Квантовый компьютер — принципиально новый тип вычислительного устройства, функционирующий на основе законов квантовой механики. В отличие от классических компьютеров, оперирующих битами информации в состояниях 0 или 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты (кубиты), способные находиться одновременно в нескольких состояниях благодаря явлению суперпозиции.

Факты

• Основное отличие: работают с кубитами, которые могут принимать значения 0, 1 или оба состояния одновременно.
• Дата первого прототипа: первый экспериментальный квантовый компьютер был создан в 1998 году.
• Применение: разработка новых лекарств, оптимизация логистики, криптография, моделирование квантовых систем.
• Основные компании: IBM, Google, D-Wave, Rigetti Computing.
• Знаковые достижения: в 2019 году Google объявила о достижении квантового превосходства.
• Потенциальные проблемы: высокая стоимость, сложности масштабирования и необходимость работы при экстремально низких температурах.

Обзор

Традиционная физика не способна объяснить принципы работы квантовых устройств. Масштабируемый квантовый компьютер демонстрирует экспоненциальное превосходство в скорости над классическими вычислительными системами при решении определённых задач. В теории такой компьютер мог бы преодолеть современные криптографические защиты и существенно ускорить физическое моделирование. Однако на текущем этапе развития технологии остаются экспериментальными, с множеством технических ограничений.

Фундаментальной единицей информации в квантовых вычислениях выступает кубит — квантовый аналог классического бита. Принципиальное отличие кубита заключается в его способности находиться в состоянии квантовой суперпозиции — особом режиме, когда он существует одновременно в нескольких состояниях. При измерении кубита происходит вероятностное схлопывание суперпозиции в одно из базовых состояний. Грамотное манипулирование кубитами позволяет использовать эффекты квантовой интерференции для усиления вероятности получения нужного результата.

Современные квантовые компьютеры пока не готовы к практическому применению. Создание стабильных кубитов остаётся сложнейшей инженерной задачей — любое внешнее воздействие вызывает квантовую декогеренцию, что приводит к ошибкам в вычислениях. Ведущие научные центры и правительства инвестируют значительные ресурсы в разработку более совершенных кубитов с увеличенным временем когерентности и сниженной частотой ошибок. Наиболее перспективными технологиями считаются сверхпроводящие системы и ионные ловушки.

История

Квантовая механика и компьютерные науки долгое время развивались как отдельные области знаний. В 1920-х годах квантовая теория сформировалась для объяснения физических явлений на атомном уровне. Цифровые компьютеры появились позже, заменив ручные вычисления в сложных расчётах. Обе дисциплины сыграли значимую роль во Второй мировой войне — компьютеры использовались для криптографических задач, а квантовая физика легла в основу ядерных исследований Манхэттенского проекта.

Сближение этих областей началось, когда физики применили квантово-механические модели к вычислительным задачам. В 1980 году произошёл первый прорыв — Пол Бениофф представил концепцию квантовой машины Тьюринга. Экспоненциальный рост сложности при моделировании квантовой динамики на обычных компьютерах побудил Юрия Манина и Ричарда Фейнмана независимо предположить, что квантовое оборудование больше подойдёт для решения подобных задач.

Значительный шаг вперёд сделали Чарльз Беннетт и Жиль Брассар в 1984 году, применив квантовую теорию к криптографии. Они показали, что квантовое распределение ключей способно повысить защищённость информации. В последующие годы появились первые квантовые алгоритмы для решения задач с оракулом — алгоритмы Дойча (1985), Бернштейна-Вазирани (1993) и Саймона (1994).

Переломным моментом стал 1994 год, когда Питер Шор разработал алгоритм для взлома распространённых схем шифрования RSA и Диффи-Хеллмана. В 1996 году Лов Гровер предложил квантовый алгоритм для неструктурированного поиска, а Сет Ллойд доказал возможность эффективного моделирования квантовых систем на квантовых компьютерах.

Практическая реализация началась с создания двухкубитных квантовых компьютеров в 1998 году. Это доказало техническую осуществимость концепции и положило начало эре экспериментальных разработок по увеличению числа кубитов и снижению частоты ошибок.

Экспериментальные образцы

Развитие квантовых компьютеров ознаменовано серией значимых достижений. В конце 2001 года компания IBM представила первый 7-кубитный квантовый компьютер, основанный на технологии ядерного магнитного резонанса. На нём успешно реализовали алгоритм Шора для факторизации числа 15.

В 2005 году российские учёные под руководством Юрия Пашкина в сотрудничестве с японскими коллегами создали двухкубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах. Через четыре года, в 2009 году, физики из Национального института стандартов и технологий США собрали первый программируемый двухкубитный квантовый компьютер.

Значительный технологический прорыв произошёл в июле 2017 года, когда группа под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарвардского университета, представила 51-кубитный квантовый симулятор. Параллельно команда Кристофера Монро из университета Мэриленд разработала 53-кубитный симулятор на основе ионных ловушек.

В последующие годы крупные технологические компании достигли значительных успехов:

• IBM в ноябре 2017 года создала прототип 50-кубитного процессора.
• Intel в январе 2018 года представила 49-кубитную сверхпроводящую микросхему Tangle Lake.
• Google в марте 2018 года анонсировала 72-кубитный процессор Bristlecone.

В 2019 году IBM представила первый коммерческий квантовый компьютер IBM Q System One. В том же году Google объявила о достижении квантового превосходства на 53-кубитном процессоре Sycamore.

К 2024 году в России создали первый 50-кубитный компьютер с планами расширения до 75 кубитов в 2025 году. Параллельно ведётся работа над несколькими 50-кубитными системами.

Квантовая обработка информации

Работу современных классических компьютеров специалисты описывают, опираясь на законы классической электродинамики. Хотя отдельные полупроводники и генераторы случайных чисел используют квантовые эффекты, они не сохраняют квантовую информацию из-за взаимодействия с окружением. При разработке классических алгоритмов программисты могут использовать теорию вероятностей, но более сложные квантовые концепции — суперпозиция и интерференция — не играют существенной роли в анализе программ.

В противоположность этому, квантовые программы требуют точного управления когерентными квантовыми системами. Для их математического описания физики применяют аппарат линейной алгебры. Комплексные числа описывают амплитуды вероятностей, векторы — квантовые состояния, а матрицы — допустимые операции над этими состояниями. Таким образом, создание квантовых программ сводится к построению последовательности операций, они теоретически дают полезный результат и могут быть реализованы на практике.

Существует несколько подходов к организации квантовых вычислений:

1. Вычисления на основе измерений используют последовательность измерений состояния Белла и однокубитовых квантовых вентилей, применяемых к сильно запутанному начальному состоянию.
2. Адиабатические вычисления основаны на медленном непрерывном преобразовании начального гамильтониана в конечный, содержащий решение в своих основных состояниях.
3. Нейроморфные квантовые вычисления объединяют принципы нейроморфных систем с квантовыми операциями, создавая физическую систему для поиска минимума энергии.
4. Топологические квантовые вычисления используют сплетение анионов в двумерной решётке.

Шумные квантовые вычисления среднего масштаба

Пороговая теорема демонстрирует, как увеличение числа кубитов может компенсировать ошибки в вычислениях. Однако создание полностью отказоустойчивых квантовых компьютеров остаётся отдалённой перспективой. Ряд исследователей полагает, что шумные квантовые машины среднего масштаба (NISQ) найдут специализированное применение в ближайшем будущем, несмотря на то, что шум в квантовых вентилях ограничивает их надёжность.

Значительный прогресс в этом направлении достигнут учёными Гарвардского университета, создавшими «квантовые схемы» с улучшенной коррекцией ошибок. Исследование проводилось при поддержке консорциума организаций, включая MIT, QuEra Computing, Калифорнийский технологический институт и Принстонский университет, с финансированием по программе DARPA Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices (ONISQ).

Возможные применения

Приложения к криптографии

Высокая скорость факторизации чисел на квантовых компьютерах создаёт угрозу для современных криптографических систем, в частности, RSA. Этот алгоритм считается надёжным именно потому, что классическим компьютерам требуются огромные временные затраты на разложение больших чисел на простые множители. Квантовый алгоритм Шора делает эту задачу выполнимой, что стимулирует развитие постквантовой криптографии — алгоритмов, устойчивых к квантовым атакам.

В конце 2022 года китайские учёные продемонстрировали первый в истории взлом 48-битного RSA-ключа с помощью современного квантового компьютера. При этом квантовая криптография уже открывает новые возможности в области защищённой передачи сообщений.

Исследования в области искусственного интеллекта

Квантовое машинное обучение открывает новые возможности в обработке больших массивов данных и моделировании нейронных сетей экспоненциального размера. В 2013 году Google основала специализированную лабораторию для квантовых исследований в сфере искусственного интеллекта. Практическое применение этих технологий демонстрирует концерн Volkswagen, использующий квантовые компьютеры Google и D-Wave для разработки беспилотных автомобилей и инновационных аккумуляторных батарей. В ноябре 2018 года концерн представил систему управления дорожным движением с интеграцией беспилотных машин, работающую на квантовых компьютерах D-Wave.

Молекулярное моделирование

Квантовые компьютеры предоставляют уникальные возможности для точного моделирования молекулярных взаимодействий и химических реакций. Поскольку химические реакции по своей природе относятся к квантовым процессам, классические компьютеры способны моделировать поведение только относительно простых молекул. Эксперты прогнозируют, что квантовое моделирование откроет новые перспективы для химической промышленности, особенно в области разработки лекарственных препаратов.

Физические реализации квантовых компьютеров

Создание полноценного квантового компьютера считается одной из фундаментальных задач физики XXI века. На начало 2018 года были реализованы только ограниченные варианты квантовых компьютеров с несколькими десятками связанных кубитов.

Принципы физической реализации

В настоящее время развиваются несколько основных технологических направлений создания квантовых компьютеров:

Твердотельные квантовые точки используют зарядовые состояния или направление спина электронов в полупроводниках. Управление осуществляется через внешние потенциалы или лазерные импульсы.

Сверхпроводящие элементы работают на основе куперовских пар в определённых пространственных областях, управляемых внешним потенциалом или магнитным потоком.

Ионные ловушки Пауля и оптические ловушки для атомов используют квантовые состояния внешних электронов. Управление производится с помощью лазерных импульсов и колебательных мод ионного ансамбля.

Основные технические вызовы включают:

• Необходимость обеспечения высокой точности измерений.
• Защиту от внешних воздействий, способных разрушить квантовую систему.
• Поддержание стабильности при увеличении числа связанных кубитов.

Адиабатические компьютеры D-Wave

Компания D-Wave Systems с 2007 года разрабатывает специализированные квантовые компьютеры. Их системы эволюционировали от 16 до 2000 кубитов, хотя они предназначены для решения ограниченного класса задач. В 2015 году специалисты Google подтвердили использование квантовых эффектов в компьютерах D-Wave, отметив организацию кубитов в кластеры по 8 единиц. На определённых алгоритмах эти системы продемонстрировали ускорение в 100 миллионов раз по сравнению с классическими компьютерами.

В феврале 2022 года Исследовательский центр Юлиха запустил квантовый суперкомпьютер D-Wave с более чем 5000 кубитов. Для обеспечения доступа к квантовым вычислениям центр создал Юлихскую пользовательскую инфраструктуру (JUNIQ), открытую для различных групп пользователей и компаний в Европе.