В квантовых процессорах принцип работы основан на использовании кубитов, т.е. квантовых логических элементов, которые отличаются от классических транзисторов. Один кубит является аналогом одного логического элемента, но с квантовыми свойствами.
Можно выделить три основных платформы реализации квантовых компьютеров, хотя принципов может быть и больше в теории.
- Фотонные квантовые компьютеры. Кубиты здесь реализуются как волноводы, напечатанные в чипе. Их можно масштабировать, печатая любое количество (20, 30, 100, 1000 и т.д.). Проблема в недостоверности вычислений. Например, результат получается правильным примерно в 80% случаев, а в 20% ошибочным. Это связано с вероятностной природой квантовых вычислений.
- Сверхпроводниковые квантовые компьютеры требуют сверхнизких температур для поддержания сверхпроводящего состояния. Масштабирование ограничено сложностью удержания большого числа кубитов (около 100-150 кубитов — текущий максимум). Кубиты здесь — сверхпроводящие элементы.
- Квантовые компьютеры на ионах. Кубиты реализуются как отдельные ионы, которые нужно удерживать в неподвижном состоянии с помощью магнитных полей и охлаждения. Масштабирование ограничено физическими сложностями удержания большого количества ионов.
Принцип работы квантового компьютера, на примере фотонного квантового компьютера (первый тип, выше), можно описать следующим образом. В кристалле с волноводами запускается одиночный фотон, который с определённой вероятностью может «перескочить» с одного волновода на другой. Эти вероятности формируют выходные сигналы, которые интерпретируются как результат вычислений. В отличие от классического процессора с одним входом и одним выходом, квантовый компьютер может одновременно обрабатывать множество выходов, что даёт ему преимущество.
Квантовые компьютеры решают задачи, которые классическим компьютерам трудно или невозможно эффективно решать, например, разложение чисел на простые множители, важную операцию в криптографии. Квантовый компьютер способен выполнить эту операцию значительно быстрее за счёт своей архитектуры.
Однако, по состоянию на 2025 год, квантовые компьютеры пока находятся на стадии исследований и разработок, и их масштабируемость и достоверность вычислений остаются серьёзными проблемами.
Таким образом, основные принципы работы квантовых процессоров связаны с:
- Использованием кубитов, обладающих квантовыми свойствами (суперпозиция, т.е. комбинация базовых состояний; вероятностность).
- Различными физическими платформами (фотоны, сверхпроводники, ионы).
- Вероятностным характером вычислений с необходимостью коррекции ошибок.
- Способностью выполнять параллельные вычисления с множеством выходов одновременно.
Все это отличает квантовые процессоры от классических транзисторных, которые работают с бинарными состояниями и детерминированными логическими операциями.