Квантовые компьютеры используют законы квантовой механики для обработки информации. Благодаря этому они могут решать некоторые сложные задачи эффективнее обычных компьютеров, например моделировать поведение молекул и других микроскопических систем. Такие устройства уже существуют, но пока не способны заменить привычные ноутбуки и смартфоны. Разберёмся, как работают квантовые компьютеры, что такое кубиты и где могут пригодиться квантовые вычисления.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного
Обычный компьютер хранит и обрабатывает информацию с помощью битов. Каждый бит принимает одно из двух значений — 0 или 1.
Из битов составляются более сложные данные. Например, два бита могут образовать четыре комбинации: 00, 01, 10 и 11.
С помощью последовательностей нулей и единиц компьютер кодирует числа, текст, изображения и другие данные. Программы задают операции, которые нужно выполнить с этими данными.
Квантовый компьютер тоже получает информацию, выполняет операции и выдаёт результат. Но вместо обычных битов для вычислений он использует кубиты. Их состояния подчиняются законам квантовой механики.
Что такое кубит
Кубит — минимальная единица квантовой информации. Его можно сравнить с битом в обычном компьютере, но между ними есть важное различие.
Что такое суперпозиция
Суперпозиция означает, что квантовое состояние представляет собой сочетание двух базовых состояний. Но при измерении кубита можно получить только один результат — 0 или 1, причём с определённой вероятностью.
Если одинаково подготовить кубит и много раз повторить эксперимент, результаты будут распределяться с определёнными вероятностями. Квантовые алгоритмы используют возможность менять состояние кубита до измерения и тем самым влиять на эти вероятности.
Что происходит, когда кубитов несколько
Один кубит имеет два базовых состояния. У системы из двух кубитов их четыре: 00, 01, 10 и 11. У трёх — восемь, у четырёх — 16.
Например, система из десяти кубитов имеет 1024 базовых состояния, а из 20 — уже 1 048 576.
Кубиты могут образовывать запутанные состояния. Это означает, что их квантовые состояния связаны и систему нужно описывать как единое целое. Например, можно подготовить два кубита так, что при измерении они всегда будут давать одинаковые результаты: либо 00, либо 11. При этом заранее неизвестно, какой именно результат получится.
Как квантовый компьютер получает ответ
Для вычислений состояния кубитов изменяют с помощью квантовых гейтов — операций над одним или несколькими кубитами. Последовательность таких операций называют квантовой схемой.
Во время вычисления алгоритм управляет состояниями кубитов и использует интерференцию. Это явление, при котором компоненты квантового состояния могут усиливать или ослаблять друг друга, подобно волнам. Благодаря интерференции алгоритм может увеличивать вероятность одних результатов и уменьшать вероятность других.
В упрощённом виде вычисление проходит так:
- Кубиты подготавливают к работе.
- С помощью квантовых гейтов изменяют их состояния, чтобы повлиять на вероятности возможных результатов.
- Кубиты измеряют и получают обычные значения — нули и единицы.
- При необходимости вычисление повторяют много раз, чтобы оценить распределение результатов.
Поэтому выражение «квантовый компьютер перебирает все варианты одновременно» неточно. Суперпозиция позволяет системе работать с комбинацией возможных состояний, но при измерении нельзя получить их все сразу.
Для чего нужны квантовые компьютеры
Поведение атомов, электронов и молекул подчиняется законам квантовой механики, а точное моделирование сложных систем требует от обычных компьютеров огромных вычислительных ресурсов.
Квантовые вычисления исследуют, например, для изучения химических реакций и свойств материалов. В будущем это может помочь при разработке новых материалов, лекарств и других технологий.
Пока большинство таких применений остаётся предметом исследований. Однако эксперименты уже показывают квантовое преимущество в отдельных специально подобранных вычислениях: квантовые системы справляются с ними лучше доступных классических методов.
Как квантовые компьютеры связаны с шифрованием
Одно из самых известных возможных применений квантовых вычислений связано с криптографией — защитой информации.
В 1994 году математик Питер Шор предложил квантовый алгоритм, который позволяет эффективно решать некоторые математические задачи, в том числе раскладывать большие целые числа на простые множители.
На сложности таких задач основана защита некоторых распространённых криптографических систем.
Современные квантовые компьютеры пока не способны взламывать используемые на практике криптографические ключи с помощью алгоритма Шора. Но подготовка к появлению более мощных систем уже идёт.
В 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) утвердил первые три стандарта постквантовой криптографии. Они предназначены для защиты информации в том числе от будущих атак с использованием квантовых компьютеров.
Почему квантовые компьютеры пока сложно использовать
Кубиты чувствительны к окружающей среде. На их состояние могут влиять изменения температуры, электрические и магнитные поля и другие внешние воздействия.
Из-за взаимодействия с окружением квантовая система может потерять свойства, необходимые для вычисления. Этот процесс называют декогеренцией.
Ошибки возникают и во время операций над кубитами. Чем больше кубитов и чем дольше идёт вычисление, тем сложнее точно управлять системой.
Для решения этой проблемы исследователи разрабатывают квантовую коррекцию ошибок. Один из подходов позволяет объединять несколько физических кубитов для создания более надёжного логического кубита и исправлять часть возникающих ошибок.
Но такая коррекция сама требует дополнительных кубитов и операций.
Можно ли пользоваться квантовым компьютером уже сейчас
Квантовые процессоры уже работают в исследовательских центрах, университетах и технологических компаниях. К некоторым из них можно получить удалённый доступ через облачные сервисы.
Например, такие возможности предоставляет IBM Quantum. Через облачную платформу можно запускать квантовые схемы на настоящих процессорах и изучать, как работают квантовые вычисления.
Часто задаваемые вопросы
Почему квантовые компьютеры называют квантовыми?
Потому что их работа основана на законах квантовой механики — раздела физики, который изучает поведение микроскопических систем, например атомов и электронов. Именно квантовые свойства позволяют кубитам находиться в суперпозиции и образовывать запутанные состояния.
Как научиться программировать квантовый компьютер?
Начать можно с изучения Python — языка программирования, на котором пишут в том числе программы для квантовых компьютеров. Затем попробовать Qiskit — бесплатный набор инструментов, с помощью которого можно создавать простые квантовые программы и проверять их работу на обычном компьютере. Для начала не нужен собственный квантовый компьютер, а разобраться в более сложных программах помогут знания математики и физики.
Можно ли купить квантовый компьютер для дома?
Пока такие компьютеры не подходят для домашнего использования. Для их работы нужно сложное оборудование, а некоторые системы требуют охлаждения до температур, близких к абсолютному нулю.
Главное
Квантовые компьютеры обрабатывают информацию с помощью кубитов, состояния которых подчиняются законам квантовой механики.
Квантовые технологии могут пригодиться для моделирования молекул, разработки материалов и решения других сложных задач. Но пока такие компьютеры в основном используют для исследований: их развитию мешают ошибки и нестабильность кубитов.
