В современном мире очень важны вычислительные мощности компьютеров, от которых в том числе зависит качество и скорость выполняемых процессов во многих сферах, например, на производстве, в IT-технологиях и т.д. Современные компьютеры могут проводить огромное количество вычислений, однако в будущем этого может быть недостаточно. Рассказываем, каким образом могут помочь квантовые устройства и как они работают.
На пороге второй квантовой революции
Квант — это неделимая частица какой-то величины в физике. К примеру, есть квант света или квант энергии. У некоторых квантов есть названия: фотон — квант электромагнитного фона, бозон Хиггса — квант поля Хиггса. Квантовый мир состоит из невероятно маленьких частиц, и его механику ученые изучают уже много лет, поскольку понимание этих процессов, а тем более возможность управлять ими может привести людей к абсолютно новым технологиям.
И первый прорыв, произошедший в 1930-х гг., как раз привел человечество к значительному рывку, который назвали Первой квантовой революцией. Именно тогда такие ученые, как Макс Планк, Эрнест Резерфорд и Нильс Бор, смогли описать механизмы квантовой механики, объяснив непонятные до того времени законы этого мира. Это привело к взрывному росту и развитию технологий во всем мире.
Именно Первая квантовая революция подарила человечеству лазеры и транзисторы. Благодаря ей появились компьютеры и смартфоны, быстрыми темпами стали развиваться технологии медицинской диагностики, спутниковой навигации, телекоммуникаций, ядерного оружия и т.д. По сути, технологический прогресс последних десятилетий произошел именно благодаря этому прорыву в квантовой физике.
Однако теперь, по мнению ученых, мы находимся на пороге Второй квантовой революции. Это этап, который позволит человечеству не только понимать законы квантового мира, но и самим изменять состояние частиц и таким образом передавать информацию. Одно из ключевых направлений этой отрасли — квантовые компьютеры.
Разработками в этой сфере сейчас плотно занимаются технологические компании и научные институты в разных странах. Да и сами государства заинтересованы в развитии таких технологий. В частности, Россия, США, Австралия, Великобритания, Япония и другие приняли национальные стратегии квантового развития на ближайшие годы.
Что такого в квантовых компьютерах
Казалось бы, современные компьютеры и так работают очень быстро. А если их мощности для расчетов недостаточно — есть суперкомпьютеры — огромные дата-центры, с помощью которых можно спланировать миссию для полета в космос, сделать сверхточный прогноз погоды, смоделировать новый продукт в производственной отрасли и т.д. Однако проблема таких центров заключается в том, что они слишком неэкологичны и потребляют объемы энергии, которой хватит для целого города, а на их охлаждение нужны огромные объемы воды.
Но в первую очередь дело все-таки не в экологии, а в принципиальном различии между квантовыми технологиями и привычными нам компьютерами.
Принцип работы с данными
Привычные нам компьютеры хранят информацию в битах — это мельчайшая единица измерения, которая может принимать только два значения — 0 или 1. Чтобы решить поставленные задачи, устройство проводит последовательные операции с битами. Если задача слишком сложная — этот процесс занимает много времени.
Квантовые компьютеры хранят и обрабатывают информацию с помощью квантового бита — кубита. Основное отличие в том, что он, в отличие от бита, может пребывать сразу в нескольких состояниях — и в 0, и в 1, и даже между ними. Это называется «суперпозиция». В результате скорость вычислений такого компьютера в тысячи раз быстрее, чем у обычного.
Устройство
Внутри обычного компьютера есть материнская плата, на которой находятся тысячи транзисторов — полупроводников, необходимых для управления электрическим током. Каждый из них находится в позиции либо 0, либо 1. Через устройство проходит электрический ток, при этом электроны движутся по транзистору со скоростью, близкой к скорости света.
В квантовом компьютере транзисторов нет. Он состоит из трубок и соединений, с помощью которых передаются сигналы в «квантовый мозг» машины. Для охлаждения системы применяется жидкий гелий.
Особенности работы
Обыкновенный компьютер работает следующим образом: вся информация представлена в виде чисел. А задачи выполняются благодаря переключению с позиции 1 на 0 и наоборот.
Квантовые устройства для решения задач используют кубиты, а они, как описано выше, могут находиться в нескольких состояниях одновременно. В результате при проведении вычислений они не последовательно перебирают комбинации, а делают это параллельно и одновременно — вычисления происходят моментально.
Почему это сложно
Вторая квантовая революция все еще не произошла, потому что создание таких систем сопряжено с рядом трудностей.
• Чувствительность кубитов
Для проведения вычислительных операций кубиты должны находиться в состоянии когерентности, то есть взаимосвязи друг с другом. Однако внешние воздействия достаточно легко могут разрушить эту стабильность. Чем дольше кубит способен сохранять когерентность, тем больше вычислений он может произвести. Однако пока люди не научились изолировать систему от внешних шумов на таком уровне.
• Ограничения по материалам и технологиям
Для обеспечения стабильности нужны абсолютно новые материалы, которые можно применять для создания сверхпроводниковых систем, фотонных схем и ионных ловушек, которые смогут обеспечивать когерентность кубитов.
• Коррекция ошибок
Квантовые системы пока не способны безошибочно выполнять алгоритмы, поскольку поддерживать стабильность кубитов на длительном промежутке времени крайне сложно. А без эффективной квантовой коррекции ошибок невозможно построить стабильную систему, которая не будет допускать неточности.
Как квантовые новости влияют на рынок
В США за 2024 г. акции компаний, связанных с квантовыми вычислениями, быстро росли в цене. К примеру, котировки Quantum Computing за 12 месяцев выросли более чем на 1800%, Rigetti — более чем на 1500%, D-Wave — почти на 1000%.
Однако 8 января 2025 г. генеральный директор корпорации NVIDIA Дженсен Хуанг заявил, что вряд ли стоит ждать, что в ближайшие десятилетия квантовые технологии будут применяться на практике.
«Говорить о том, что реально полезные квантовые компьютеры появятся через 15 лет, пожалуй, еще рано. Сказать, что через 30, — наверное, уже поздно. Если выбрать 20 лет, то, думаю, многие из нас в это поверят», — сказал он.
Эксперты назвали его прогноз наиболее реалистичным, поскольку самой NVIDIA понадобилось столько же времени, чтобы развить технологии ускоренных вычислений. Акции «квантовых» компаний отреагировали на такое заявление негативно — всего за сутки они упали в среднем на 40%.
Больше полезной информации для инвесторов вы найдете на BCS Express.