Чотири десятиліття тому комп'ютерні інженери теоретично припускали, що дивовижну механіку квантової фізики можна використати для створення нового типу комп'ютера, який буде потужнішим за звичайні машини. Сьогодні провідні IT-гіганти розробляють такі ПК, здатні виконувати обчислення, які ставлять в глухий кут найпотужніші суперкомп'ютери. Але поки це лише експерименти.

У цій статті ми розповіли, що таке квантовий комп’ютер, як він працює, які компанії можуть похизуватися першими моделями та що зможе ця диво-машина.

Різниця між бітом та кубітом. Джерело: tokar

Що таке квантовий комп’ютер

Квантовий комп'ютер ― це пристрій, який використовує принципи квантової механіки для виконання певних обчислень. І робить це він набагато швидше, ніж класичний ПК.

Звичні для нас смартфони та ноутбуки для кодування інформації використовують бінарну (двійкову) систему, що складається з нуля та одиниці. Квантові комп'ютери ― кубіти (квантові біти).

Кубіт ― це квантово-механічний аналог класичного біта. Він може бути нулем, одиницею або обома одночасно. Ця властивість називається суперпозицією. Тобто стан одного кубіта залежить від стану іншого.

Саме завдяки цьому квантові комп’ютери можуть водночас розв’язувати велику кількість можливих комбінацій, що сприяє прискоренню вирішення завдань. І те що звичайний ПК робить роками, квантовий може зробити менше, ніж за секунду.

Історія квантових комп’ютерів

Одну з перших ідей, пов’язаних з квантовими обчисленнями, запропонував у 1980-х роках фізик Річард Фейнман. Він стверджував, що квантові комп'ютери потенційно можуть моделювати фізичні системи більш ефективно, ніж звичайні ПК.

На початку 1990-х дослідники Пітер Шор та Лов Гровер розробили алгоритми, які показали, що квантові комп’ютери можуть швидко робити факторизацію чисел та здійснювати пошук у базі даних.

Першу експериментальну демонстрацію квантового алгоритму у 1994 році провела команда науковців під керівництвом Ісаака Чуанга в Лос-Аламоській національній лабораторії. Використовуючи невелику кількість атомів як кубіти, фахівці змогли продемонструвати принципи квантових обчислень.

У 1998 році був побудований 2-кубітний квантовий комп'ютер, який розв'язав перші квантові алгоритми, зокрема алгоритм Гровера.

Відтоді квантові обчислення досягли значних успіхів, а такі компанії, як Google, IBM та Microsoft, інвестують значні кошти в цю галузь. У 2017 році компанія IBM представила перший квантовий комп'ютер комерційного використання, піднявши перегони на новий рівень.

Переваги квантових комп’ютерів порівняно з традиційними

• Швидкість. Квантові ПК виконують обчислення набагато швидше, ніж звичайні. Це призведе до значних покращень у таких галузях, як криптографія, винайдення ліків та фінансове моделювання.
• Паралельна обробка. Один квантовий комп'ютер може робити декілька обчислень одночасно завдяки властивості суперпозиції.
• Оптимізація. Підходять для розв'язання задач, які вимагають пошуку найкращого рішення з великої кількості можливостей.
• Моделювання. Їх можна використовувати для моделювання квантових систем, які важко або неможливо змоделювати за допомогою класичних комп'ютерів. Це має важливе значення для таких галузей, як квантова хімія та матеріалознавство.
• Криптографія. Ці машини можуть зламати багато алгоритмів шифрування, що застосовуються для захисту інформації в інтернеті. Це пов'язано з тим, що деякі алгоритми шифрування залежать від складності факторизації великих чисел, яку квантовий комп'ютер може легко вирішити. Водночас його можна використовувати для розробки нових форм криптографії.

Для чого планують використовувати квантові комп’ютери

Над розробкою працюють лабораторії різних IT-компаній. Але поки що вони не здатні на те, що від них очікують. Тому нинішнє використання цих машин характеризують передусім як тестове, що дає можливість поекспериментувати та зрозуміти як працює квантовий комп’ютер.

Наприклад, під час пандемії коронавірусу італійська футбольна ліга тестувала квантовий ПК для планування матчів таким чином, щоб гравці різних команд могли максимально уникнути контактів один з одним.

Google Quantum AI спільно зі співробітниками фармацевтичної компанії Boehringer Ingelheim, партнерами зі стартапу QSimulate та науковими колегами з Колумбійського університету за допомогою квантового ПК досліджували електронну структуру цитохрому P450 ― це сімейство ферментів, які природно присутні в організмі людини і допомагають метаболізувати ліки. Дослідники дійшли висновку, що квантовий комп’ютер може допомогти визначити наскільки ефективним буде фермент для конкретного препарату.

Квантові ПК планують застосовувати в криптографії. Вони зможуть зламати сучасні алгоритми шифрування. У матеріалознавстві машини моделюватимуть молекулярні структури на атомному рівні, що дозволить ефективніше досліджувати ті чи інші дані.

Нові машини пришвидшать вирішення багатьох складних оптимізаційних задач та допоможуть обрати найкраще рішення з низки можливих. Вони стануть у пригоді в логістиці, фінансовій сфері, енергетиці, метеорології тощо.

Підключення до суперкомп'ютерів

Наразі квантові комп'ютери підключаються до високопродуктивних обчислювальних центрів, де знаходяться суперкомп'ютери.

Квантовий комп'ютер не призначений замінити супер ПК, він доповнюватиме його та застосовуватиметься для специфічних обчислень. На думку деяких дослідників, він не матиме власного користувацького інтерфейсу, тому доступ до нього здійснюється через суперкомп'ютер.

Хто працює над створенням квантових комп’ютерів

IBM
Компанія IBM, один з лідерів у галузі квантових обчислень, випустила Quantum System Two ― модульний квантовий комп'ютер, що працює на базі чіпа Heron. Чіп покращує «виправлення помилок», борючись з декогеренцією. Це явище, яке призводить до втрати квантових станів у квантовій системі. Також нещодавно IBM представила Condor, надпровідний квантовий процесор на 1121 кубіт.

Нашумівший квантовий комп'ютер Google

Google
У 2019 році лабораторія Google Quantum AI оголосила, що досягла «квантової переваги» завдяки своєму квантовому комп'ютеру Sycamore.

У 2023 році стало відомо, що компанія розробила квантовий супер ПК, який, як стверджують у Google, може виконати обчислення за 6,7 секунди, на які у найпотужнішого суперкомп’ютера у світі Frontier пішло б 47 років.

Amazon
У 2019 році Amazon Web Services створила центр квантових обчислень у кампусі Каліфорнійського технологічного інституту, де Річард Фейнман вперше запропонував ідею побудови квантового комп'ютера на початку 1980-х років.

Amazon Brakeet ― повністю керований сервіс квантових обчислень, який надає доступ до квантового обладнання від різних постачальників, включаючи IonQ, Rigetti, Oxford Quantum Circuits, QuEra та власний квантовий симулятор Amazon Brakeet Quantum Simulator. Нещодавно AWS представила розроблений на замовлення чіп власного виробництва, який може пригнічувати помилки у 100 разів, використовуючи пасивний підхід до виправлення помилок.

Microsoft
Microsoft Azure надає повний набір інструментів та ресурсів для квантових обчислень, а також активно працює над розробкою масштабованого та відмовостійкого квантового комп'ютера. Платформа Azure Quantum надає доступ до квантового обладнання, симуляторів та інструментів розробки, що дозволяє користувачам експериментувати з квантовими алгоритмами та досліджувати потенціал цих обчислень.

Intel
Працює над створенням комерційної квантової системи з повним стеком. Нещодавно компанія випустила 12-кубітний кремнієвий чіп Tunnel Falls, спрямований на просування досліджень спінового кубіта кремнію. Компанія планує інтегрувати чіп у свій повний квантовий стек за допомогою набору для розробки квантового програмного забезпечення Intel Quantum Software Development Kit.

Також планує випустити квантовий чіп наступного покоління у 2024 році та оголосила про партнерство з Чиказьким та Токійським університетами для просування розробки відмовостійкого квантового комп'ютера.

Питання кібербезпеки

Як відомо, вся інформація в інтернеті захищена шифруванням. Традиційним ПК потрібні сотні років, щоб розшифрувати її. Однак квантові комп’ютери можуть це зробити за лічені хвилини. Якщо експерименти над квантовими ПК закінчаться успішно, то всі протоколи безпеки потрібно буде замінювати на нові та робити їх складнішими.

Таким станом речей занепокоєні США, і саме тому ще у 2022 році американський уряд оголосив, що починає розробляти програму квантового захисту. У Сполучених Штатах побоюються, що якщо перший працюючий квантовий ПК з’явиться у Китаї, це стане катастрофою небаченого масштабу.

Все чудово, проте є одне але

Наразі квантові комп’ютери чутливі до підвищених температур, електромагнітних полів та молекул повітря. Ці зовнішні чинники можуть спричинити втрату квантових властивостей кубітів. Як ми писали вище, це явище має назву квантова декогеренція. Це коли може відбутися відмова системи. І саме тому квантові комп’ютери можуть помилятися.

Щоб забезпечити захист кубітів, квантові комп’ютери фізично ізолюють їх та підтримують низьку температуру. Будь-яке втручання у цей «живий» процес вимагає повторного налаштування та обчислень.