може не переживати – його таємницю врятує метод квантового шифрування з парадоксом виміру. При спробі розкрити код відбудеться спотворення сигналу, що передається. Отримана інформація не матиме жодного сенсу. Секретні служби, шпигунство для яких - звичайна справа, зацікавлені в можливостях квантових обчислень.

Проблеми конструювання

Складність полягає у створенні умов, за яких квантовий біт зможе нескінченно довго перебувати у стані суперпозиції.

Кожен кубит є мікропроцесором, який працює на принципах надпровідності та законах квантової механіки.

Навколо мікроскопічних елементів логічної машини створюється ціла низка унікальних умов довкілля:

• температура 0,02 градуси за Кельвіном (-269,98 за Цельсієм);
• система захисту від магнітного та електричного випромінювання (знижує вплив цих факторів у 50 тисяч разів);
• система тепловідведення та гасіння вібрацій;
• розрідження повітря нижче за атмосферний тиск у 100 мільярдів разів.

Невелике відхилення навколишнього середовища спричиняє миттєву втрату кубитами стану суперпозиції, що призводить до збою в роботі.

Попереду планети всієї

Все вищеописане можна було б віднести до творчості запаленого розуму письменника фантастичних оповідань, якби компанія Google спільно з NASA не придбала минулого року канадську дослідницьку корпорацію квантовий комп'ютер D-Wave, процесор якого містить 512 кубитів.

З його допомогою лідер на ринку комп'ютерних технологій вирішуватиме питання машинного навчання у сортуванні та аналізі великих масивів даних.

Немаловажну викривальну заяву зробив і Сноуден, що залишив США, - АНБ також планує розробити свій квантовий комп'ютер.

2014-початок ери D-Wave systems

Успішний канадський спортсмен Джорді Роуз після угоди з Google і NASA розпочав побудову процесора в 1000 кубітів. Майбутня модель за швидкістю та обсягами обчислень перевершить перший комерційний прототип мінімум у 300 тисяч разів. Квантовий комп'ютер, фото якого розташовано нижче, є першим у світі комерційним варіантом нової технології обчислень.

Зайнятися науковими розробками його спонукало знайомство в університеті з працями Коліна Вільямса за квантовими обчисленнями. Треба сказати, що Вільямс сьогодні працює у корпорації Роуза керівником бізнес-проектів.

Прорив чи науковий обман

Що таке квантові комп'ютери до кінця не знає і сам Роуз. За десять років його команда пройшла шлях від створення процесора в 2 кубіти до сьогоднішнього першого комерційного дітища.

З початку досліджень Роуз прагнув створити процесор з мінімальною кількістю кубитів в 1 тисячу. І він обов'язково повинен був мати комерційний варіант – щоб продати та заробити грошей.

Багато хто, знаючи одержимість та комерційну хватку Роуза, намагаються звинуватити його у підробці. Нібито за квантовий видається звичайнісінький процесор. Цьому сприяє і те, що феноменальна швидкодія нова техніка виявляє у виконанні певних типів обчислень. В іншому ж поводиться як цілком пересічний комп'ютер, тільки дуже дорогий.

Коли ж вони з'являться

Чекати лишилося недовго. Дослідницька група, організована спільними набувачами прототипу, незабаром дасть звіт про результати досліджень на D-Wave.
Можливо, скоро настане час, коли квантові комп'ютери перевернуть наше уявлення про навколишній світ. І все людство в цей момент вийде на вищий рівень своєї еволюції.

Квантовий комп'ютер — це не просто комп'ютер майбутнього покоління, це набагато більше. Не лише з погляду застосування новітніх технологій, а й з погляду його необмежених, неймовірних, фантастичних можливостей, здатних як змінити світ людей, а й навіть… створювати іншу реальність.

Як відомо, сучасні комп'ютери використовують пам'ять, представлену в двійковому коді: 0 і 1. Так само як і в абетці Морзе — крапка і титри. За допомогою двох знаків можна зашифрувати будь-яку інформацію шляхом варіювання їх поєднань.

У пам'яті сучасного комп'ютера - мільярди цих бітів. Але кожен із них може бути в одному із двох станів — або нуль, або один. Як лампочка: або увімкнена, або вимкнена.

Квантовий біт (кубіт) – найменший елемент зберігання інформації у комп'ютері майбутнього. Одиницею інформації у квантовому комп'ютері тепер може бути не лише нуль чи одиниця, а те й інше одночасно.

Один осередок виконує дві дії, дві -чотири, чотири - шістнадцять і т. д. Саме тому квантові системи можуть працювати вдвічі швидше і з більшими обсягами інформації, ніж сучасні.

Вперше "виміряли" кубіт (Q-bit) вчені Російського квантового центру (РКЦ) та Лабораторії надпровідних мета матеріалів.

З технічного боку, кубит, - це діаметром у кілька мікронів металеве кільце з розрізами, напилене на напівпровідник. Кільце охолоджується до наднизьких температур для того, щоб воно стало надпровідником. Припускаємо, що струм, що протікає по кільцю, йде за годинниковою стрілкою – це 1. Проти – 0. Тобто два звичайні стани.

Через кільце пропустили мікрохвильове випромінювання. На виході з кільця цього випромінювання вимірювали зсув струму по фазі. Виявилося, що вся ця система може бути як у двох основних, так і змішаному стані: тим і іншим одночасно!У науці це називається принципом суперпозиції.

Експеримент російських вчених (аналогічний провели і вчені інших країн) довів, що кубіт має право на життя. Створення кубіту підвело до ідеї та наблизило вчених до мрії щодо створення оптичного квантового комп'ютера. Залишилося його лише сконструювати та створити. Але не все так просто.

Складнощі, проблеми у створенні квантового комп'ютера

Якщо потрібно, наприклад, обрахувати мільярд варіантів у сучасному комп'ютері, йому потрібно «прокрутити» мільярд подібних циклів. На квантовому комп'ютері є важлива відмінність, може прораховувати всі ці варіанти одночасно.
Один із головних принципів, на яких працюватиме квантовий комп'ютер, — це принцип суперпозиції та інакше, як магічним, його не назвеш!
Він означає, що один і той самий людина може у різних місцях одночасно. Фізики жартують: Якщо вас не шокує квантова теорія, значить ви її не зрозуміли.

Зовнішній вигляд створюваних нині квантових комп'ютерів разюче відрізняється від класичних. Вони схожі… на самогонний апарат:

Така конструкція, що складається з мідних і золотих частин, змійовиків-охолоджувачів та ін характерних деталей, зрозуміло не влаштовує його творців. Одне з основних завдань вчених зробити її компактною та дешевою. Щоб це сталося, потрібно вирішити кілька проблем.

Проблема перша - нестійкість суперпозицій

Всі ці квантові суперпозиції дуже ніжні. Як тільки на них починаєш дивитися, як тільки вони починають взаємодіяти з іншими об'єктами, вони відразу руйнуються. Стають, як би класичними. Це одна з найважливіших проблем у створенні квантового комп'ютера.

Проблема друга - потрібне сильне охолодження

Друга перешкода – для досягнення стабільної роботи квантового комп'ютера. у тому вигляді, який маємо на сьогодні, потрібне його сильне охолодження. Сильне, це створення апаратури, в якій підтримується температура, близька до абсолютного нуля — мінус 273 градуси за Цельсієм! Тому зараз прототипи таких комп'ютерів зі своїми кріогенно-вакуумними установками виглядають дуже громіздко:

Проте вчені впевнені, що незабаром усі технічні проблеми будуть вирішені і одного разу квантові комп'ютери, які мають величезну обчислювальну силу, замінять сучасні.

Деякі технічні рішення у вирішенні проблем

До теперішнього часу вчені знайшли низку суттєвих рішень у вирішенні вищевикладених проблем. Ці технологічні знахідки, результат складної, а іноді і тривалої, напруженої роботи вчених, заслуговує на повагу.

Найкращий шлях до вдосконалення роботи кубіту.

Все дуже схоже на відому пісню про дівчат та діамантів. Головне, над чим зараз працюють вчені - підняти час життякубита, а також «змусити» працювати квантовий комп'ютер при звичайних температурах. Так, для зв'язку між квантовими комп'ютерами потрібні діаманти! Для всього цього довелося створювати та використовувати штучні алмази понад високу прозорість. З їхньою допомогою змогли продовжити життя кубиту до двох секунд. Ці скромні досягнення: дві секунди життя кубіта і робота комп'ютера за кімнатної температури, насправді революція в науці.

Суть експерименту французького вченого Сержа Ароша заснована на тому, що він зумів показати всьому світу, що світло (квантовий потік фотонів), що проходить між двома спеціально створеними ним дзеркалами, не втрачає квантового стану.

Змусивши світло пройти 40 000 км між цими дзеркалами, він визначив, що все відбувається без втрати квантового стану. Світло складається з фотонів і досі ніхто не міг з'ясувати, чи вони втрачають свій квантовий стан при проходженні певної відстані. Лауреат Нобелівської премії Серж Арош: Один фотон знаходиться в кількох місцях одночасно, нам вдалося це зафіксувати. Насправді це і є принцип суперпозиції. «У нашому великому світі таке неможливе. А в мікросвіті — інші закони.», — каже Арош.

Усередині резонатора були класичні атоми, які можна виміряти. За поведінкою атомів фізик навчився визначати та вимірювати невловимі квантові частки. До експериментів Ароша вважалося, що спостереження за квантами неможливе. Після експерименту заговорили про підкорення фотонів, тобто про наближення епохи квантових комп'ютерів.

Чому багато хто з нетерпінням чекає на створення повноцінного квантового генератора, а інші його бояться

Квантовий комп'ютер подарує людству величезні можливості

Квантовий комп'ютер відкриє перед людством неосяжні можливості. Наприклад, допоможе створити штучний розум, про який стільки часу марять фантасти. Або змоделювати всесвіт. Цілком. За найскромнішими прогнозами він дозволить заглянути за межі можливого. Давайте уявимо світ, де можна змоделювати абсолютно все, що забажаєш: спроектувати молекулу, надміцний метал, пластик, що швидко розкладається, придумати ліки від невиліковних хвороб. Машина змоделює весь наш світ цілком до останнього атома. Можна навіть змоделювати інший світ, хай навіть віртуальний.

Квантовий комп'ютер зможе стати знаряддям Апокаліпсису

Багато людей, вникнувши в суть квантової технології, бояться її з різних причин. Вже зараз комп'ютеризація та всі навколокомп'ютерні технології лякають обивателя. Досить згадати скандали про те, як спеціальні служби за допомогою вбудованих програм у ПК і навіть побутові прилади, організують стеження та збирання даних про їх споживачів. Наприклад, у багатьох країнах заборонили всім відомі окуляри — адже вони є ідеальним засобом для прихованої зйомки та стеження. Вже зараз, напевно, кожен мешканець будь-якої країни, а тим більше користувач у Мережі, занесений до якоїсь бази даних. Більш того, цілком реально, певні служби можуть прораховувати кожну його дію в інтернеті.

Але ж для квантових комп'ютерів не буде таємниць!Загалом ніяких. Вся комп'ютерна безпека тримається дуже довгих числах-паролях. Щоб отримати підібрати ключ до коду, звичайному комп'ютеру знадобиться мільйон років. Але за допомогою квантового це зможе зробити будь-який і миттєво. Виходить, що у світі стане абсолютно небезпечно: адже у сучасному світі все контролюється за допомогою комп'ютерів: банківські перекази, польоти літаків, фондові біржі, ракетно-ядерна зброя! Ось і виходить: хто володіє інформацією, той має Світ. Хто перший – той і бог. Квантовий комп'ютер стане сильнішим за будь-який комплекс озброєнь.. На Землі може розпочатися (або вже розпочалася) нова гонка озброєнь, тільки тепер не ядерна, а комп'ютерна.

Дай нам Бог вийти з неї благополучно.

Ви всі звикли до наших комп'ютерів: зранку читаємо новини зі смартфона, вдень працюємо з ноутбуком, а ввечері дивимось фільми на планшеті. Всі ці аксесуари поєднує одне - кремнієвий процесор, що складається з мільярдів транзисторів. Принцип роботи таких транзисторів досить простий - в залежності від підведеної напруги ми отримуємо на виході іншу напругу, яка інтерпретується або як логічний 0, або як логічна 1. Для того, щоб проводити операції поділу, є бітове зрушення - якщо у нас, наприклад, було число 1101, то після зсуву на 1 біт вліво буде 01101, а якщо тепер зрушити його на 1 біт вправо - буде 01110. І основна проблема полягає в тому, що для того ж поділу може знадобитися кілька десятків таких операцій. Так, з урахуванням того, що транзисторів мільярди, така операція займає наносекунди, але якщо операцій багато - ми втрачаємо на ці обчислення час.

Принцип роботи квантових комп'ютерів

Квантовий комп'ютер пропонує зовсім інший спосіб обчислень. Почнемо з визначення:

Квантовий комп'ютер -обчислювальний пристрій, що використовує явищаквантової суперпозиціїіквантової заплутаностідля передачі та обробки даних.

Зрозуміліше не стало. Квантова суперпозиція говорить нам про те, що система з певною часткою ймовірності існує у всіх можливих для неї станах (при цьому сума всіх ймовірностей, зрозуміло, дорівнює 100% або 1). Розберемо це з прикладу. Інформація в квантових комп'ютерах зберігається в кубітах - якщо звичайні біти можуть мати стан 0 або 1, то кубит може мати стан 0, 1 і 0 і 1 одночасно. Тому якщо маємо 3 кубіта, наприклад 110, це вираз у бітах рівносильно 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Що нам це дає? Да все! Наприклад, у нас є циферний пароль із 4 символів. Як його зламуватиме звичайний процесор? Простим перебором від 0000 до 9999. 9999 у двійковій системі має вигляд 10011100001111, тобто для його запису нам потрібно 14 біт. Тому якщо ми маємо квантовий ПК з 14 кубитами – ми вже знаємо пароль: адже один із можливих станів такої системи і є пароль! У результаті всі завдання, які нині на добу вважають навіть суперкомп'ютери, на квантових системах вирішуватимуться моментально: потрібно знайти речовину з певними властивостями? Не проблема, зробіть систему з такою ж кількістю кубитів, скільки у вас вимог до речовини – і відповідь вже буде у вас у кишені. Потрібно створити ІІ (штучний інтелект? Простіше нікуди: поки звичайний ПК перебиратиме всі комбінації, квантовий комп'ютер спрацює блискавично, обравши найкращу відповідь.


Здавалося б, все чудово, але є одна важлива проблема – як нам дізнатися результат обчислень? З звичайним ПК все просто - ми можемо взяти і рахувати його, безпосередньо підключившись до процесора: логічні 0 і 1 там абсолютно безперечно інтерпретуються як відсутність і наявність заряду. Але з кубитами таке не пройде - адже в кожний момент часу він перебуває у довільному стані. І тут нам на допомогу приходить квантова заплутаність. Її суть полягає в тому, що можна отримати пару частинок, які пов'язані одна з одною (говорячи науковою мовою - якщо, наприклад, проекція спини однієї заплутаної частки негативна, то інший обов'язково буде позитивною). Як це виглядає на пальцях? Припустимо, у нас є дві коробки, в яких лежить папірець. Ми розносимо коробки на будь-яку відстань, відкриваємо одну з них і бачимо, що папірець у ньому в горизонтальну смужку. Це автоматично означає, що інший папірець буде у вертикальну смужку. Але ось проблема в тому, що як тільки ми дізналися про стан одного папірця (або частинки), квантова система руйнується - невизначеність зникає, кубити перетворюються на звичайний біти.

Тому обчислення на квантових комп'ютерах по суті одноразові: ми створюємо систему, яка складається із заплутаних частинок (де знаходяться їхні другі половинки ми знаємо). Ми проводимо обчислення, і після цього «відкриваємо коробку з папірцем» - дізнаємося про стан заплутаних частинок, а значить і про стан частинок у квантовому комп'ютері, а значить і результат обчислень. Так що для нових обчислень потрібно знову створювати кубити - просто «закрити коробку з папірцем» не вийде - адже ми вже знаємо, що намальовано на папірці.

Виникає питання - якщо квантовий комп'ютер може моментально підбирати будь-які паролі - як захистити інформацію? Невже з приходом таких пристроїв зникне конфіденційність? Звичайно ж ні. На допомогу приходить так зване квантове шифрування: воно ґрунтується на тому, що при спробі «прочитати» квантовий стан воно руйнується, що робить будь-який злом неможливим.

Домашній квантовий комп'ютер

Ну і останнє питання - якщо квантові комп'ютери такі класні, потужні і не зламуються - чому ми ними не користуємося? Проблема банальна – неможливість реалізувати квантову систему у звичайних домашніх умовах. Для того, щоб кубіт міг існувати в стані суперпозиції нескінченно довго, потрібні вкрай специфічні умови: це повний вакуум (відсутність інших частинок), температура, максимально близька до нуля Кельвіна (для надпровідності), і повна відсутність електромагнітного випромінювання (для відсутності впливу на квантову систему). Погодьтеся, створити такі умови вдома м'яко кажучи важкувато, адже найменше відхилення призведе до того, що стан суперпозиції зникне, і результати обчислень будуть невірними. Друга проблема - це змусити кубити взаємодіяти один з одним - при взаємодії їхній час життя катастрофічно зменшується. У результаті найбільший максимум на цей день - це квантові комп'ютери з парою десятків кубитів.

Однак, є квантові комп'ютери від D-Wave, які мають 1000 кубитів, але, взагалі кажучи, справжніми квантовими комп'ютерами вони не є, тому що не використовують принципи квантової заплутаності, тому вони не можуть працювати за класичними квантовими алгоритмами:


Але все ж такі пристрої виявляються відчутно (в тисячі разів) потужнішими за звичайні ПК, що можна вважати проривом. Однак замінять пристрої користувача вони ох як не скоро - для початку нам потрібно або навчитися створювати умови для роботи таких пристроїв будинку, або ж навпаки, «змусити» працювати такі пристрої в звичних нам умовах. Кроки у другому напрямку вже були зроблені - у 2013 році було створено перший двокубітний квантовий комп'ютер на алмазі з домішками, що працює за кімнатної температури. Однак на жаль - це лише досвідчений зразок, та й 2 кубіти - замало для обчислень. Так що чекати на квантові ПК ще дуже і дуже довго.

Щоб більш-менш повноцінно розкрити суть квантових комп'ютерних технологій, торкнемося спочатку історії квантової теорії.
Зародилася вона завдяки двом вченим, чиї результати дослідження були удостоєні Нобелівських премій: відкриття М. Планком кванта у 1918 р. та А. Ейнштейном фотона у 1921 р.
Роком зародження ідеї квантового комп'ютера став 1980 р., коли Беньоф вдалося успішно продемонструвати на практиці правоту квантової теорії.
Ну а перший прототип квантового комп'ютера був створений Гершенфельдом та Чуангом у 1998 р. у Массачусетському технологічному інституті (MTI). Цією ж групою дослідників створені у наступні два роки більш досконалі моделі.

Для нефахівця квантовий комп'ютер – це щось абсолютно фантастичне за масштабами, це обчислювальна машина, перед якою звичайний комп'ютер однаково що рахунки перед комп'ютером. І, зрозуміло, це дуже далеке від втілення.
Для людини, яка пов'язана з квантовими комп'ютерами, - це пристрій, загальні принципи дії якого більш-менш зрозумілі, проте існує маса проблем, які слід вирішити, перш ніж можна буде втілити його «в залозі», і зараз безліч лабораторій по всьому світу ці перешкоди намагаються подолати.
У сфері квантових технологій у минулому вже було досягнуто успіхів і приватними компаніями, зокрема IBM і DWays.
Про новітні досягнення в цій галузі вони регулярно повідомляють і сьогодні. В основному дослідження виконуються японськими та американськими вченими. Японія у прагненні світового лідерства у сфері апаратного та програмного забезпечення витрачає величезні кошти на розробки у цій галузі. За повідомленнями віце-президента Hewlett-Packard, до 70% усіх досліджень виконані в Японії. Квантові комп'ютери є одним із кроків їхньої цілеспрямованої компанії із заволодіння лідерством на світовому ринку.

Чим пояснюється прагнення оволодіння цими технологіями? Їхніми безперечними вагомими перевагами над напівпровідниковими комп'ютерами!

ЩО А ЦЕ ТАКЕ?

Квантовий комп'ютер – це пристрій для обчислень, який працює на основі квантової механіки.
На сьогоднішній день повномасштабний квантовий комп'ютер – це гіпотетичний пристрій, який неможливо створити з урахуванням наявних даних у квантовій теорії.

Квантовий комп'ютер для обчислення використовує не класичні алгоритми, а складніші процеси квантової природи, які ще називають квантовими алгоритмами. Ці алгоритми використовують квантовомеханічні ефекти: квантову заплутаність та квантовий паралелізм.

Щоб зрозуміти, навіщо взагалі потрібен квантовий комп'ютер, необхідно уявити принцип його дії.
Якщо звичайний комп'ютер працює за рахунок проведення послідовних операцій з нулями та одиницями, то квантовий комп'ютер використовує кільця із надпровідної плівки. Струм може текти цими кільцями в різних напрямках, тому ланцюжок таких кілець може реалізовувати одночасно набагато більше операцій з нулями та одиницями.
Саме велика потужність є основною перевагою квантового комп'ютера. На жаль, ці кільця схильні навіть до найменших зовнішніх впливів, у результаті напрям струму може змінюватися, і розрахунки виявляються у разі неправильними.

ВІДМІННЯ КВАНТОВОГО КОМП'ЮТЕРА ВІД ЗВИЧАЙНОГО

Основною відмінністю квантових комп'ютерів від традиційних і те, що збереження, обробка і передачі даних відбувається за допомогою «бітів», а «кубітів» – кажучи «квантових бітів». Як і звичайний біт, кубит може перебувати у звичних нам станах «|0>» та «|1>», а крім цього – у стані суперпозиції A·|0> + B·|1>, де A та B – будь-які комплексні числа, які відповідають умові | A | 2 + | B | 2 = 1.

ТИПИ КВАНТОВИХ КОМП'ЮТЕРІВ

Можна виділити два типи квантових комп'ютерів. І ті, й інші ґрунтуються на квантових явищах, лише різного порядку.

комп'ютери, в основі яких лежить квантування магнітного потоку на порушеннях надпровідності - Джозефсонівських переходах. На ефекті Джозефсона вже зараз роблять лінійні підсилювачі, аналого-цифрові перетворювачі, СКВІДи та корелятори. Експериментально досягнуто тактова частота 370 ГГц, яка у перспективі може бути доведена до 700 ГГц.Однак час розфазування хвильових функцій у цих пристроях можна порівняти з часом перемикання окремих вентилів, і фактично на нових, квантових принципах реалізується вже звична нам елементна база - тригери, регістри Інші логічні елементи.

Інший тип квантових комп'ютерів, званих ще квантовими когерентними комп'ютерами, вимагає підтримки когерентності хвильових функцій використовуваних кубитів протягом усього часу обчислень - від початку і до кінця (кубіт може бути будь-яка квантомеханічна система з двома виділеними енергетичними рівнями). В результаті для деяких завдань обчислювальна потужність когерентних квантових комп'ютерів пропорційна2N, де N - число кубитів в комп'ютері. Саме останній тип пристроїв мається на увазі, коли говорять про квантові комп'ютери.

КВАНТОВІ КОМП'ЮТЕРИ ЗАРАЗ

Але маленькі квантові комп'ютери створюються вже зараз. Особливо активно у цьому напрямку працює компанія D-Wave Systems, яка ще у 2007 році створила квантовий комп'ютер із 16 кубітів. Цей комп'ютер успішно справлявся із завданням розсаджування за столом гостей, виходячи з того, що деякі один одного недолюблювали. Наразі компанія D-Wave Systems продовжує розвиток квантових комп'ютерів.

Групі фізиків із Японії, Китаю та США вперше вдалося побудувати на практиці квантовий комп'ютер з архітектури фон Неймана – тобто з фізичним поділом квантового процесора та квантової пам'яті. На даний момент для практичної реалізації квантових комп'ютерів (обчислювальних машин, в основу яких покладено незвичайні властивості об'єктів квантової механіки) фізики використовують різноманітні екзотичні об'єкти та явища - захоплені в оптичну пастку іони, ядерний магнітний резонанс. У рамках нової роботи вчені покладалися на мініатюрні надпровідні схеми – можливість реалізації квантового комп'ютера за допомогою таких схем було описано у Nature у 2008 році.

Зібрана вченими обчислювальна машина складалася з квантової пам'яті, роль якої виконували два мікрохвильові резонатори, процесори з двох кубіт, з'єднаних шиною (її роль теж грав резонатор, а кубити являли собою надпровідні схеми), і пристроїв для стирання даних. За допомогою цього комп'ютера вчені реалізували два основні алгоритми- так зване квантове перетворення Фур'є, та кон'юнкцію за допомогою квантових логічних елементів Тоффолі:

Перший алгоритм є квантовий аналог дискретного перетворення Фур'є. Його відмінною особливістю є набагато менше (порядку n2) кількість функціональних елементів при реалізації алгоритму порівняно з аналогом (порядку n 2n). Дискретне перетворення Фур'є застосовується у різних галузях людської діяльності - від дослідження диференціальних рівнянь у приватних похідних до стискування даних.

У свою чергу квантові логічні елементи Тоффолі є базовими елементами, з яких, з деякими додатковими вимогами, можна отримати будь-яку булеву функцію (програму). Відмінною особливістю цих елементів є оборотність, що, з погляду фізики, серед іншого дозволяє мінімізувати тепловиділення пристрою.

За словами вчених, створена ними система має один чудовий плюс - вона легко масштабується. Таким чином, вона може бути свого роду будівельним блоком для майбутніх комп'ютерів. За словами дослідників, нові результати наочно демонструють перспективність нової технології.

Минулого тижня з'явилася новина про те, що Google зробили прорив у розробці квантового комп'ютера.
у компанії зрозуміли, як такий комп'ютер справлятиметься
із власними помилками. Про квантові комп'ютери говорять уже кілька років: його, наприклад, на обкладинку журналу Time. Якщо такі комп'ютери з'являться, це буде прорив схожий на появу класичних комп'ютерів - а то й серйозніше. Look At Me пояснює, чим хороші квантові комп'ютери і що саме зробили Google.

Що таке квантовий комп'ютер?

Квантовий комп'ютер - це механізм на стику комп'ютерних наук та квантової фізики, найскладнішого розділу теоретичної фізики. Річард Фейнман, один із найбільших фізиків XX століття, якось сказав: "Якщо ви думаєте, що розумієте квантову фізику, значить, ви її не розумієте". Тому врахуйте, що такі пояснення - неймовірно спрощені. На те, щоб розібратися у квантовій фізиці, люди витрачають довгі роки.

Квантова фізика займається елементарними частками менше атома. Те, як ці частинки влаштовані і як вони поводяться, суперечить багатьом нашим уявленням про Всесвіт. Квантова частка може бути в декількох місцях одночасно - і в кількох станах одночасно. Уявіть, що ви підкинули монету: поки вона знаходиться в повітрі, ви не можете сказати, чи випаде орел або решка; ця монета - як би орел і решка одночасно. Приблизно так поводяться квантові частки. Це називається принципом суперпозиції.

Квантовий комп'ютер - це поки що гіпотетичний пристрій, який використовуватиме принцип суперпозиції (та інші квантові властивості)
для обчислень. Звичайний комп'ютер працює за допомогою транзисторів,
які сприймають будь-яку інформацію як нулі та одиниці. Бінарним кодом можна описати весь світ і вирішувати будь-які завдання всередині нього. Квантовий аналог класичного біта називається кьюбіт (qubit, qu - від слова quantum, квантовий). Використовуючи принцип суперпозиції, к'юбіт може одночасно перебувати.
в стані 0 і 1 - і це не тільки значно збільшить потужність порівняно з традиційними комп'ютерами, а й дозволить вирішувати несподівані завдання,
на які звичайні комп'ютери не здатні.

Принцип суперпозиції - єдиний,
на чому будуть засновані квантові комп'ютери?

Ні. Через те, що квантові комп'ютери існують тільки в теорії, вчені поки що тільки припускають, як саме вони працюватимуть. Наприклад, вважається, що у квантових комп'ютерах також застосовуватимуть квантову заплутаність.
Це феномен, який Альберт Ейнштейн називав «страшним» ( він взагалі був проти квантової теорії, тому що вона не поєднується з його теорією відносності). Сенс феномена в тому, що дві частинки у Всесвіті можуть виявитися взаємопов'язаними, причому назад: скажімо, якщо спіральність
(є така характеристика стану елементарних частинок, не будемо вдаватися до подробиць)першої частки позитивна, то спіральність другої завжди буде негативною, і навпаки. «Жахливим» цей феномен називають з двох причин. По-перше, цей зв'язок працює моментально, швидше за швидкість світла. По-друге, заплутані частинки можуть перебувати на будь-якій відстані друг
від друга: наприклад, на різних кінцях Чумацького Шляху.

Як можна використовувати квантовий комп'ютер?

Вчені шукають квантовим комп'ютерам застосування і одночасно розуміються, як їх побудувати. Головне - те, що квантовий комп'ютер зможе дуже швидко оптимізувати інформацію та взагалі працювати з великими даними, які ми накопичуємо, але поки що не розуміємо, як використовувати.

Давайте уявимо такий варіант (сильно спрощений, звичайно): ви збираєтеся стріляти з лука в мішень і вам потрібно вирахувати, наскільки високо цілитися, щоб потрапити Скажімо, потрібно прорахувати висоту від 0 до 100 см. Звичайний комп'ютер вираховуватиме кожну траєкторію по черзі: спочатку 0 см, потім 1 см, потім 2 см і таке інше. Квантовий комп'ютер прорахує всі варіанти одночасно - і моментально видасть той, який дозволить вам потрапити рівно в ціль. Таким чином можна оптимізувати багато процесів:
від медицини (Скажімо, раніше діагностувати рак)до авіації (наприклад, робити складніші автопілоти).

Ще є версія, що такий комп'ютер зможе вирішувати завдання, на які звичайний комп'ютер просто не здатний - або які б зайняли у нього тисячі років обчислень. Квантовий комп'ютер зможе працювати із найскладнішими симуляціями: наприклад, вирахувати, чи є у Всесвіті розумні істоти, крім людей. Ймовірно, що створення квантових комп'ютерів приведе
до появи штучного інтелекту Уявіть, що з нашим світом зробила поява звичайних комп'ютерів - квантові комп'ютери можуть стати таким самим проривом.

Хто займається розробкою квантових комп'ютерів?

Всі. Уряди, військові, технологічні підприємства. Створити квантовий комп'ютер буде вигідно практично будь-кому. Скажімо, серед документів, оприлюднених Едвардом Сноуденом, була інформація про те, що АНБ має проект «Впровадження у складні цілі», куди входить створення квантового комп'ютера для шифрування інформації. Microsoft всерйоз займаються квантовими комп'ютерами - перші дослідження в цій галузі почали ще в 2007 році. IBM ведуть розробки і кілька років тому заявили, що створили чіп із трьома кьюбітами. Зрештою, Google та NASA співпрацюють
із компанією D-Wave, яка заявляє, що вже зараз випускає
"перший комерційний квантовий процесор" (А точніше вже другий, зараз їхня модель називається D-Wave Two), але він поки не працює як квантовий -
їх, нагадаємо, немає.

Наскільки ми близькі до створення
квантового комп'ютера?

Ніхто не може сказати точно. Новини про прориви в технологіях (як нещодавня новина про Google)з'являються постійно, але ми можемо бути як дуже далекі
від повноцінного квантового комп'ютера, і дуже близькі до нього. Скажімо, є дослідження, які говорять про те, що достатньо створити комп'ютер всього
c кількома сотнями к'юбітів, щоб він працював як повноцінний квантовий комп'ютер. D-Wave заявляють, що створили процесор із 84 к'юбітами -
але критики, що проаналізували їх процесор, заявляють, що він працює,
як класичний комп'ютер, а чи не як квантовий. Google, що співпрацюють
з D-Wave, вважають, що їх процесор просто знаходиться на ранніх стадіях розвитку і врешті-решт буде працювати, як квантовий. Так чи інакше, зараз
у квантових комп'ютерів існує одна головна проблема – помилки. Будь-які комп'ютери роблять помилки, але класичні вміють з ними легко справлятися - а квантові ще немає. Як тільки дослідники розберуться з помилками, до появи квантового комп'ютера залишиться лише кілька років.

Що ускладнює виправлення помилок
у квантових комп'ютерах?

Якщо спрощувати, помилки в квантових комп'ютерах можна розділити на два рівні. Перший - це помилки, які роблять будь-які комп'ютери, зокрема класичні. У пам'яті комп'ютера може виникнути помилка, коли 0 мимоволі змінюється на 1 через зовнішній шум - наприклад, космічних променів або радіації. Ці помилки вирішити легко, всі дані перевіряють щодо таких змін. І з цією проблемою в квантових комп'ютерах якраз нещодавно впоралися в Google: вони стабілізували ланцюжок із дев'яти к'юбітів
і позбавили її помилок. У цьому прориві є, втім, один нюанс: Google впоралися з класичними помилками у класичних обчисленнях. Є другий рівень помилок у квантових комп'ютерах, і його набагато складніше зрозуміти та пояснити.

Кьюбіти вкрай нестабільні, вони схильні до квантової декогеренції - це порушення зв'язку всередині квантової системи під впливом навколишнього середовища. Квантовий процесор потрібно максимально ізолювати від навколишнього впливу (хоча декогеренція відбувається іноді і внаслідок внутрішніх процесів), щоб звести помилки до мінімуму. При цьому квантових помилок неможливо позбутися повністю, - але якщо зробити їх досить рідкісними, квантовий комп'ютер зможе працювати. При цьому деякі дослідники вважають, що 99% потужності такого комп'ютера якраз спрямують.
на усунення помилок, але й 1%, що залишився, вистачить для вирішення будь-яких завдань.
На думку фізика Скотта Ааронсона, досягнення Google можна вважати третім
з половиною кроком із семи, необхідних для створення квантового комп'ютера, - інакше кажучи, ми пройшли половину шляху.