Квантові обчислення нарешті тут. Але що це?

Чотири десятиліття тому фізики висунули теорію про те, що механіка квантової фізики може бути використана для створення нового типу комп’ютера, який експоненціально потужніший за звичайні машини. Серія проривів тепер наблизила «квантову корисність» до реальності.

У чому привабливість квантових комп’ютерів?

Вони можуть робити те, чого не можуть класичні комп’ютери. У грудні Google оголосив, що його останній квантовий процесор Willow за п’ять хвилин розв’язав проблему, яку не змогли б вирішити найпотужніші суперкомп’ютери світу, навіть якби вони працювали над нею з самого початку Всесвіту.

Експериментальним квантовим комп’ютерам зазвичай дають завдання, які б збентежили звичайний комп’ютер, оскільки в них надто багато змінних входів. Їх найбільший потенціал полягає в моделюванні складних систем, що включають велику кількість рухомих частин, характеристики яких змінюються, коли вони взаємодіють одна з одною. Вони можуть, наприклад, відтворювати поведінку молекул, щоб прискорити розробку нових ліків, або моделювати рішення суб’єктів господарювання та фінансових посередників, щоб зробити прогнозування ринку точнішим.

Хто будує квантові комп'ютери?

Канадська компанія D-Wave Quantum Inc. стала першою, хто продав квантові комп’ютери в 2011 році. International Business Machines Corp. , Google Alphabet Inc. , Amazon Web Services і численні стартапи створили робочі квантові комп’ютери.

Зовсім недавно такі компанії, як Microsoft Corp., досягли прогресу в створенні масштабованих і практичних квантових суперкомп’ютерів. Корпорація Intel почала постачати дослідникам кремнієвий квантовий чіп із транзисторами, відомими як кубіти (квантові біти), які в 1 мільйон разів менші за інші типи кубітів.

Google і IBM, разом із стартапами Universal Quantum і PsiQuantum Corp. , стверджують, що вони випустять корисний квантовий суперкомп’ютер до кінця десятиліття. Китай будує Національну лабораторію квантової інформації вартістю 10 мільярдів доларів у рамках великого поштовху в цій галузі.

Як працюють квантові комп'ютери?

Вони використовують крихітні схеми для виконання обчислень, як і традиційні комп’ютери. Але вони виконують ці обчислення паралельно, а не послідовно, що робить їх такими швидкими. Звичайні комп’ютери обробляють інформацію в одиницях, званих бітами, які можуть представляти один із двох можливих станів — 0 або 1 — що відповідає тому, чи відкрита чи закрита частина комп’ютерної мікросхеми, яка називається логічним вентилем. Перш ніж традиційний комп’ютер перейде до обробки наступного фрагмента інформації, він повинен присвоїти попередньому фрагменту значення.

Навпаки, завдяки «імовірнісній» природі квантової механіки, кубітам у квантових комп’ютерах не потрібно призначати значення, доки комп’ютер не завершить повне обчислення. Це відомо як «суперпозиція». Отже, тоді як три біти в звичайному комп’ютері можуть представляти лише одну з восьми можливостей – 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 і 111 – квантовий комп’ютер із трьох кубітів може обробляти їх усі одночасно.

Квантовий комп’ютер із 4 кубітами теоретично може обробляти в 16 разів більше інформації, ніж звичайний комп’ютер такого ж розміру, і з кожним доданим кубітом потужність подвоюватиметься. Ось чому квантовий комп’ютер може обробляти експоненціально більше інформації, ніж класичний комп’ютер.

Скільки кубітів потрібно?

Вчені підрахували, що комп’ютеру потрібні мільйони, якщо не мільярди кубітів, щоб надійно запускати програми, придатні для комерційного використання. Поточний рекорд кількості підключених кубітів становить 1180, досягнутий каліфорнійським стартапом Atom Computing у жовтні 2023 року.

Коли я отримаю свій квантовий комп’ютер?

Це залежить від того, для чого ви хочете його використовувати. Вчені вже вирішують проблеми на 100-сильних кубітних машинах через хмарну платформу IBM Quantum Platform, яку широка громадськість може випробувати (якщо ви знаєте, як розробити квантовий код).

Вчені прагнуть протягом наступного десятиліття створити так званий «універсальний» квантовий комп’ютер, придатний для комерційних застосувань.

Одним із потенційних недоліків величезної потужності квантових комп’ютерів у вирішенні проблем є те, наскільки легко вони можуть зламати класичні системи шифрування . Можливо, найкращим свідченням того, наскільки ми близькі до широкого розповсюдження квантових обчислень, є те, що уряди підписують директиви , а компанії вливають мільйони доларів у захист застарілих обчислювальних систем від злому квантовими машинами.