От битов к кубитам

Насколько реально появление персональных квантовых компьютеров? Как человечество пришло к такой идее? И почему многие корпорации-гиганты ввязались в гонку по созданию квантовых компьютеров?

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, в котором в качестве передатчика и кодирования информации вместо электрического тока (как это реализовано в обычных компьютерах) используется поток когерентных (т.е. согласованных во времени) фотонов.

Одним из первых, кто предложил идею использования в компьютерах световых фотонов вместо электрического тока, был известный учёный и нобелевский лауреат Ричард Фейнман. В 1981 году в своей статье "Simulating physics with computers" он задался вопросом, насколько маленькими и миниатюрными способны стать компьютеры. Учёный знал, что когда компьютеры достигнут размеров атомов и молекул, тогда заработают законы квантовой механики.

Дальнейшие разработки и исследования в данной области привели к появлению понятия "кубит" (англ. Q-bit, quantum bit). В обычных (т.н. классических) компьютерах минимальной единицей измерения информации является бит, которые всё время может быть только в одном из двух состояний (либо "0", либо "1"). Квантовый бит (кубит) же может быть одновременно и нулём, и единицей! Лучше всего это иллюстрирует изображение ниже (см. рис. 1). Образуются же кубиты квантовыми состояниями частиц (к примеру, спиновыми состояниями отдельных электронов).

Рис. 1. 3 кубита квантового регистра против 3 битов классического регистра.

Суперпозиция квантовых состояний позволяет компьютеру, работающему с кубитами, испробовать каждую возможную комбинацию кубитов. В такой системе из 1000 кубитов за кратчайшее время гипотетически можно перебрать параллельно аж 2 в 1000-ой степени возможных решений. Другими словами, квантовый компьютер в теории может превзойти по скорости и производительности самый быстрый из современных классических компьютеров. Именно эта идея и привлекла внимание сначала учёных-исследователей, а затем и большие корпорации такие, как Google, IBM, Intel.

Однако в практической реализации квантовых компьютеров преуспела канадская компания D-Wave Systems. В 2007 году они заявили о создании прототипа квантового компьютера (см. рис. 2).

Рис. 2. Прототип квантового компьютера от D-Wave Systems.

В настоящий момент команда разработчиков из D-Wave Systems перешла на работу в Google. В декабре 2015 года специалисты компании подтвердили, что созданный в D-Wave квантовый компьютер действительно использует квантовые эффекты в своей работе.

Для работы на этих компьютерах даже был разработан высокоуровневый язык программирования, который назвали Quipper. Релиз языка состоялся в 2013 году. Quipper реализован в виде встроенного языка, чьим host-языком является язык Haskell. Представленный ниже пример кода на Quipper реализует подготовку к суперпозиции (см. рис. 3).

Рис. 3. Пример кода на языке Quipper.

В настоящее время массовое производство квантовых компьютеров является всего лишь гипотетической затеей. Существуют две проблемы, связанные с этой затеей: необходимость обеспечить высокую точность измерений, а также возможность разрушения квантовой системы или внесение в неё пагубных изменений за счёт воздействия внешней окружающей среды.

Если присмотреться, то можно заметить, что создание и развитие квантовых компьютеров сейчас идёт по пути создания и развития классических компьютеров. Более того, используя накопленный опыт разработки классических компьютеров, можно создавать и разрабатывать квантовые компьютеры более быстро, чем в своё время их классические аналоги.