Ликбез RnD.CNews: всё, что вам нужно знать о квантовых компьютерах

Мощность процессоров классических компьютеров невозможно наращивать бесконечно и для этого есть фундаментальные причины: атомарная природа вещества и ограниченная скорость света. Но на квантовые компьютеры законы макромира не распространяются.

Что лежит в основе квантовых компьютеров

В основе вычислительных операций в классических компьютерах лежит система битов – чередования нулей и единиц. В квантовых компьютерах задействованы кубиты – те же нули и единицы, но существующие одновременно за счет явления суперпозиции. И только в момент измерений состояние кубита с некоторой вероятностью приходит к одному из двух значений – 0 или 1.

Саму мысль о возможности квантовых вычислений в 1980 г. высказали физики Юрий Манин и Пол Бениофф. В 1981 Ричард Фейнман предложил одну из первых моделей квантового устройства, а первый компьютер появился в 1998 г. и содержал два кубита. 

Существуют ли настоящие квантовые компьютеры

Сейчас разработкой квантовых компьютеров занимаются крупные компании: Google, IBM, Microsoft, Intel, Amazon, Honeywell, D-Wave и другие. Так, в 2016 в Google представили компьютер из 9 кубитов. В 2019 году у IBM было уже 20 кубитов, а у Google — 53 кубита. Гонка за количеством кубитов продолжается и сейчас, но даже в 2021 году речь идет о 54 кубитах в компьютере IBM, 64 кубитах, которые заявлены компанией Honeywell, и 72 кубитах у компьютера Bristlecone от Google.

Особняком стоят разработки канадской компании D-Vawe, которая в 2007 году показала компьютер с 128 кубитами и к 2020 году довела их количество до 5000. Однако устройства D-Vawe не являются универсальными квантовыми компьютерами и могут решать только узкие задачи оптимизации.

Почему эволюция квантовых компьютеров происходит так медленно

Прежде всего, потому что они крайне нестабильны. Квантовые процессы протекают почти при абсолютном нуле, а при любом вмешательстве происходит декогеренция – разрушение системы. То есть все вычисления необходимо произвести до того, как квантовый процесс прекратится.

Значительная часть усилий разработчиков уходит на создание системы охлаждения: дорогостоящих саркофагов с охлаждением жидким азотом, ионных ловушек и т.д., Часто по размерам эти устройства напоминают ЭВМ начала компьютерной эры.

С температурным режимом отчасти связана и проблема управления: размещение дополнительного устройства рядом с системой повышает температуру и приводит к декогеренции. Так что управлять можно только удаленно.

Но главное – результат не является абсолютно точным. В классических вычислениях используется детерминированный принцип, потому результат всегда будет одинаковым. Квантовые компьютеры задействуют аналоговый вероятностный принцип, отчего итог представляет собой выборку из вероятных результатов реализации алгоритмов, а также возможные ошибки. Кроме того, эти ошибки имеют свойство накапливаться.

Все это приводит к тому, что на данном этапе вычисления за квантовыми компьютерами проверяют обычные классические устройства. Это возможно, так как пока квантовые компьютеры совершают относительно простые действия, например, раскладывают числа по квантовым алгоритмам (в 2012 году в Калифорнийском университете квантовый компьютер разложил число 15 по алгоритму Шора).

Однако, в 2019 году Google опубликовала на сайте NASA позднее удаленный доклад о том, что 53-кубитный квантовый компьютер Sycamore всего за 3 мин 20 сек произвел расчет, на который самому мощному классическому суперкомпьютеру Summit потребовалось бы 10 тысяч лет. Возможно, это была одна из первых демонстраций так называемого квантового превосходства – способности квантовых компьютеров решать задачи, недоступные классическим устройствам.

Несмотря на все недостатки, разработка квантовых компьютеров продолжается. Если в ближайшее время удастся решить проблемы стабильности, то нас ждет новый этап в развитии вычислительной техники.