4 главных вопроса о квантовых компьютерах

Новые задачи требуют все более сложных вычислений, в то время как многие вычислительные алгоритмы несовершенны. Например, при подготовке алгоритмов искусственного интеллекта, большая часть информации теряется из-за вычислительных ограничений, что делает их менее эффективными. Квантовые компьютеры позволят нам справиться со сложными задачами. Существуют ли квантовые компьютеры, как они работают и какие проблемы с ними возникают – в материале "Футуриста"

Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен?

Квантовый компьютер –это вычислительное устройство, которое для передачи и обработки данных использует явления квантовой физики, а не классические алгоритмы. Обычные компьютеры работают по принципу вычислительных машин Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые способны находиться в суперпозиции — быть одновременно и 0 и 1. Представьте себе сферу, которая состоит из бесчисленного множества точек. Ее северный и южный полюса — это "0" и "1", а все остальные точки – это промежуточные значения. Вся сфера целиком и будет суперпозицией. У кубита в принципе не может быть определенного значения – оно появляется в момент измерения.

Сфера Блоха. Состояние кубита — вектор из центра сферы, конец которого лежит на ее поверхности. Пробегая все возможные состояния, конец этого вектора дает множество значений, которые может принимать отдельный кубит. При измерении кубита мы получим либо "1", либо "0" - проекцию состояния кубита на вертикальную ось. Результаты выпадают с определенной долей вероятности: например, 20% – "1", 80% – "0" или наоборот, в зависимости от того, выше или ниже экватора сферы лежал вектор состояния кубита.

Это свойство кубитов отчасти иллюстрирует знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера. Распад атома запускает механизм, который убивает кота, заключенного в ящик. Но из-за того, что за час атом может как распасться, так и не распасться с вероятностью 50%, мы не знаем, жив кот или мертв. Мы узнаем это, только когда мы откроем ящик. Как писал ученый, эта система "смешивает в себе или размазывает живого и мертвого кота в равных долях" – чего в обычном понимании произойти не может. Но квантовая физика позволяет это сделать.

В квантовом регистре каждое возможное значение находится в суперпозиции, тогда как классический регистр может иметь только одно значение в данный конкретный момент времени (из 2 возможных). Система из 51 кубита имеет диапазон возможных значений 2⁵¹. Это значительно отличается от классического регистра, где диапазон возможных значений 102 (2*51) соответственно.

Благодаря огромному количеству возможных состояний кубита, квантовый компьютер может выполнять несколько вычислений одновременно, в то время как машина Тьюринга – только одно. Допустим, вам нужно провести операцию над каждым из 4 возможных чисел в регистре из 2 битов на обычном компьютере. Вам придется перебирать каждое значение — то есть, вам понадобится 4 шага. В квантовом компьютере с регистром из 2 кубитов задача будет решена за один шаг, ведь действие производится сразу над всеми числами регистра.

Носителями информации выступают элементарные частицы: атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Проблема в том, что в квантовой физике "измерение" означает "изменение", необратимое и непредсказуемое. К счастью, квантовая механика знает способы обойти эти измерения и передать состояние кубита сразу, без потерь.

Квантовые системы нужны для работы с большими данными, так как эти задачи требуют перебора огромного количества вариантов. Также квантовые компьютеры помогают воссоздать динамику сложных систем и тем самым упростить расчеты свойств отдельных молекул, секвенирование ДНК, а также поиск новых лекарств и материалов. Например, чтобы рассчитать динамику молекулы метана (CH₄), необходимо держать в памяти компьютера экспоненциально большое количество переменных, так называемых квантовых амплитуд. Ни один компьютер пока не может справиться с этой задачей.

Какова природа вычислений?

Квантовое вычисления использует особый физический ресурс: квантовую запутанность. Это позволяет в некоторых операциях достичь поразительного выигрыша во времени. Две частицы, электрон или фотон, которые одновременно испускает один и тот же источник, находятся в так называемом запутанном (или сцепленном) состоянии. Они несут одновременно правую и левую поляризации, но в момент измерения они принимают определенную поляризацию – причем всегда будут противоположны друг другу. То есть, если мы смотрим на один фотон, и он принимает левую поляризацию, то у другого фотона будет правая поляризация – и наоборот. Предсказать, какую поляризацию примет та или иная частица, невозможно.

Альберт Эйнштейн считал квантовую запутанность нелепой выдумкой и называл ее «жутким действием на расстоянии». Он предложил разнести эти частицы на большое расстояние. Если мы наблюдаем за одним из фотонов, то второй фотон должен получить информацию о факте измерения, чтобы сменить свою поляризацию. В теории относительности это происходит не сразу, а по прошествии некоторого времени, иначе нарушится главное правило — скорость передачи информации превысит скорость света. Но в квантовой механике второй фотон должен получить информацию моментально — иначе в какой-то момент поляризация частиц будет одинакова. Это противоречие назвали парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Физики долго спорили, как его разрешить. В итоге решили, что смена поляризации — это случайный процесс, и никакой передачи информации не происходит, поэтому принципы относительности формально не нарушаются.

В 1993 году в IBM Research был проведен эксперимент, известный как квантовая телепортация. Ученые из IBM показали, что квантовая запутанность не только является реальным явлением, но и может быть превращена во что-то гораздо более полезное, чем кто-либо осмеливался предположить. Для передачи информации приходится измерять состояние частиц — но по законам квантовой физики измерение разрушает это состояние, и его невозможно восстановить. Телепортация использует явление квантовой запутанности и дает возможность перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем — не «заглядывая» в него и тем самым не нарушая его.

Допустим, нам нужно передать состояние фотона А получателю — то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении другая частица в том же самом состоянии. Как это сделать? В самом общем виде, мы просто располагаем две запутанные частицы В и С у отправителя и получателя соответственно. Частица В будет как бы сканировать и запечатлевать состояние частицы А, а частица С будет приобретать ровно противоположное состояние.

Подробнее — в видео от Minute Physics.

Представьте, что вам нужно передать состояние "живой-мертвый" кота Шредингера мухе, которая находится на Луне. Мы помним, что кот в ящике находится в суперпозиции "живой-мертвый"1. Для передачи нам понадобится две мухи: одна будет находиться на Луне и принимать состояние кота, а вторая — передавать. Одна из мух живая, другая мертвая — но мы не знаем, какая именно. Они тоже находятся в суперпозиции: живая муха на Земле и мертвая муха на Луне — и наоборот. Муху-передатчик мы кладем в ящик с котом, чтобы связать их в единую систему.

Если мы просто откроем ящик, то суперпозиция разрушится: кот и одна из мух (неизвестно, какая именно) будут мертвыми, а другая муха останется в живых — и наоборот. Телепортации не произойдет. Поэтому нам нужен способ заглянуть в ящик косвенно, чтобы суперпозиция разрушилась лишь частично, приведя нас к одному из четырех возможных состояний. Мы будем задавать косвенные вопросы о состоянии животных в ящике: 1) они оба в одинаковом состоянии? 2) только один из них мертв? 3) как минимум, один из них мертв? 4) умер только кот? Поодиночке эти вопросы ничего не стоят. Вместе они дадут нам целый комплекс возможных вариантов: Жж, Мм, Мж, Жм (кот - прописные, муха - строчные буквы)².

Вспоминаем о мухе, которая находится на Луне. Ее состояние будет ровно противоположным состоянию мухи, которая на Земле. Таким образом, у нас образовалась система из трех элементов³. Если мы проведем алгебраические преобразования этой системы⁴, мы обнаружим, что лунная муха будет также находиться в суперпозиции своих возможных состояний, которые будут очень похожи на состояния кота. Однако для полноценного завершения телепортации лунной мухе необходимо получить некоторые данные о состоянии кота и земной мухи. Эти данные — ответ на один из косвенных вопросов, который помогает лунной мухе провести необходимые преобразования⁵. Этот ответ отправляется по классическому каналу связи, который используется параллельно с квантовым. В результате телепортации первоначальное состояние кота и земной мухи разрушится — невозможно создать точную копию квантового состояния, не разрушив оригинал. Но зато муха на Луне получила исходное состояние кота. А вам остается лишь заменить мух и кота на фотоны, атомы, электроны или ионы.

Существуют ли квантовые компьютеры?

Да. D-Wave, которая использует урезанную форму квантовых вычислений (квантовая нормализация или отжиг), продает коммерческую версию своей машины. Известны мелкие квантовые компьютеры Google и IBM, причем IBM позволяет людям получать доступ к своему компьютеру через облако (проект Quantum Experience для компьютера с пятью кубитами). Также сейчас ведется работа над первым коммерческим сервисом квантовых облачных вычислений — IBM Q. Для него разработали 17-кубитное устройство с низким уровнем ошибок. Позднее работу сервиса будет обеспечивать универсальный квантовый компьютер с примерно 50 кубитами.

В июле 2017 года российско-американская группа физиков под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарвардского университета, объявила о создании программируемого 51-кубитного квантового компьютера. На сегодня это самая сложная подобная система из существующих.

Постепенно появляются квантовые нейросети. А физики из Российского квантового центра впервые запустили квантовый блокчейн — инструмент для создания распределенной базы данных, в которой практически невозможно подделать записи.

Однако пока квантовые компьютеры находятся лишь на первых стадиях своего развития. Пятикубитные системы может моделировать и обычный настольный компьютер. Кроме того, для надежной работы квантового компьютера требуется очень низкий уровень ошибок. Эти ошибки возникают из-за декогеренции (распада суперпозиции), или из-за взаимодействия кубитов друг с другом. Из-за этого наращивать число кубитов очень сложно. Лишь недавно ученые научились обнаруживать такие ошибки автоматически: в 2015 году IBM разработала четырехкубитный квантовый чип специально для этой задачи.

Опасны ли они?

Криптологи используют ограничения нашей нынешней технологии, чтобы обеспечить безопасность нашей информации и транзакций. Появление квантовых алгоритмов вычислений может сделать наши нынешние стандарты шифрования неэффективными.

Однако эта проблема выглядит надуманной. Квантовая криптография существует еще с начала 90-х. Агентство национальной безопасности Соединенных Штатов начала переходить на квантово-безопасную криптографию. Существует также ряд частных компаний, которые внедряют квантовые системы безопасности. ID Quantique разрабатывает такие системы с 2007 года. В этом году она планирует установить более 200 систем в 15 различных организациях.

¹ Исходное состояние кота: (А|Ж>+B|М>)

² Алгебраически это будет выглядеть так:

Жм = НЕТ (кот умер не один) - ДА (они оба в одинаковом состоянии) = (Жж + Мм+ Жм) - (Жж + Мм)

Жж = ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (мертв только один) - ДА (как минимум, один из них мертв) = (Жж + Мм) + (Жм+Мж) - (Мм+ Жм+ Мж)

Мж = ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (только один из них мертв) - НЕТ (кот умер не один) = (Жж+ Мм) + (Жм + Мж) - (Жж + Мм+ Жм)

Мм = ДА (как минимум, один из них мертв) - ДА (только один из них мертв) = (Мм+ Жм+ Мж) - (Жм + Мж)

³ Общее состояние системы из трех элементов:

(А|Ж> + B|М>) * (|м>|ж> + |ж>|м>).

Первая скобка — это все возможные состояния кота, вторая — все возможные состояния мух. Если раскрыть скобки, получится следующее выражение::

А|Ж>|ж>|м> + А|Ж>|м>|ж> + B|М>|ж>|м> + B|М>|м>|ж>

Как мы видим, вся система теперь связана. Переведем ее в косвенные вопросы:

A(ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (мертв только один) - ДА (как минимум, один из них мертв)) * |м>

+ A(НЕТ (кот умер не один) - ДА (они оба в одинаковом состоянии)) * |ж>

+ B(ДА (они оба в одинаковом состоянии) + ДА (только один из них мертв) - НЕТ (кот умер не один) * |м>

+ B(ДА (как минимум, один из них мертв) - ДА (только один из них мертв)) * |ж>

⁴ Ужасно, правда? Но если мы перегруппируем это выражение алгебраически, мы обнаружим, что муха на Луне в итоге стала находиться в суперпозиции возможных состояний кота Шредингера:

ДА (как минимум, один из них мертв) * (B|ж> - A|м>)

+ ДА (только один из них мертв) * (-B|ж> + (A+B)|м>)

+ ДА (они оба в одинаковом состоянии) * (- A|ж> + (A+B)|м>)

+ НЕТ (кот умер не один) (A|ж>-B|м>)

⁵ Допустим, мы узнаем: НЕТ(кот умер не один). Из всех возможных вариантов состояния лунная муха выберет следующее:

НЕТ (кот умер не один) (A|ж> - B|м>)

Это почти соответствует исходному состоянию кота (А|Ж>+B|М>). Разница в знаке — но его может заменить на противоположный тот, кто находится на Луне вместе с мухой. Мы просто отправляем ему письмо "Поменяй минус на плюс!" по классическому каналу связи.