Пока программисты ищут компьютеры, которые не тормозят при вычислениях, учёные строят собственные вычислительные машины — квантовые компьютеры. Они вмиг могут решить самые сложные задачки по математике, физике и химии. Рассказываем, что такое квантовые компьютеры, кто работает над их изобретением, а также где их будут применять.
Разобраться в теме квантовых компьютеров помогла Ирина Панфилова, техник первой категории в ГК «Росатом».
ПК и квантовые компьютеры: в чём различие
Обычные пользовательские компьютеры работают в двоичной системе. Единицы информации в них — это биты, которые могут принимать два значения — 0 и 1. Операции с битами позволяют пользователям слушать музыку, решать задачи на калькуляторе или смотреть видео. Однако серьёзные задачи ПК не под силу.
Представьте, что вы работаете в библиотеке и хотите поставить 10 книг на одну полку. При этом есть только один правильный вариант расстановки — чтобы найти верный, вам придётся изучить все комбинации. Например, для расстановки двух книг существует всего два варианта, а для расстановки всех десяти — уже 3 628 800.
Обычный пользовательский компьютер, чтобы решить такую задачу, будет перебирать все комбинации последовательно одну за другой — на это уйдёт время. На помощь приходят квантовые компьютеры, которые одновременно анализируют разные комбинации и способны решить подобные задачи в один миг.
В отличие от ПК, квантовые компьютеры работают не на битах, а на кубитах — квантовых частицах. Кубиты, в отличие от битов, могут равняться одновременно и 0 и 1.
Квантовый компьютер работает на двух принципах квантовой механики: принципах суперпозиции и спутанности.
Суперпозиция. Это способность квантовой частицы пребывать одновременно в нескольких состояниях. То есть кубит находится одновременно в обоих значениях — и 0 и 1. При этом у суперпозиции есть уникальное свойство: она существует, только пока у неё нет наблюдателя, и принимает определённое значение, только когда измерение началось.
Например, суперпозицию можно представить в виде монеты, которую подбросили в воздух. Пока она вращается, показывает два значения одновременно: и орла, и решку, но неизвестно, какое именно. Как только мы поймаем монету, сразу увидим результат.
Квантовая спутанность. Чтобы произвести вычисления, кубиты должны быть связаны между собой вне зависимости от своего местоположения. Если изменится состояние одной частицы, спутанные с ней тоже должны измениться.
Эти два принципа позволяют квантовым компьютерам производить вычисления почти мгновенно.
Первые квантовые компьютеры: от «непонимания» к разработкам
Впервые о возможности использовать квантовые эффекты для вычислений заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1950-е. Позднее, в 1982 году, он опубликовал статью «Физическое моделирование с помощью компьютеров», где, по сути, впервые описал принципы работы квантового компьютера.
Ричарду Фейнману принадлежит интересная цитата: «Я думаю, что смело могу утверждать: квантовую механику не понимает никто».
В конце 1990-х американские учёные Исаак Чуанг, Нил Гершенфельд и Марк Кубинец представили первый двухкубитный квантовый компьютер, который мог производить вычисления. Вслед за ними свои модели начали производить другие деятели науки и технологические организации:
- в 2001 году американская компания IBM создала 7-кубитный квантовый компьютер;
- в 2005 году российский физик Юрий Пашкин при помощи японских специалистов построил 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах;
- в 2007 году канадская компания D-Wave создала 16-кубитный квантовый процессор.
Российские квантовые технологии — в числе мировых лидеров
В России активная работа с квантовыми компьютерами началась в 2016 году. Тогда при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал проект по созданию квантовых информационных систем.
Работу над квантовыми устройствами стали вести крупные вузы, например Московский физико-технический институт и Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, а также Российский квантовый центр. Проект функционирует при поддержке Министерства науки и высшего образования и госкорпорации «Росатом».
В июле 2023 года команда учёных из Российского квантового центра и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН разработала 16-кубитный квантовый компьютер на ионах. По словам одного из создателей устройства, Ильи Семерикова, к компьютеру можно было подключиться через интернет, загрузить свою программу через облако и выполнить её.
В феврале 2023 года те же учёные представили 20-кубитную машину. Затем менее чем за год исследователи увеличили количество кубитов более чем в два раза — и в сентябре 2024 года создали 50-кубитный квантовый компьютер на ионах. Он стал самым мощным подобным устройством в России. Исследовательские центры могут получить доступ к нему через облачную платформу и запустить базовые квантовые алгоритмы.
Только шесть стран, среди которых и Россия, обладают квантовыми компьютерами на ионах в 50 кубитов и более.
Квантовые компьютеры будут использовать в бытовых отраслях
Квантовая физика — не точная наука, многое в ней ещё не исследовано. Вот и квантовые компьютеры пока работают на теории вероятности. Они дают не точные результаты, а приближённые к реальности. Чтобы интерпретировать результат работы квантовой машины, нужно применить специальные квантовые алгоритмы — пока что они подходят только для решения математических задач и мало применимы в реальной жизни.
Сейчас квантовые компьютеры тестируют и проверяют их возможности. Большинство задач для них — это научные исследования. Однако в будущем их планируют применять в различных сферах.
- Медицина. Квантовые вычисления способны смоделировать сложные молекулы для создания новых лекарств. Они помогут разработать технологии, которые позволят врачу в кратчайшие сроки найти персональные рекомендации для человека с учётом факторов его заболевания и особенностей организма.
- Транспорт. С помощью высокой скорости решения операций квантовый компьютер сможет составлять оптимальные маршруты и расписание движения транспорта. В итоге это решит проблему пробок, а непредвиденные ситуации, например аварии, будут учитываться в режиме реального времени.
- Искусственный интеллект. Квантовые технологии позволят ускорить обучение ИИ, распознавание и анализ изображений, речи, текста и обработку больших данных.
- Метеорология. Квантовые компьютеры смогут просчитывать показания погоды прошлых лет, текущие природные явления и с большей точностью выдавать прогноз погоды.
Как сообщали в «Росатоме», к 2030 году намечено серийное производство квантовых компьютеров. Тогда компании и корпорации смогут закупать их и использовать для прикладных задач: производства лекарств, обучения нейросетей, создания логистических приложений.
