Google, IBM и Amazon уже инвестируют миллиарды в квантовые технологии, а банки, фармацевтические компании и исследовательские центры тестируют их для финансовых прогнозов, создания лекарств и даже кибербезопасности. Почему квантовые компьютеры это будущее и в чем их преимущество - разбираемся в статье.

Что такое квантовый компьютер 

Квантовые компьютеры — это машины, которые используют свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений. Благодаря этому они могут превзойти даже самые мощные суперкомпьютеры.
Классические компьютеры, к которым относятся смартфоны и ноутбуки, кодируют информацию в двоичных «битах», которые могут быть 0 или 1. В квантовом компьютере основной единицей памяти является квантовый бит или кубит.

История возникновения квантового компьютера 

В 1980-х годах физик Ричард Фейнман предложил одну из первых идей, связанных с квантовыми вычислениями. Он предположил, что квантовые компьютеры способны эффективнее моделировать физические системы, чем классические вычислительные устройства.
Уже через десять лет Питер Шор и Лов Гровер создали алгоритмы, которые доказали преимущества квантовых технологий в быстрой факторизации чисел и поиске в базах данных. А уже в 1994 году команда ученых под руководством Исаака Чуанга впервые продемонстрировала работу квантового алгоритма, используя атомы как кубиты в Лос-Аламосской национальной лаборатории.
В 2000 году ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали первый квантовый компьютер на основе ионной ловушки. Квантовые биты (кубиты) в этом устройстве манипулировались с помощью лазеров, что позволяло проводить простые логические операции. Это был один из первых шагов к практическому использованию квантовых технологий в будущем.

Краткая история квантовых вычислений, источник Quantumpedia

Что такое кубит и как работают квантовые компьютеры

Квантовые компьютеры имеют много общего с классическими. Например, оба типа компьютеров обычно имеют микросхемы, схемы и логические вентили. Их операции управляются алгоритмами (по сути, последовательными инструкциями). Они также используют двоичный код единиц и нулей для представления информации.
Современные компьютеры используют биты - бинарную (двоичную) систему, которая состоит из нуля и единицы. Все, от электронных писем до песен в iTunes и видео на YouTube, по сути, являются длинными строками этих двоичных цифр.
Квантовые компьютеры используют кубиты - субатомные частицы, такие как электроны или фотоны. Они могут быть нулем, единицей или обоими одновременно. Такое необычное свойство кубита называется суперпозицией. Другое свойство - запутанность. Это возможность двух составляющих пары кубитов существовать в одном квантовом состоянии, где изменение состояния одного мгновенно изменит состояние другого предсказуемым образом. Именно эти функции делают суперкомпьютеры незаменимыми в определенных вычислениях. 
Квантовые компьютеры имеют культовую архитектуру, похожую на люстру. Он состоит из ряда взаимосвязанных трубок и проводов, которые содержат различные уровни компьютера. Большинство квантовых компьютеров связаны с массивными мощными холодильниками, поэтому процессоры можно охлаждать почти до абсолютного нуля, чтобы смягчить тепловой шум и вибрацию. Так многие слои люстры работают, чтобы охладить квантовый процессор, расположенный у нижнего слоя.

Квантовий комп'ютер, джерело IBM 

Типы квантовых компьютеров

Сейчас существует несколько различных подходов к тому, как разрабатываются и изготавливаются квантовые компьютеры. Приведем несколько из них.
  • Сверхпроводящие - одни из самых популярных типов квантовых компьютеров. Они обычно изготовлены из сверхпроводящих материалов и используют крошечные электрические схемы для создания кубитов и управления ими. 
Компании, которые активно исследуют и производят сверхпроводящие квантовые компьютеры, включают Google, IBM, IQM и Rigetti Computing и другие.
  • Фотонные - типы квантовых компьютеров, использующие фотоны (частицы света) для переноса и обработки квантовой информации. Однако в таком типе труднее обеспечить его правильную работу, ведь они требуют криогенного или лазерного охлаждения.
  • Захваченные ионы. Квантовый компьютер с захваченными ионами предусматривает использование атомов или молекул с чистым электрическим зарядом, известных как «ионы». Они захватываются и манипулируются с помощью электрических и магнитных полей для хранения и обработки квантовой информации. 
Поскольку захваченные ионы можно изолировать от окружающей среды, они полезны для точных измерений и других приложений, требующих высокого уровня стабильности и контроля. 

Преимущества квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры имеют ряд преимуществ в отличие от обычных. И это касается не только скорости вычислений.
  • Большая эффективность - один квантовый компьютер может одновременно выполнять несколько видов вычислений благодаря суперпозиции.
  • Скорость вычислений - квантовые компьютеры выполняют вычисления гораздо быстрее, чем обычные. 
  • Оптимизация. В отличие от традиционных, они быстрее находят наилучшие решения среди множества вариантов.
  • Моделирование - позволяют точно воспроизводить квантовые системы, что важно для химии и материаловедения.
  • Криптография - могут взламывать современные методы шифрования, но в то же время помогают создавать новые, более защищенные алгоритмы.
Однако квантовые компьютеры все еще остаются экспериментальными. Во-первых, суперпозицию, которая создает кубиты, и запутанность, которая их сшивает, очень легко уничтожить - потому что кубиты взаимодействуют с внешней средой и запутываются в ней. Когда это происходит, информация, которую они содержат, теряется или повреждается. Это делает квантовые компьютеры чрезвычайно подверженными ошибкам. Чтобы избежать этого, компании используют несколько подходов, таких как переохлаждение чуть выше абсолютного нуля и использование электромагнитов для изоляции кубитов. 

Сферы в которых применяют квантовые суперкомпьютеры

Одним из наиболее перспективных применений квантовых компьютеров является моделирование поведения материи вплоть до молекулярного уровня. Производители автомобилей, такие как Volkswagen и Daimler, используют квантовые компьютеры для моделирования химического состава аккумуляторов электромобилей, чтобы улучшить их производительность. Фармацевтические компании используют их для анализа и сравнения соединений, которые могут привести к созданию новых лекарств.
Машины также прекрасно подходят для решения проблем оптимизации, поскольку они могут чрезвычайно быстро обрабатывать огромное количество потенциальных решений. Airbus, например, использует их, чтобы рассчитать наиболее экономичные траектории подъема и снижения для самолетов. А Volkswagen представил сервис, который рассчитывает оптимальные маршруты для автобусов и такси в городах, чтобы минимизировать пробки. Некоторые исследователи также считают, что эти машины можно использовать для ускорения искусственного интеллекта.
Чтобы полностью раскрыть свой потенциал, квантовым компьютерам необходимы годы. Университеты и предприятия, работающие над ними, сталкиваются с нехваткой квалифицированных исследователей в этой области и нехваткой поставщиков некоторых ключевых компонентов.