О квантовых компьютерах сейчас не говорит только ленивый. Зато те, кто о них говорят, обещают мощный прорыв в целом ряде областей — химии, биологии, транспорта, медицины: от создания лекарств от неизлечимых болезней до борьбы с изменением климата и разработки материалов с невероятными свойствами. Звучит захватывающе, как будто человечество стоит на пороге новой фантастической эры. Но при всей этой шумихе и реальных успехах в лабораториях, есть один большой вопрос, который ученые обсуждают между собой, пока маркетологи рисуют радужные перспективы: а для чего конкретно нам нужен этот чудо-компьютер?
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое использует явления квантовой механики (суперпозицию, запутанность) для обработки данных.
Квантовая физика и механики для многих звучит как нечто непонятное из области научной фантастики. Суперпозиции, запутанности… кажется, это так далеко от нашей повседневной жизни. А оказывается, что обычный смартфон, работает благодаря квантовым эффектам. Работа транзисторов, из которых состоят процессоры основана на понимании того, как ведут себя электроны на микроуровне. А это имеет прямое отношение к квантовой механике. Без нее не было бы ни интернета, ни оптоволокна, ни многих других привычных нам вещей. Так что квантовая физика уже давно и прочно вошла в нашу жизнь, просто мы этого не замечаем. Но квантовый компьютер — это совсем другой уровень. Это попытка не просто использовать побочные квантовые эффекты, а запрячь саму «странность» квантового мира для вычислений.
Обычные компьютеры работают с битами — это либо 0, либо 1. Включено или выключено. Просто и понятно. В отличие от классических компьютеров, квантовые используют кубиты — квантовые биты, способные находиться в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет решать задачи, которые недоступны или требуют значительно больше времени для обработки на классических устройствах. И вот тут начинается самое интересное. Кубит, благодаря принципу суперпозиции, может быть не просто 0 или 1, а как бы и 0, и 1 одновременно (и еще бесконечным числом состояний между ними!), пока мы не попытаемся его «измерить». Именно эта способность позволяет кубитам хранить и обрабатывать несоизмеримо больше информации. Представьте: всего 10 кубитов могут представлять любое число от 0 до 1023. Обычному компьютеру для этого понадобилось бы 1024 бита! А теперь вообразите машину с сотнями или тысячами кубитов… Потенциальная вычислительная мощь кажется просто колоссальной. Теоретически, такой компьютер мог бы решать задачи, перед которыми пасуют даже самые мощные современные суперкомпьютеры.
Однако громкое доказательство преимущества квантовых компьютеров оказалось не таким однозначным. Физики из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрон при Фонде Саймонса и Бостонского университета воспроизвели сложное квантовое моделирование с помощью классического компьютера, а первые расчеты провели на обычном ноутбуке. Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Ученые занялись задачей, которую другая группа исследователей представила в марте 2025 года как пример вычисления, недоступного обычным компьютерам. Речь шла о моделировании динамики сотен связанных кубитов, расположенных в квадратных, кубических и ромбовидных решетках. Квантовый компьютер решил такую задачу, после чего авторы исходной работы заявили, что классические системы не смогут получить сопоставимый результат.
Команда Центра вычислительной квантовой физики решила проверить границы заявления. Главную сложность создаёт квантовая запутанность: состояние каждого кубита зависит от других частиц, даже если частицы находятся далеко друг от друга. Полное описание системы хранится в волновой функции, размер которой растёт экспоненциально вместе с числом кубитов. Для сотен элементов массив данных становится слишком большим, чтобы компьютер мог просто записать его в память и обработать напрямую.
Исследователи обошли ограничение с помощью тензорных сетей. Такой математический подход сжимает волновую функцию, сохраняя важные связи между частицами в виде набора взаимосвязанных таблиц чисел. Первый автор статьи Джозеф Тиндалл сравнил тензорную сеть с ZIP-архивом для квантового состояния: компьютер работает не со всей гигантской структурой сразу, а с её компактным представлением.
Для расчетов команда использовала библиотеку ITensor, разработанную в Центре вычислительной квантовой физики. Новые алгоритмы позволили моделировать трёхмерную динамику квантовой системы на классическом оборудовании. Часть первых вычислений Тиндалл выполнил на личном ноутбуке, а значительную долю дальнейших экспериментов ученые провели без сверхмощных вычислительных установок.
Дополнительный выигрыш дала адаптация алгоритма распространения доверия, разработанного ещё в 1980-х годах. Метод работает приближённо, зато требует намного меньше ресурсов, чем более сложные способы моделирования. По словам исследователей, прежние подходы часто не могли даже начать обработку крупных трёхмерных систем, тогда как новая схема справилась с задачей и дала точные результаты.
Ученые проверили расчеты на небольших системах, для которых результат можно установить другими методами, и получили совпадение с теорией. При моделировании большой системы классический алгоритм также воспроизвел результаты, ранее полученные на квантовом компьютере. Квантовое устройство для повторения заявленного эксперимента не понадобилось.
Работа не означает, что классические компьютеры заменили квантовые или сняли вопрос об их преимуществах. Исследование показывает более узкую, но неприятную для громких заявлений вещь: доказать превосходство квантового компьютера можно только после проверки лучшими классическими алгоритмами, а такие алгоритмы продолжают быстро развиваться.
Теперь команда намерена перейти от систем неподвижных кубитов к моделям с электронами, которые могут перемещаться между узлами решётки. Такие расчеты заметно сложнее, зато напрямую связаны с изучением квантовых материалов, включая вещества с необычными электронными свойствами и потенциальные сверхпроводники.