Представьте себе библиотеку с миллиардами книг, и среди них есть одна нужная страница. Обычный компьютер будет открывать книгу за книгой, пока не наткнется на то, что мы ищем. Квантовый же «прочитает» все книги сразу и покажет, где именно нужно искать. Но даже это чудо скорости основано не на волшебстве, а на продуманной квантовой логике.
Что такое квантовый компьютер и какое его отличие от обычного ПК?
Квантовый компьютер – это тип компьютера, который использует законы квантовой механики для обработки информации иным способом, чем обычные компьютеры.
Персональные компьютеры работают на базе битов – самой маленькой единицы измерения количества информации. В двоичной системе исчисления может принимать значение либо «0», либо «1». Любой файл, будь то фотография, видео или документ, закодирован в гигантскую последовательность нулей и единиц. Если вы знакомы с комбинаторикой, то можете просчитать все возможные варианты состояния двух битов: 00, 01, 10, и 11. Мы, как бы, перебрали все варианты от первого к последнему. Так и работает обычный компьютер – решает задачу последовательно.
Квантовый компьютер использует в своей основе кубиты – единицу информации в квантовых вычислениях, аналог классического бита. В отличие от бита, кубит может находиться в состоянии суперпозиции – одновременно в состояниях 0 и 1. Уже тут просчитать все возможные варианты двух кубитов для человека является достаточно сложной задачей, так как они, находясь в суперпозиции, хранят все четыре состояния сразу. В отличии от обычного ПК, квантовый компьютер способен одновременно просчитывать все возможные исходы.
С суперпозицией вы, возможно, уже были знакомы до этого, так как знаете про кота Шредингера.
Стоит сказать, что суперпозиция стоит на «двух» китах квантовой механики: запутанности и интерференции.
Квантовая запутанность представляет собой квантово-механическое явление, при котором состояния двух или более частиц оказываются неразрывно связаны в единую систему. Измерение параметра одной частицы немедленно определяет соответствующий параметр другой, независимо от расстояния между ними.
Квантовая индифферентность – это фундаментальное явление, при котором квантовая частица (например, фотон) ведет себя как волна и взаимодействует сама с собой, проходя всеми возможными путями одновременно.
Чем квантовый компьютер отличается от суперкомпьютера?
Как и обычный ПК, суперкомпьютер работает и решает задачи последовательно, имеет многоуровневую иерархию памяти, а также использует законы классической физики. Кроме того, архитектура суперкомпьютера состоит из множества процессоров и GPU, которая требует охлаждения.
Квантовый компьютер же, как мы выяснили, подходит к решению задач параллельно. Он имеет ограниченную память и использует законы квантовой механики. Этот компьютер использует квантовый процессор – чип, который состоит из сверхпроводников. Для его работы нужны практически идеальные условия с экстремальной температурой, дабы не допустить ошибок во время вычислений.
Какие же задачи решаются с помощью такого компьютера?
На самом деле такая машина не предназначена для обычного просмотра сайтов в браузере. Это узкоспециализированная разработка, которая, на данный момент, применяется в следующих сферах:
1. Фармацевтика и создание новых материалов. Чтобы смоделировать молекулу лекарства, нужно просчитать взаимодействие всех ее атомов. В случае со сложными молекулами это невыполнимая задача для обычных ПК. Квантовый компьютер сможет с высокой точностью смоделировать любую молекулу, что откроет дорогу к созданию персональных лекарств от рака, сверхэффективных батарей, новых сверхпроводников и материалов с заданными свойствами. Например, лекарство от сахарного диабета II типа, содержащее слюну аризонского ядозуба, разрабатывали 26 лет. В 1991 году нужный фермент в слюне ящерицы только обнаружили, в 1995 – начали разрабатывать, а в 2005 году выпустили на рынок. В 2009 и 2017 гг. были сделаны доработки в препарате. С помощью квантового компьютера лекарство можно было найти гораздо быстрее.
2. Логистика и энергетика. Логистика маршрутов тысяч машин, управление энергосетями мегаполиса, финансовые стратегии – это задачи оптимизации с гигантским числом переменных. Квантовый компьютер сможет найти самый эффективный путь, минимальные затраты или максимальную прибыль там, где обычные компьютеры лишь предлагают компромиссные варианты. Например, Deutsche Bahn (Германия) исследует возможности квантовых вычислений для оптимизации расписания поездов. Canadian Pacific Railway тестирует квантовые алгоритмы для управления грузопотоками. D-Wave и Volkswagen разрабатывают квантовые решения для оптимального распределения поездов в мегаполисах.
Недостатки квантового компьютера
Несмотря на всю мощь этого «гиганта мысли», он – хрупкая натура и сильно подвержен внешнему влиянию. Буквально. Малейшее воздействие извне – вибрация, изменение температуры, электромагнитный шум – приводит к разрушению хрупкой суперпозиции. Кубит «падает» в обычное состояние 0 или 1, и вычисления сбиваются. Чтобы этого избежать, квантовые компьютеры работают в специальных холодильниках при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 °C), в полной изоляции от внешнего мира. Для того, чтобы достичь таких условий под компьютеры и остальное оборудование выделяют целые комнаты.
Кто на данный момент занимается разработкой квантовых компьютеров?
Создание таких машин требует значительных инвестиций, а потому неудивительно, что первенство занимают такие компании как Google, IBM (представила в 2023 году квантовый компьютер на 133 кубит), Microsoft.
А в России «Росатом» не так давно (в феврале 2024) представил свой квантовый компьютер на 20 кубитов на ионах, а в июле – на 50 кубитов. Как можем наблюдать, то отечественные разработчики вполне могут составить конкуренцию ранее представленным гигантам, раз за такой небольшой срок могли усовершенствовать свое творение.
Форма квантового компьютера обусловлена его архитектурой. Квантовый процессор, который представляет собой маленький чип помещен в «золотой холодильник» - криостат, который и создает ту самую температуру абсолютного нуля.
Квантовые компьютеры, безусловно, являются иным инструментом, ключом к задачам, которые мы до сих пор считали нерешаемыми. Это прорыв в нашем понимании и использовании законов Вселенной. Пока инженеры борются с хрупкостью кубитов, а ученые придумывают для них новые алгоритмы, мы с вами стоим на пороге новой эры.
Статья была полезна? Ставьте палец вверх, подписывайтесь на канал и делитесь мнением в комментариях!
Список источников:
1. Бит – https://ru.ruwiki.ru/wiki/Бит
2. Кубиты: как квантовая физика ломает правила классических вычислений – https://www.securitylab.ru/analytics/562167.php
3. Почему квантовые компьютеры могут сделать бесполезными пароли и шифрование – https://sci.rambler.ru/science/54609979/?utm_content=sci_media&utm_medium=read_more&utm_source=copylink
4. Савельев М.В. Квантовая запутанность // Материалы XVII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» - https://scienceforum.ru/2025/article/2018037389
5. Intriguing quantum interference – https://www.securitylab.ru/glossary/intriguing_quantum_interference/
6. Что такое квантовый компьютер и как он работает – https://skillbox.ru/media/code/chto-takoe-kvantovyy-kompyuter-i-kak-on-rabotaet/#stk-6
7. Квантовый компьютер. В него вкладывают миллионы, чтобы он (не) изменил жизнь – https://youtu.be/D0XK2oRS0-U?si=Z2WT2P5skVQ70oDB
8. Как квантовые компьютеры изменят мир: 3 важнейших сценария – https://www.securitylab.ru/blog/personal/Technolady/354923.php
9. В квантовой гонке участвует с десяток стран, в том числе Россия – https://лазер.рф/2024/11/07/29732/
10. Квантовый компьютер: как он работает – и как изменит наш мир – https://hi-tech.mail.ru/review/47041-kvantovye-kompyutery-kak-oni-rabotayut-i-kak-izmenyat-nash-mir/
11. Путин сообщил о сборке в РФ квантовых компьютеров с огромными возможностями – https://regnum.ru/news/3983843
12. Квантовые технологии в железнодорожных перевозках: новая эра логистики – https://rosstip.ru/news/5170-kvantovye-tekhnologii-v-zheleznodorozhnykh-perevozkakh-novaya-era-logistiki