Как работает Квантовый Компьютер?
Если вы понимаете, как работают эти системы, тогда вы понимаете, почему они могут изменить все.
Если бы кто-то попросил вас представить квантовый компьютер, что бы вы увидели в своем воображении?
Может быть, вы видите обычный компьютер-просто больше, с какой-то таинственной физической магией внутри? Забудьте о ноутбуках или настольных компьютерах. Забудьте о компьютерных фермах серверов. Квантовый компьютер принципиально отличается как по внешнему виду, так и ,что более важно, по способу обработки информации.
В настоящее время существует несколько способов создания квантового компьютера. Но давайте начнем с описания одного из ведущих проектов, чтобы объяснить, как он работает.
Представьте себе нить накаливания лампочки, висящую вверх ногами, но это самый сложный свет, который вы когда-либо видели. Вместо одного тонкого витка проволоки он организовал серебристые рои их, аккуратно оплетенные вокруг сердечника. Они расположены слоями, которые сужаются по мере продвижения вниз. Золотые пластины разделяют конструкцию на секции.
Внешняя часть этого сосуда называется люстрой. Это холодильник с наддувом, который использует специальную смесь сжиженного гелия для охлаждения квантового чипа компьютера почти до абсолютного нуля. Это самая холодная теоретически возможная температура.
При таких низких температурах крошечные сверхпроводящие цепи в чипе приобретают свои квантовые свойства. И именно эти свойства, как мы вскоре увидим, могут быть использованы для выполнения вычислительных задач, которые были бы практически невозможны на классическом компьютере.
Традиционные компьютерные процессоры работают в двоичном формате —миллиарды транзисторов, которые обрабатывают информацию на вашем ноутбуке или смартфоне, либо включены (1), либо выключены (0). Используя ряд схем, называемых “вентилями”, компьютеры выполняют логические операции, основанные на состоянии этих переключателей.
Классические компьютеры созданы для того, чтобы следовать определенным негибким правилам. Это делает их чрезвычайно надежными, но также делает их непригодными для решения определенных видов проблем-в частности, проблем, когда вы пытаетесь найти иголку в стоге сена.
Вот где блистают квантовые компьютеры.
Если вы представляете себе компьютер , решающий задачу, как мышь бегущую по лабиринту, классический компьютер находит свой путь, пробуя каждый путь, пока не достигнет конца.
Что, если вместо того, чтобы решать лабиринт методом проб и ошибок, вы могли бы рассмотреть все возможные маршруты одновременно?
Квантовые компьютеры делают это, заменяя двоичные “биты” классических вычислений чем-то вроде “кубитов”. Кубиты действуют в соответствии с таинственными законами квантовой механики: теория, согласно которой физика работает по-разному на атомном и субатомном уровне. Класический способ продемонстрировать квантовую механику - светить через барьер с двумя щелями. Часть света проходит через верхнюю щель, часть-через нижнюю, и световые волны сталкиваются друг с другом, создавая интерференционную картину.
Но теперь притушите свет, пока вы не начнете стрелять отдельными фотонами один за другим—элементарными частицами, которые составляют свет. По логике вещей, каждый фотон должен пройти через одну щель, и им не нужно ни во что вмешиваться. Но каким-то образом вы все равно получаете интерференционную картину.
Вот что происходит согласно квантовой механике: пока вы не обнаружите их на экране, каждый фотон существует в состоянии, называемом “суперпозицией”. Как будто он путешествует всеми возможными путями сразу. То есть до тех пор, пока состояние суперпозиции “не рухнет” под наблюдением, чтобы выявить единственную точку на экране.
Кубиты используют эту способность для очень эффективных вычислений.
В примере с лабиринтом состояние суперпозиции будет содержать все возможные маршруты. И тогда вам придется свернуть состояние суперпозиции, чтобы выявить наиболее вероятный путь к сыру.
Точно так же, как вы добавляете больше транзисторов, чтобы расширить возможности вашего классического компьютера, вы добавляете больше кубитов, чтобы создать более мощный квантовый компьютер.
Благодаря квантово-механическому свойству, называемому “запутанностью”, ученые могут приводить несколько кубитов в одно и то же состояние, даже если они не находятся в контакте друг с другом. И хотя отдельные кубиты существуют в суперпозиции двух состояний, это увеличивается экспоненциально по мере того, как вы связываете больше кубитов друг с другом. Таким образом, двухкубитовая система хранит 4 возможных значения, а 20-кубитовая-более миллиона.
Так что же это означает для вычислительной мощности? Это помогает думать о применении квантовых вычислений к реальной проблеме: проблеме простых чисел.
Простое число-это натуральное число, большее 1, которое может быть разделено только равномерно само по себе или 1.
В то время как легко умножить маленькие числа на гигантские, гораздо сложнее идти в обратном направлении; вы не можете просто посмотреть на число и определить его факторы. Это является основой для одной из самых популярных форм шифрования данных, называемой RSA.
Вы можете расшифровать безопасность RSA только путем факторинга произведения двух простых чисел. Каждый простой фактор обычно состоит из сотен цифр, и они служат уникальными ключами к проблеме, которая фактически неразрешима без предварительного знания ответов.
В 1995 году математик Питер Шор, работавший тогда в AT&T Bell Laboratories, разработал новый алгоритм факторинга простых чисел любого размера. Однажды квантовый компьютер сможет использовать свою вычислительную мощь и алгоритм Шора, чтобы взломать все, от банковских записей до личных файлов.
В 2001 году IBM создала квантовый компьютер с семью кубитами для демонстрации алгоритма Шора. Для кубитов они использовали атомные ядра, которые имеют два различных спиновых состояния, которыми можно управлять с помощью радиочастотных импульсов.
Это был не самый лучший способ создать квантовый компьютер, потому что его очень трудно масштабировать. Но ему удалось запустить алгоритм Шора и фактор 15 в 3 и 5. Вряд ли впечатляющий расчет, но все же большое достижение в простом доказательстве работы алгоритма на практике.
Даже сейчас специалисты все еще пытаются заставить квантовые компьютеры работать достаточно хорошо, чтобы превзойти классические суперкомпьютеры.
Это остается чрезвычайно сложной задачей, главным образом потому, что квантовые состояния хрупки. Трудно полностью остановить взаимодействие кубитов с внешней средой, даже с помощью точных лазеров в переохлажденных или вакуумных камерах.
Любой шум в системе приводит к состоянию, называемому “декогеренцией”, когда суперпозиция нарушается, и компьютер теряет информацию.
Небольшая погрешность естественна в квантовых вычислениях, потому что мы имеем дело с вероятностями, а не со строгими правилами двоичной системы. Но декогеренция часто создает столько шума, что затемняет результат.
Когда один кубит переходит в состояние декогеренции, запутанность, которая позволяет всей системе разрушаться.
Так как же это исправить? Ответ называется исправлением ошибок-и это может произойти несколькими способами.
Исправление ошибок № 1: Полностью исправленный квантовый компьютер может обрабатывать обычные ошибки, такие как “битовые перевороты”, когда кубит внезапно переходит в неправильное состояние.
Для этого вам нужно будет построить квантовый компьютер с несколькими так называемыми “логическими кубитами, которые на самом деле делают математику, и кучей стандартных кубитов, которые исправляют ошибки.
Потребуется много исправляющих ошибки кубитов-может быть, 100 или около того на логический кубит-чтобы заставить систему работать. Но конечным результатом будет чрезвычайно надежный и в целом полезный квантовый компьютер.
Исправление ошибок № 2: Другие эксперты пытаются найти хитроумные способы видеть сквозь шум, создаваемый различными ошибками. Они пытаются построить то, что они называют “шумными квантовыми компьютерами промежуточного масштаба”, используя другой набор алгоритмов.
Это может сработать в некоторых случаях, но, вероятно, не во всех.
Исправление ошибок № 3: Другая тактика заключается в том, чтобы найти новый источник кубитов, который не так восприимчив к шуму, например “топологические частицы”, которые лучше сохраняют информацию. Но некоторые из этих экзотических частиц (или квазичастиц) являются чисто гипотетическими, так что эта технология может быть отложена на годы или десятилетия.
Из-за этих трудностей квантовые вычисления развивались медленно, хотя и имели некоторые значительные достижения.
В 2019 году Google использовала 54-кубитный квантовый компьютер под названием “Платан”, чтобы сделать невероятно сложную (хотя и бесполезную) симуляцию менее чем за 4 минуты—запустить квантовый генератор случайных чисел миллион раз, чтобы проверить вероятность различных результатов.
Сикамор работает совсем не так, как квантовый компьютер, созданный IBM для демонстрации алгоритма Шора. Платан берет сверхпроводящие цепи и охлаждает их до таких низких температур, что электрический ток начинает вести себя как квантово-механическая система. В настоящее время это один из ведущих методов построения квантового компьютера, наряду с улавливанием ионов в электрических полях, где различные энергетические уровни аналогично представляют различные состояния кубита.
Платан был крупным прорывом, хотя многие инженеры не согласны с тем, насколько серьезным. Google заявила, что это была первая демонстрация так называемого квантового преимущества: достижение задачи, которая была бы невозможна для классического компьютера.
В нем говорилось, что лучшему в мире суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет, чтобы выполнить ту же задачу. IBM оспорила это утверждение.
По крайней мере, сейчас серьезные квантовые компьютеры находятся в отдалении. Но с миллиардами долларов инвестиций от правительств и крупнейших мировых компаний гонка за возможностями квантовых вычислений идет полным ходом. Реальный вопрос заключается в том, как квантовые вычисления изменят то, что “компьютер” на самом деле означает для нас. Как это изменит то, как работает наш электронный мир? И когда?
