Многие гиганты IT-индустрии такие, как IBM, Microsoft и Google, стремятся создать стабильные квантовые компьютеры, поскольку пока к их работе много вопросов. Некоторые страны вкладывают в эту технологию будущего миллиарды.

Недавно в Google заявили, что смогли достигнуть квантового превосходства. Квантовый компьютер впервые превзошел традиционный. Но что такое квантовые вычисления и как это работает? Что отличает квантовые компьютеры от обычных и как они могут изменить мир?


Квантовый компьютер Google. Фото: cnet.com

Квантовый компьютер использует явления квантовой механики, чтобы обеспечить огромный скачок в вычислительной мощности. Квантовые машины обещают опередить даже самые мощные из современных и будущих суперкомпьютеров.

Однако полностью заменить классические компьютеры не получится. Использование обычного компьютера по-прежнему будет самым простым и экономичным решением для большинства задач. Но квантовые компьютеры обещают достичь небывалых достижений в различных областях, от материаловедения до фармацевтических исследований. Компании уже экспериментируют с ними, чтобы разработать более легкие и мощные аккумуляторы для электромобилей или помочь в создании новых лекарств.

Секрет мощности квантового компьютера заключается в его способности генерировать и манипулировать квантовыми битами — кубитами.


Скульптура кубита. Фото: cnet.com

Биты против Кубитов

Одно из самых больших различий между классическими компьютерами и их «превосходными аналогами» — это разные единицы измерения информации.

Обычный компьютерный чип использует биты для обработки и хранения информации в форме потока электрических или оптических импульсов, представляющих нули и единицы. Каждое приложение, сайт или цифровая фотография в конечном итоге состоят из миллионов этих битов, в виде множественных комбинаций строк единиц и нулей.

Однако квантовые компьютеры используют кубиты, которые обладают некоторыми квантовыми свойствами, чтобы одновременно находиться в стадии нуля и единицы и представляют собой субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Одно из этих свойств известно как суперпозиция, а другое — запутанность.

Создание и управление кубитами — это научная и инженерная задачи. Цель состоит в том, чтобы изолировать кубиты в контролируемом квантовом состоянии. Связанная группа из них может обеспечить гораздо большую вычислительную мощность, чем классические компьютеры.


Фото: cnet.com

Как работают квантовые компьютеры

Суперпозиция

Кубиты могут находиться в так называемой «суперпозиции». Возьмем для примера обычную монету. У нее есть 2 стороны: орел и решка. Если ее подкинуть, есть два шанса, что она приземлится на одну сторону или на другую. Пока монетка не упадет, конечный результат не ясен. «Суперпозиция» похожа на вращающуюся монету, и именно из-за этого свойства квантовые компьютеры такие мощные. «Суперпозиция» позволяет кубиту находиться в нескольких состояниях одновременно.

Например, если дать задачу обычному компьютеру найти выход из лабиринта, он попробует каждую ветку по очереди, проходя их по отдельности, пока не найдет нужную. Квантовый компьютер может проходить оба пути одновременно.

Реклама на Компьютерре

Чтобы поместить кубиты в суперпозицию, исследователи манипулируют ими, используя точные лазеры или микроволновые лучи.

Запутанность

Запутанность, или, как выразился Эйнштейн, «жуткие дальнодействия» — это способность кубитов мгновенно общаться друг с другом, независимо от того, насколько они удалены друг от друга. Обычно, если подбросить две монеты, результат одного броска монеты не имеет никакого отношения к результату другой. Они независимы. В запутанности две частицы связаны друг с другом, даже если они физически разделены. Если одна монета упала на решку, другая тоже будет решкой.

Звучит как магия, и физики на самом деле до сих пор не до конца понимают, как и почему это работает (даже Эйнштейна это сбивало с толку). Но это ключ к мощности квантовых компьютеров. В обычном компьютере удвоение количества бит удваивает его вычислительную мощность. Но благодаря запутанности добавление дополнительных кубитов к квантовой машине приводит к значительному увеличению ее способности к сокращению чисел.

Фото: cnet.com

Какие задачи могут выполнять такие компьютеры

У них есть потенциал, чтобы ускорить развитие искусственного интеллекта. Google уже использует их для улучшения программного обеспечения автомобилей с автоматическим управлением. Они также будут необходимы для моделирования химических реакций.

Одним из наиболее многообещающих приложений квантовых компьютеров является моделирование поведения вещества вплоть до молекулярного уровня. Это может означать более эффективные продукты — от новых материалов для батарей в электромобилях, до более качественных и дешевых лекарств или значительно улучшенных солнечных батарей. Ученые надеются, что квантовые симуляции могут даже помочь найти лекарство от болезни Альцгеймера.

Квантовые компьютеры найдут применение везде, где есть большая, неопределенная и сложная система, которую необходимо смоделировать. Это может быть что угодно, от прогнозирования финансовых рынков до улучшения прогнозов погоды.

Когда квантовые компьютеры появятся в магазинах

Скорее всего никогда. В основном они будут использоваться учеными и предприятиями, которые, вероятно, будут иметь к ним удаленный доступ. Это сложнейшая технология в освоении и производстве, поэтому серийное производство не рассматривается.


Фото: habr.com

Выводы

Квантовые компьютеры — это будущее компьютерных технологий. Но с новыми технологиями возникают новые проблемы, и такие вещи, как декогеренция, являются основной проблемой при разработке подобных устройств.

Исследователи добились большого прогресса в создании алгоритмов, которые будут использовать квантовые компьютеры, но сами устройства все еще нуждаются в гораздо большем объеме работ.

Квантовые компьютеры когда-нибудь смогут полностью раскрыть свой потенциал. Университеты и предприятия, работающие над ними, сталкиваются с нехваткой квалифицированных исследователей в этой области и отсутствием поставщиков некоторых ключевых компонентов. Но если эти новые вычислительные машины оправдают ожидания разработчиков, они могут трансформировать целые отрасли и стимулировать появление глобальных инноваций.