Квантова перевага. Як влаштовані новітні суперкомп'ютери і до чого тут кіт Шредінгера

Все почалося у далекому 1900 році, коли німецький фізик-теоретик Макс Планк зробив припущення: енергія поглинається не безупинно, а частинами. Ці частини він назвав квантами (від лат. quantum — "скільки"). А потім понеслося: його гіпотеза стала основою для відкриттів, зроблених Ейнштейном, Бором, Резерфордом, Шредінгером та іншими фізиками, деякі з яких отримали нобелівські премії.

Можливо, у це складно повірити, але незбагненна і важкопояснювана квантова фізика знайшла практичне застосування. Щоразу, беручи в руки флеш-накопичувач або CD, згадуйте про це.

Але флешки і диски дослідників не задовольняли, тому вони вирішили "схрестити" квантову фізику і комп'ютерні обчислення. В результаті вийшов загадковий апарат з безліччю трубочок, призм, дзеркал, лазерів, але без монітора — квантовий комп'ютер. Як нещодавно показала практика, квантовий процесор ("мозок" комп'ютера) здатний за годину впоратися із завданням, на яке у суперкомп'ютера розміром з ангар пішло б вісім років.

Таких результатів досягли вчені Китайського університету науки і технологій в Шанхаї. Перспективи у цих пристроїв дуже райдужні: інженери мріють, що за лічені хвилини квантові ПК зможуть створити найдосконаліший шифр і назавжди покінчити з хакерськими атаками, прискорити розробку систем штучного інтелекту, провести розрахунки для фармацевтів, які допоможуть у створенні дієвих і безпечних ліків. Але до цього далеко. На цьому етапі вчені борються за те, щоб довести всьому світу: квантові комп'ютери здатні перевершити класичні аналоги.

Як влаштований квантовий комп'ютер

Вся обчислювальна техніка, включаючи ПК, працює на основі двійкової системи, що складається з 0 і 1 (їх прийнято називати бітами). Застосування цих двох символів спростило і здешевило виробництво чіпів — "мізків" комп'ютера. Коли відбувається обчислювальний процес, то мікроперемикачі, якими оснащений чіп, або проводять струм, або ні. Тобто вони постійно переключаються з 0 на 1 і назад. Таким чином, їм під силу перебувати в одному з станів — "увімк." або "вимк.", 0 або 1.

Робота квантового чіпа заснована на іншій системі, що складається не тільки з 0 і 1, але і з проміжних значень та їх комбінацій, завдяки чому перемикачі чіпа займають положення між 0 і 1 або можуть бути в положенні 0 і 1 одночасно. Тут варто згадати кота Шредінгера, який, згідно з умовами уявного експерименту, може бути і живий, і мертвий одночасно. Те ж саме відбувається з квантовими бітами (кубітами).

Так у чому ж сенс? Виходить, що поки ПК думає над конкретними відповідями, квантовий аналог ворожить на кубітній гущі? Квантовий комп'ютер справді видає результати з точки зору ймовірності, але його привабливість в іншому.

Пам'ять в кубітах: без кінця і початку

Для обчислювальної техніки важливий параметр — пам'ять. Класичні прилади влаштовані так, що у певний момент їх програма працює з певним осередком пам'яті, що обмежує можливості пристрою. Квантовий комп'ютер здатний одночасно працювати з усіма елементами пам'яті, завдяки описаній вище "мінливості" кубітів. Фізики стверджують, що теоретично кубіти можуть володіти нескінченною пам'яттю. "У квантових комп'ютерах кубіти з якоюсь імовірністю знаходяться в стані 0 або 1. Імовірність — це число. Щоб записати це число якомога точніше, необхідна нескінченна кількість нулів та одиниць. Тому в теорії 1 кубіт — це фізична система з нескінченною пам'яттю", — пояснює у своїй доповіді фізик Анатолій Димарський.

Хто не шокований квантовою теорією, той її не зрозумів

Однак поки що не існує методу, який дозволяє провести точне вимірювання і зробити пропонований точний запис на практиці. Тому обсяги квантової пам'яті все ж обмежені, але все одно вражають. Вчений наводить приклад. Отже, пам'ять вашого ноутбука дорівнює 15 кубітів, суперкомп'ютер має пам'ять, яка дорівнює 40 кубітів, а ось 60 кубітів здатні вмістити всю пам'ять всіх обчислювальних центрів світу, разом узятих. Саме в колосальній ємності кубітів і є вся принадність квантових обчислень.

З третього разу: як проходить пошук найкращого рішення

Але повернемося до математичних здібностей такого комп'ютера. На перший погляд він здається марним у плані обчислень: тоді як суперкомп'ютер дає чітку і конкретну відповідь, квантовий аналог розкидається масою варіантів. Кого таке може влаштувати? Повірте, багатьох.

Отже, перебуваючи в положенні кота Шредінгера, квантова система прораховує всі можливі варіанти вирішення завдань, шукає найоптимальніші з них і пропонує кращий в як такий, що найбільше підходить. Отримавши пул коректних відповідей, ми зможемо перевірити, наскільки вони правильні. Якщо відповіді були неправильними, варто провести розрахунки ще раз. В результаті досить трьох перезапусків, щоб отримати ідеально правильну відповідь.

Квантова "сплутаність": у чому мінуси системи

Як це не дивно, але чим більше пам'яті у квантового комп'ютера, тим складніше з ним працювати. Так що в кубітах його сила і слабкість одночасно. Справа у тому, що зі збільшенням кількості квантових бітів, а отже і пам'яті, система ускладнюється і її стає все важче підтримувати в ізольованому стані, а це обов'язкова умова, інакше нічого не працюватиме.

Також важливий часовий параметр: чим довше ви експлуатуєте систему, тим більш нестабільною вона стає. При нестабільному стані збільшується ймовірність її взаємодії з навколишнім середовищем, і якщо це трапиться, то осередки квантової пам'яті зруйнуються і перетворяться в шум. Саме з такої причини вчені обмежують кількість операцій з кубітами. Це є великою проблемою, що стоїть на шляху розвитку квантових обчислень.

Але є і зрушення. Студент університету Сіднея Пабло Бонілья Атайдес, схоже, знайшов спосіб зробити так, щоб знизити чутливість кубітів до зовнішнього середовища. Більшість вчених, які займаються цією проблемою, усувають шуми шляхом охолодження пристрою до вкрай низьких температур. Але не у всіх випадках метод ефективний. Атайдес пропонує коригувати помилки шляхом перемикання станів кубітів таким чином, щоб їх положення під час перешкод було найбільш оптимальним.

Хто досяг квантової переваги

Не так давно інженери компанії IBM заявили, що їм вдалося дослідним шляхом довести: квантові комп'ютери ефективніші за класичні. У своїй роботі вчені досліджували "обчислення в обмеженому просторі", що дозволяють продемонструвати фундаментальну перевагу обчислень з кубітами над класичними бітами. Дослідники математично довели, що існують завдання, які класичний комп'ютер не може обрахувати, оскільки обмежений лише одиницею і нулем, але квантовий комп'ютер може з ними впоратися. На теорії вчені не зупинилися і провели експеримент, за участю неідеального ("шумного") квантового комп'ютера і класичного. Для вирішення завдання звичайний комп'ютер використовував електросхему з одним логічним елементом з двома входами і одним регістром (бітом) для зберігання проміжних результатів. Квантова ж схема будувалася на чотирьох кубітах, три з яких кодували вхідний сигнал, а четвертий зберігав проміжний результат.

Кожна з систем отримувала дані, обробляла і видавала результат. Звичайний комп'ютер отримував нулі та одиниці. Якщо нулів було більше, ніж одиниць, то він повинен був видати відповідь "0". Якщо одиниць було більше, то правильною була відповідь "1". В результаті класичний комп'ютер дав правильний результат у 87,5% випадків, тоді як квантовий аналог досяг успіху у 93% випадків. Тест показує, що квантові комп'ютери, навіть "шумні", є потужнішими обчислювальними інструментами.

Де і як ми зможемо застосувати квантові обчислення

Сфера застосування №1 — криптографія. Квантовий комп'ютер здатний буде спроектувати систему зв'язку, якій не страшні ні злом, ні прослуховування. Справа у тому, що квантова криптографія базується не на правилах математики, а на правилах фізики. Це означає, що інформація переноситься каналами зв'язку не у вигляді цифрового коду, а за допомогою об'єктів квантової механіки, що володіють фізичними засобами. Такими об'єктами можуть служити електрони в електричному струмі або фотони в лініях волоконно-оптичного зв'язку. Якщо хтось захоче підслухати вашу розмову, яку ви ведете за допомогою квантового смартфона, ви відразу про це дізнаєтеся. Система зафіксує сторонні шуми, які свідчать про те, що третя сторона руйнує вихідні сигнали, намагаючись вклинитися.

Квантові обчислення також будуть використовуватися в біоінженерії, наприклад, для моделювання ДНК-молекул. Принести користь вони можуть і фармакологам при розробці препаратів, адже під час розрахунків протеїни розглядаються як мікроскопічні квантові об'єкти. Вони, як і кубіти, приймають найрізноманітніші стани, а тому симулювати їх поведінку найточніше зможе квантовий комп'ютер.

Зрозуміти, як взаємодіють атоми тих чи інших речовин, і змоделювати новий матеріал теж допоможуть кубіти. Можливо, вченим вдасться легко і просто придумати "новий графен".

Алгоритми машинного навчання, на роботі яких базується будь-яка ШІ-система, вимагають неабияких обчислювальних потужностей, з якими якнайкраще впорається квантовий обчислювальний пристрій. Такі галузі, де потрібно одночасно вирішувати безліч завдань, також вимагають ефективності квантових обчислень. До них належать транспортні системи, логістика, енергетика. Нарешті, з появою все більшої кількості пристроїв настане ера квантового інтернету, прототип якого вже розробляють у Нідерландах.