Команда, которую поддерживает Google, недавно заявила о создании первого в мире квантового компьютера. Это событие знаменует собой огромный прорыв в развитии технологий. Но не стоит думать, что вся наша жизнь измениться в одночасье. Давайте разберемся, что такое квантовый компьютер и как его изобретение повлияет на нашу с вами жизнь.
23 октября в общенаучном журнале Nature была опубликована статья. В ней новое изобретение скромно назвали «квантовым превосходством». Первые результаты работы компьютера таковы: он за 200 секунд смог решить арифметическую задачу, на которую обычному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет. И не смотря на то, что IBM сразу опровергла такое сравнение — их Summit справился бы за 2,5 недели, — это по-прежнему довольно большой скачёк в вычислительной мощности.
Биты и кубиты
Современный компьютерный мир является цифровым. Вся информация в нем представлена в виде двоичных цифр — битов. Эти биты могут принимать значение нуля или единицы, отражая состояние электронного заряда, исходящего от транзисторов и микросхем. Так, например, число 42 в двоичной системе будет выглядеть как 101010.
В мире квантовой физики все намного сложнее. Помимо крайних положений — 0 и 1, — кубиты могут содержать информацию обо всех промежуточных состояниях.
Представьте себе лежащую на столе монету. Ее видимая сторона может быть одной из двух: орел или решка, эквивалентные нулю или единице для бита. Тогда кубит — это монета, которая вращается на какой-либо поверхности. Мы не можем знать о ее конечном состоянии, пока она не упала одной из сторон вверх.
Эрвин Шрёдингер описал этот парадокс в 1935 году на примере кота, который заключен в коробке с радиоактивным веществом. Пока мы не заглянем внутрь, с одинаковой вероятностью кот может быть и жив и мертв, т.е. одновременно поддерживает оба состояния. Как только коробка открывается, состояние фиксируется в одно из двух возможных. Аналогично происходит и в физике: как только мы пытаемся подсмотреть за квантовым состоянием, оно принимает одно из двух крайних значений.
Квантовая запутанность
«Я не могу в это поверить», писал Эйнштейн об этом явлении. Поверить в это так же сложно, как и понять, оперируя исключительно физической логикой. Если вкратце, то квантовая запутанность — это когда две квантовые системы (например, кубиты) принимают одинаковое состояние, до тех пор, пока оно не определено.
Две монеты, одна находится в Москве, другая — в Нью-Йорке, вращаются на некой поверхности. В каждый момент времени они занимают одинаковое положение: если первая решкой направлена строго на север, то вторая тоже; если первая поворачивается на пять градусов, то вторая тоже. Их вращение абсолютно идентично. Но только до тех пор, пока они обе не падают на бок и их состояние не фиксируется. Тогда квантовая запутанность разрушается.
Вычислительная мощность
Поскольку кубиты могут принимать множество состояний одновременно, количество арифметических операций, выполняемых квантовым компьютером, значительно увеличивается. Теоретически, их вычислительная мощность увеличивается по экспоненте с увеличением числа кубитов. Поскольку кривая экспоненты становится все круче и круче, в определенный момент достаточно слегка увеличить число квантовых систем, чтобы резко повысить результативность.
На практике, все выглядит несколько иначе. Квантовый компьютер будет корректно работать при соблюдении множества условий. Квантовая запутанность между кубитами не должна разрушаться. И даже самая маленькая неисправность может привести к полной остановке системы. Все это выглядит довольно хрупко. Именно поэтому бо́льшая часть работы по созданию первого в мире квантового компьютера была посвящена автоматизированному процессу исправления ошибок, который гарантирует работоспособность 99,99% времени.
Как выглядит квантовый компьютер
На первый взгляд квантовый компьютер напоминает гигантскую люстру из медных трубок и проводов. Его ядро содержит сверхпроводящий чип, на котором в шахматном порядке расположено 54 кубита.
Кубиты представляют собой крошечные конденсаторы из ниобия — химического элемента, такого же твердого, как титан. Их заряды (по аналогии с вращающимися монетами) не имеют фиксированных состояний. Сверхпроводящий чип находится в электромагнитном микроволновом поле и работает при температуре, близкой к абсолютному нулю. Для поддержания низких температур медная «люстра» погружается в емкость со сжиженным гелием.
Можно ли на квантовый компьютер установить Windows?
Нет. Программное обеспечение для квантовых компьютеров вообще нельзя сравнить с ПО для цифровых бинарных. Чтобы протестировать производительность своего технического чуда в Google разработали сложную математическую задачу. А эффективность была вычислена исходя из разницы во времени, затраченном на ее решение.
Получится ли так, что все наши пароли теперь можно подобрать за доли секунды? Тоже нет. Никаких технологических прорывов в ближайшее время не предвидится: ни взломов сложных шифров, ни невероятно реалистичных симуляций, ни сверхумных систем управления. На данный момент квантовый компьютер способен только на математические вычисления.
Фундаментальное достижение
Фундаментальное достижение заключается в том, что квантовый компьютер больше не является теоретической моделью. Но если сравнивать использование квантовых систем в вычислительной технике с авиацией, то мы только что проделали эксперимент братьев Райт — пролетели тридцать шесть с половиной метров на первом в мире самолете. До пассажирских межконтинентальных перелетов нам еще очень далеко.
Например, еще не было подтверждено на практике, что квантовый компьютер может беспрерывно работать часами, днями или годами. Кроме того, нам предстоит разработать принципиально другую логику программирования, соответствующую квантовым эффектам. В противном случае, новинка будет для человечества почти бесполезна.
По скромным подсчетам, должно пройти еще как минимум несколько десятилетий, прежде чем квантовые компьютеры смогут принести какую-либо пользу, помимо математической. Ученым предстоит еще множество тестов, экспериментов и дополнительных исследований. Но, в чем не приходится сомневаться, «квантовое превосходство» — это гигантский шаг для всего человечества, с которого, возможно, начнется новая эра в вычислительной технике.
