Что такое квантовые компьютеры и как они работают?

Уже очень давно инженеры и учёные из разных стран пытаются создать компьютер нового поколения — квантовый — который должен дать новые фантастические возможности в разных науках. Некоторые, правда, выражают сомнения в том, что это получится. Уж больно неоднозначен сам выбранный принцип действия.

Порой в прессе можно прочитать, что квантовый компьютер не появится никогда — это невозможная машина, перспективы которой туманны, а разработчики просто выкачивают из инвесторов деньги. В чём же проблема и какова вообще цель? Давайте по порядку.

Представьте себе простую задачку по математике — решить её можно за минуту. А если заданий будут сотни тысяч или миллионы? А ведь к этому и сводятся многие современные проблемы науки, разработки или анализа чего-нибудь. Да, есть суперкомпьютеры — это очень мощный вариант привычных нам вычислительных устройств — за несколько минут они выполняют то, на что одному человеку потребуется не одна тысяча лет: выполняют расчёты для прогнозирования извержений вулканов или создают новые белки для борьбы с вирусами. Но всё-таки этого уже не хватает.

Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов. Когда мы говорим о квантовом компьютере, то речь идет уже не о бите, a о квантовом бите — так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко нулем, но в основном единицей.

Сравним это, например, с командировками. В случае обычного компьютера мы можем находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс. В квантовом же мире с некоторой вероятностью мы можем быть сейчас в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. Такими свойствами, расширяющими возможности, могут обладать ионы, фотоны, атомы цезия, лития или рубидия.

Как объясняет руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра Алексей Федоров, атомы ловятся в специальную ловушку, затем они выстраиваются в определенном порядке, а взаимодействовать их заставляют при помощи возбуждения. Так квантовый компьютер будет инициализировать состояния и выполнять операции, а дальше производится считывание состояние атомов — возбужден он или нет. И в зависимости от этого получается ответ на поставленный вопрос.

И делают кубиты на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. В криолаборатории электронных систем НИТУ МИСиС используют криостаты, которые позволяют добиться охлаждения до температуры порядка 30 милликельвин — в 100 раз холоднее, чем в космосе. 

Уже есть успехи. Американская IT-компания, например, в конце прошлого года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нём может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной! Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, это называется «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы.

Подобные удачи, впрочем, уже случались. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах. И за 200 секунд он провёл бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера! В этом году квантовый вычислитель обещают уже использовать в медицинских целях. Его установят в клинике города Кливленда в США. Он поможет выявлять новые штаммы вирусов и займётся поиском лекарств от болезни Альцгеймера. Но есть и опасения по поводу новой технологии.

Недавно китайские учёные заявили, что им хватило десяти кубитов для взлома 48-битного алгоритма шифрования. Подобный метод, хотя и посложнее, применяют в защите наших банковских счетов. Цифровые валюты, как опасаются многие, тоже могут стать лёгкой жертвой — ведь в основе алгоритмов их выпуска и учёта всё та же криптография. Но пока до реального взлома всё же невероятно далеко. Чтобы взломать код биткоина, нужны десятки миллионов кубитов (а нынешний максимум, напомним, 433). Да и квантовая защита тоже разрабатывается.

В 2019-м, например, разработчики из МГУ представили защищённый квантовый телефон. А китайские инженеры запустили уже второй спутник квантовой связи в космос, где он проходит испытания. Может быть, оправдать всех ожиданий этой технологии и не удастся, но квантовые разработки уже привели к важным побочным эффектам. Группа исследователей из Дании и Швеции испытала оптический чип, способный передавать информацию со скоростью 1 800 000 гигабит в секунду — что почти вдвое больше, чем пропускная способность всего интернета в мире. Даже если он просто станет быстрее, это уже будет хорошим результатом.

Благодарим за помощь в подготовке сюжета:

• Российский квантовый центр и лично руководителя научной группы «Квантовые информационные технологии» Алексея Фёдорова за возможность побывать в научно-технологическом центре уникального для России формата и своими глазами увидеть, как создаётся отечественный квантовый компьютер.
• НИТУ МИСиС и старшего научного сотрудника криолаборатории электронных систем Наталью Малееву за знакомство с современным криогенным оборудованием, способным охлаждать объекты и выдерживать температуру в 100 раз ниже, чем в космосе.

Полный выпуск «Чуда техники с Сергеем Малозёмовым» от 12 марта доступен по ссылке

Все полные выпуски программы «Чудо техники» находятся здесь