От лампочек к кубитам: зачем нам нужны квантовые компьютеры

Весной этого года ученым впервые удалось провести эксперимент по квантовой телепортации сигнала на расстояние около 1400 километров. Разбираемся, зачем нужны квантовые компьютеры и что они смогут поменять в нашей жизни.

Понятие «квантовый бит» или «кубит» появилось более сорока лет назад. Компьютеры, основанные на принципах квантовой механики, должны прийти на смену современным ЭВМ.

Размер имеет значение

Благодаря компьютерам, все вокруг поумнело на глазах: у нас есть «умные» часы, «умные» телефоны, ноутбуки, бортовые компьютеры в автомобилях и еще сотни приборов, в основе которых находятся процессоры – небольшие вычислительные устройства, производящие все необходимые операции.

Для более серьезных задач применяются компьютеры другого масштаба: кластеры и суперкомпьютеры. Это обычные вычислительные машины, но с огромным числом процессоров, которые выполняют множество задач одновременно. Они уже не поместятся у вас на ладони: самый мощный суперкомпьютер, Sunway TaihuLight, расположенный в Китае, занимает пространство в 605 квадратных метров.

Первые компьютеры, работавшие на лампочках, занимали целые спортивные залы. Затем, с развитием технологий, их размеры уменьшились в сотни раз – а теперь они снова стали громадными. Получается, мы вернулись обратно в «каменный век»?

Нам не хватает мощности

И да, и нет. Размер стандартного процессора – 4-5 сантиметров, но в составе того же Sunway TaihuLight количество процессоров составляет 40 960 штук. Также необходима система хранения данных и громоздкая система вентиляции. Из-за этого суперкомпьютеры занимают огромные пространства и потребляют огромное количество электричества.

Зачем нам нужно так много вычислительных мощностей? Все дело в современных задачах, которые сильно изменились со времен первых компьютеров. Мы хотим предсказывать погоду, проводить точнейшие моделирования физических процессов для развития технологий, использовать системы машинного обучения в медицине. Все эти проблемы требуют решения огромного количества математически сложных уравнений, и обычный компьютер с такой нагрузкой не справится. Чем больше процессоров, тем больше операций может одновременно производить компьютер, и тем точнее могут быть его предсказания.

Количество и размеры компьютеров растут одновременно с количеством задач. Согласно исследованиям, к 2040 году в мире будет так много ЭВМ, что у нас просто не хватит электричества для их питания. Тем не менее ученые знают, как решить проблему, и уже меняют принцип работы вычислительных устройств.

Сколько нужно лампочек, чтобы записать слово

Привычные нам, «классические» компьютеры работают в двоичной системе счисления: любая информация записывается в виде нулей и единиц. В первых ЭВМ этот принцип был реализован при помощи обыкновенных лампочек: лампочка работает – «единица», не работает – «ноль». В современных компьютерах ту же самую роль выполняет электрический ток: либо он есть («1»), либо его нет («0»). Число, слово или объект записывается в виде последовательности нулей и единиц, с которыми можно производить различные операции.

В двоичном коде слово «futurist» представляется в виде: 11001101110101111010011101011110010110100111100111110100.

Выглядит внушительно, и подобные цепочки компьютер должен запоминать и уметь отличать друг от друга. Та же самая последовательность будет обозначать, например, еще и число: 57939484068182516.

Получается, система довольно «громоздкая»: в элементарном объеме информации, который называется «бит», мы можем хранить всего лишь два числа, для чего нам нужны миллионы и миллиарды битов. Многовато.

От бита к кубиту

Здесь на помощь ученым пришла квантовая механика. Один из самых знаменитых мысленных экспериментов, «кот Шредингера», описывает основное свойство субатомных частиц: они умеют находиться одновременно в нескольких состояниях. Обычный кот может быть либо жив, либо мертв. А квантовый кот умеет находиться еще и где-то посередине. Он может быть жив на 90% и мертв на оставшиеся 10%, либо 50 на 50. Смешанные квантовые состояния описывают вероятность обнаружить квантового кота в том или ином виде.

Это позволило ввести понятие «кубит» (от английского «quantum bit» – «qubit»). В отличие от обычного бита, который принимает только значения «0» или «1», кубит может находиться в любом состоянии от «0» до «1», в так называемой суперпозиции состояний. Чем больше возможных состояний – тем больше информации может хранить в себе одна ячейка.

Квантовая запутанность и телепортация информации

Другая особенность квантовой механики, нашедшая применение в разработке компьютеров, – явление запутанности. Два запутанных кубита могут каким-то образом «узнавать» о состояниях друг друга, даже будучи разделенными на большое расстояние. Изменив состояние одного, мы изменим и состояние другого.

Запутанность лежит в основе механизмов передачи информации на большие расстояния, квантовой телепортации. Поскольку объекты оказываются связаны между собой, для передачи информации о всей системе достаточно отправить получателю только ее часть.

Первые шаги

В результате, имея совсем небольшое число кубитов, мы можем хранить гигантские объемы информации и значительно ускорить вычисления. Однако создать реальный кубит оказалось непросто. Основная проблема состоит в том, как контролировать состояние столь сложного объекта.

Правда, определенные успехи уже достигнуты. Китайским ученым удалось передать запутанное состояние на расстояние около 1400 километров (предыдущий рекорд составляет 100 километров). В лаборатории на Земле создавалась система из двух квантово-связанных частиц света, фотонов. Связанную пару разделяли, и один из фотонов транслировали на спутник. Согласно принципам квантовой запутанности, получатель, имея только один фотон, может восстановить информацию о всей системе. Данные со спутника сравнили с данными об исходном состоянии, и результат совпал: даже при передаче в космос квантовая информация не искажается.

Эксперимент китайских ученых – один из начальных шагов в деле создания квантовых компьютеров. Сейчас они работают над реализацией первой квантовой сети между Пекином и Шанхаем. В то же время ученые из МФТИ и Российского квантового центра исследуют различные способы создания систем кубитов. Им уже удалось провести первые квантовые вычисления, и по оценкам, их будущие компьютеры станут в 100 000 раз мощнее современных.