Что такое квантовые вычисления и как они работают?

В квантовых вычислениях используются странные свойства элементарных частиц (атомов, фотонов и электронов), которые изучаются уже в течение нескольких десятилетий. На уровне элементарных частиц перестают работать многие законы классической физики, а вместо них начинают работать законы квантовой физики, многие из которых ещё находятся в процессе изучения.

Хотя о квантовом мире не всё ещё известно, однако, можно уже вполне определённо сказать, что квантовые частицы обладают большими возможностями по части хранения и быстрой обработки очень больших объёмов информации. Это уже не данные, в том смысле, как они понимаются в вычислительных технологиях, это именно информация. Их использование в квантовых вычислениях может привести к невообразимым инновациям в различных областях, которые требуют больших объёмов вычислений, в частности, в разработке новых лекарственных препаратов, моделировании климата, финансовой оптимизации или логистике.

Боб Сютор (Bob Sutor), занимающий должность «главного квантового экспонента» (chief quantum exponent) в компании IBM, говорит: «Квантовые вычисления – это способ эмуляции природы для решения чрезвычайно сложных проблем, а также того, чтобы сделать их наблюдаемыми».

Что такое квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры могут существовать в различных формах, но они построены по единому принципу: они содержат «квантовый процессор», где квантовые частицы могут быть изолированы для того, чтобы им можно было манипулировать.

Природа квантовых частиц, а также методы управления ими, могут меняться в разных подходах к квантовым вычислениям. Некоторые методы квантовых вычислений требуют охлаждения процессора до очень низких температур, в других используется воздействие на элементарные частицы при помощи лазера, но общее у всех методов то, как лучше использовать законы физики квантовых частиц для достижения тех или иных целей.

В чем разница между классическим и квантовым компьютером?

В обычных компьютерах, которые в разных формах используются с 40-х годов прошлого века, используются биты (0 или 1), как единица информации, основа для вычислений в таких компьютерах, неважно, какой это компьютер — ламповый компьютер 40-50-х годов или современный лаптоп, или смартфон.

Однако, использование битов приводит к негибкости вычислений, что сильно ограничивает возможности классических компьютеров. Если провести аналогию с поиском иголки в стоге сена, то классическому компьютеру нужно просматривать каждую травинку в стоге по очереди, чтобы обнаружить иголку. Это часто приводит к большим затратам времени и энергии.

Многие задачи, например, нахождение правильного ключа к шифру, в классических компьютерах могут занимать миллионы лет машинного времени.

Как квантовые компьютеры могут улучшить классические устройства?

В квантовых компьютерах вместо классических битов используются т.н. «кубиты», или Q-биты (то есть, квантовые биты).

Кубиты значительно отличаются от обычных, квантовых битов, поскольку они напоминают квантовые частицы в природе. Одно из основных отличий квантовых битов – т.н. «суперпозиция» (superposition), что означает, что кубит может находиться во многих положениях или состояниях в данный момент времени. Правильнее было бы говорить о вероятности нахождения кубита в том или ином состоянии в данный момент времени. Если кубит находится в каком-то состоянии с вероятностью 100%, то он превращается в обычный бит. Можно привести аналогию с подбрасываем монетки. Есть вероятность, что монетка упадёт «орлом» или «решкой», превратившись в бит, но пока она подкинута и переворачивается в воздухе, она представляет собой кубит.

Управляя квантовыми частицами, можно загружать их каким-то данными, и получать верятность того или иного события или состояния.

Поэтому, можно говорить о том, что квантовый компьютер, вместо последовательных цепочек вычислений, производит одновременно большое количество вычислений, чтобы определить правильный результат. Однако, он может быть лишь приблизительным. Например, в аналогии с поиском иголки в стоге сена, квантовый компьютер может выдать что-то вреде «иголка находится внутри этой кучки соломок в этом месте стога». Но он сделает это за секунды, а не за сотни лет непрерывных вычислений.

Более того, кубиты могут быть связаны друг с другом физически. В квантовой физике это свойство называется «спутывание» (entanglement), что по-русски звучит не очень удачно. Правильнее было бы назвать это свойство «взаимосвязью». Физически это похоже на взаимосвязь двух (или трёх) палок в орудии «нунчак». Хотя в «квантовом нунчаке» палок может быть и гораздо больше, чем две или три.  

Когда к одному кубиту добавляется другой «спутанный» (взаимосвязанный) кубит, то количество информации удваивается и также удваивается и способность к обработке информации для решения проблемы. Если у нас будет 275 связанных кубитов, то мы может делать вычисления с числом отельных частей информации большим, чем количество объектов во Вселенной и время вычислений может сократиться до одного мгновения.

В чём важность квантовых компьютеров?

Есть много применений, где время – это деньги. Если делать что-то быстро, то это будет иметь прямое влияние на бизнес.

Выигрыш во времени, который исследователи ожидают в результате использования квантовых вычислений, заключается на в часах, или даже в днях в случае сложных вычислений. Те задачи, на которые тратились месяцы и годы машинного времени самых мощных компьютеров, в квантовых компьютерах будут вычисляться за минуты. Это, например, такие задачи, как моделирование ураганов, нахождение криптографических ключей и пр.

Обычный бизнес также может получить выигрыш. Как было подсчитано в Boston Consulting Group (BCG), использование квантовых вычислений в бизнесе может в следующие 15-30 лет создать ценность до 850 миллиардов долларов, причём, от 5 до 10 миллиардов из этой суммы может быть создано уже в течении следующих пяти лет, правда, в том случае, если разработки и поставщики решений квантовых вычислений создадут обещанные технологии.

Для чего могут использоваться квантовые компьютеры?

Программисты пишут коды в виде алгоритмов для решения проблем на обычных, классических компьютерах. В квантовых компьютерах будут использоваться квантовые алгоритмы.

Например, квантовые системы могут заниматься алгоритмами оптимизации, которые помогают находить лучшее решение среди множества подходящих вариантов и могут вычислять множество разных сценариев, в таких применениях как администрирование цепочек поставок до управления трафиком на дорогах. Например, компании ExxonMobil и IBM ведут совместный проект по одновременному управлению 50 тысячами коммерческих судов в океанах, чтобы сократить время доставки и общее расстояние, проходимое каждым судном.

Квантовые симуляционные алгоритмы тоже многое обещают в исследованиях поведения молекул в больших системах, что может привести ко многим открытиям и разработке новых технологий в материаловедении и разработке лекарственных препаратов.

Продолжение следует.