Google, IBM та Amazon вже інвестують мільярди в квантові технології, а банки, фармацевтичні компанії та дослідницькі центри тестують їх для фінансових прогнозів, створення ліків і навіть кібербезпеки. Чому квантові комп’ютери це майбутнє та в чому їх перевага — розбираємося в статті.

Що таке квантовий комп'ютер 

Квантові комп’ютери — це машини, які використовують властивості квантової фізики для зберігання даних і виконання обчислень. Завдяки цьому вони можуть перевершити навіть найпотужніші суперкомп’ютери.
Класичні комп’ютери, до яких відносяться смартфони та ноутбуки, кодують інформацію у двійкових «бітах», які можуть бути 0 або 1. У квантовому комп’ютері основною одиницею пам’яті є квантовий біт або кубіт.

Історія виникнення квантового комп'ютера 

У 1980-х роках фізик Річард Фейнман запропонував одну з перших ідей, пов’язаних із квантовими обчисленнями. Він припустив, що квантові комп’ютери здатні ефективніше моделювати фізичні системи, ніж класичні обчислювальні пристрої.
Вже через десять років Пітер Шор і Лов Гровер створили алгоритми, які довели переваги квантових технологій у швидкій факторизації чисел і пошуку в базах даних. А вже у 1994 році команда вчених під керівництвом Ісаака Чуанга вперше продемонструвала роботу квантового алгоритму, використовуючи атоми як кубіти в Лос-Аламоській національній лабораторії.
У 2000 році вчені з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) створили перший квантовий комп'ютер на основі йонної пастки. Квантові біти (кубіти) в цьому пристрої маніпулювалися за допомогою лазерів, що дозволяло проводити прості логічні операції. Це був один із перших кроків до практичного використання квантових технологій у майбутньому.

Коротка історія квантових обчислень, джерело Quantumpedia

Що таке кубіт та як працюють квантові комп'ютери

Квантові комп’ютери мають багато спільного з класичними. Наприклад, обидва типи комп’ютерів зазвичай мають мікросхеми, схеми та логічні вентилі. Їхні операції керуються алгоритмами (по суті, послідовними інструкціями). Також вони використовують двійковий код одиниць і нулів для представлення інформації.
Сучасні комп’ютери використовують біти — бінарну (двійкову) систему, яка складається з нуля та одиниці. Все, від електронних листів до пісень в iTunes і відео на YouTube, по суті, є довгими рядками цих двійкових цифр.
Квантові комп’ютери використовують кубіти — субатомні частинки, такі як електрони або фотони. Вони можуть бути нулем, одиницею або обома одночасно. Така незвичайна властивість кубіта називається суперпозицією. Інша властивість — заплутаність. Це можливість двох складових пари кубітів існувати в одному квантовому стані, де зміна стану одного миттєво змінить стан іншого передбачуваним чином. Саме ці функції роблять суперкомп'ютери незамінними в певних обчисленнях. 
Квантові комп’ютери мають культову архітектуру, схожу на люстру. Вона складається з ряду взаємопов’язаних трубок і проводів, які містять різні рівні комп’ютера. Більшість квантових комп’ютерів пов’язані з масивними потужними холодильниками, тому процесори можна охолоджувати майже до абсолютного нуля, щоб пом’якшити тепловий шум і вібрацію. Так багато шарів люстри працюють, щоб охолодити квантовий процесор, розташований біля нижнього шару.

Квантовий комп'ютер, джерело IBM 

Типи квантових комп'ютерів

Зараз існує кілька різних підходів до того, як розробляються та виготовляються квантові комп’ютери. Наведемо декілька з них.
  • Надпровідні — одні із найпопулярніших типів квантових комп’ютерів. Вони зазвичай виготовлені з надпровідних матеріалів та використовують крихітні електричні схеми для створення кубітів і керування ними. 
Компанії, які активно досліджують і виробляють надпровідні квантові комп’ютери, включають Google, IBM, IQM і Rigetti Computing та інші.
  • Фотонні — типи квантових комп’ютерів, що використовують фотони (частинки світла) для перенесення та обробки квантової інформації. Проте в такому типі важче забезпечити його правильну роботу, адже вони вимагають кріогенного або лазерного охолодження.
  • Захоплені іони. Квантовий комп’ютер із захопленими іонами передбачає використання атомів або молекул із чистим електричним зарядом, відомих як «іони». Вони захоплюються та маніпулюються за допомогою електричних і магнітних полів для зберігання та обробки квантової інформації. 
Оскільки захоплені іони можна ізолювати від навколишнього середовища, вони корисні для точних вимірювань та інших застосувань, які вимагають високого рівня стабільності та контролю. 

Переваги квантових комп'ютерів

Квантові комп'ютери мають низку переваг на відміну від звичайних. І це стосується не лише швидкості обчислень.
  • Більша ефективність — один квантовий комп’ютер може одночасно виконувати декілька видів обчислень завдяки суперпозиції.
  • Швидкість обчислень — квантові комп'ютери виконують обчислення набагато швидше, ніж звичайні. 
  • Оптимізація. На відміну від традиційних, вони швидше знаходять найкращі рішення серед безлічі варіантів.
  • Моделювання – дозволяють точно відтворювати квантові системи, що важливо для хімії та матеріалознавства.
  • Криптографія – можуть зламувати сучасні методи шифрування, але водночас допомагають створювати нові, більш захищені алгоритми.
Однак квантові комп’ютери все ще залишаються експериментальними. По-перше, суперпозицію, яка створює кубіти, і заплутаність, яка їх зшиває, дуже легко знищити — тому що кубіти взаємодіють із зовнішнім середовищем і заплутуються в ньому. Коли це відбувається, інформація, яку вони містять, втрачається або пошкоджується. Це робить квантові комп’ютери надзвичайно схильними до помилок. Щоб уникнути цього, компанії використовують кілька підходів, таких як переохолодження трохи вище абсолютного нуля та використання електромагнітів для ізоляції кубітів. 

Сфери в яких застосовують квантові суперкомп'ютери

Одним із найбільш перспективних застосувань квантових комп’ютерів є моделювання поведінки матерії аж до молекулярного рівня. Виробники автомобілів, такі як Volkswagen і Daimler, використовують квантові комп’ютери для моделювання хімічного складу акумуляторів електромобілів, щоб покращити їх продуктивність. Фармацевтичні компанії використовують їх для аналізу та порівняння сполук, які можуть призвести до створення нових ліків.
Машини також чудово підходять для вирішення проблем оптимізації, оскільки вони можуть надзвичайно швидко опрацьовувати величезну кількість потенційних рішень. Airbus, наприклад, використовує їх, щоб розрахувати найбільш економічні траєкторії підйому та зниження для літаків. А Volkswagen представив сервіс, який розраховує оптимальні маршрути для автобусів і таксі в містах, щоб мінімізувати затори. Деякі дослідники також вважають, що ці машини можна використовувати для прискорення штучного інтелекту .
Щоб повністю розкрити свій потенціал, квантовим комп’ютерам необхідні роки. Університети та підприємства, що працюють над ними, стикаються з нестачею кваліфікованих дослідників  у цій галузі та браком постачальників  деяких ключових компонентів.