Проблемы, которые квантовые компьютеры смогут (или не смогут) решить.
Не проходит и недели без восторженных заявлений о том, как квантовые компьютеры однажды решат множество проблем: от рака и изменения климата до дезинформации и, что мне особенно нравится, от неудобств, связанных с краш-тестами автомобилей.
Однако не стоит верить этой шумихе. Эти прогнозы не только преждевременны, но и слишком оптимистичны. Они основаны на неверном представлении о том, что квантовые компьютеры — это универсальные вычислительные машины, подобные ноутбукам, но гораздо более мощные. На самом деле, исследователи ожидают, что квантовые компьютеры будут превосходить обычные «классические» компьютеры только в нескольких конкретных задачах.
Это распространённое заблуждение возникает из-за упрощённого описания внутренней работы квантовых компьютеров, в котором есть доля правды.
Обычные компьютеры обрабатывают информацию дискретными блоками, называемыми битами, каждый из которых имеет значение 0 или 1. Квантовые компьютеры, или «кубиты», работают с квантовыми битами, которые могут принимать особые комбинации своих состояний 0 и 1, называемые суперпозициями. В суперпозициях, включающих множество кубитов, могут сосуществовать все возможные комбинации их индивидуальных состояний 0 и 1.
И некоторые люди утверждают, что квантовые компьютеры способны использовать суперпозицию для быстрого решения любых задач, поскольку они могут сразу проверить все возможные варианты. Но это не так. Чтобы достичь значительного ускорения, квантовому компьютеру необходимо умело сочетать множество элементов суперпозиции, а эта тонкая работа не всегда оказывается выполнимой.
Существует несколько известных проблем, которые достаточно мощные квантовые компьютеры смогут решить гораздо быстрее, чем классические.
Квантовые компьютеры должны быть особенно эффективны в разложении больших чисел на простые множители — задача, сложность которой часто используется в качестве основы для шифрования.
Кроме того, они могут ускорить моделирование квантовых систем, таких как молекулы, что может найти широкое применение в химии, материаловедении и создании лекарств.
Спустя десятилетия после того, как эти приложения были открыты, они по-прежнему являются самым веским аргументом в пользу квантовых вычислений. Тем не менее, исследователи продолжают искать новые сферы, где квантовые компьютеры могут продемонстрировать свою эффективность, и за последние несколько лет они добились впечатляющих результатов.
Большая часть недавних теоретических работ по квантовым вычислениям была сосредоточена на их применении для изучения квантовых систем.
Исследователи знали, как ускорить моделирование этих систем с 1990-х годов. Но для многих других важных задач, таких как расчет энергии, связанной с конкретными конфигурациями системы, квантовое ускорение получить сложнее.
В прошлом году команда учёных-компьютерщиков доказала, что квантовые компьютеры могут превосходно справляться с задачей оценки энергии для определённых конфигураций, которые часто встречаются в природе.
Процедура, которую будущие квантовые компьютеры будут использовать для разложения на множители больших чисел, также послужила ориентиром для исследователей, ищущих другие применения квантовых вычислений.
Этот алгоритм факторинга работает, основываясь на уникальных математических симметриях задачи, для которой он создан. Многие другие квантовые алгоритмы также используют этот принцип.
В 2022 году Мордехай Рорвиг сообщил об открытии существенного квантового ускорения для решения качественно иной задачи, в которой отсутствует подобная математическая структура. Эта проблема была искусственной и не имела практического применения, но это признак того, что возможности квантовых вычислений могут быть богаче, чем предполагали исследователи.
При этом не все исследователи, изучающие теорию квантовых вычислений, сосредоточены на конкретных проблемах. Некоторые вместо этого ищут общие принципы, которые могли бы объяснить, почему в одних задачах допускается квантовое ускорение, а в других — нет.
В 1990-х годах они думали, что на этот вопрос есть единственный ответ, но реальность быстро оказалась более сложной. На данный момент исследователи определили три необходимых условия, при которых квантовые компьютеры могут превосходить классические, и, возможно, существует множество других. В прошлом году Чарли Вуд рассказал о продолжающихся поисках количественной оценки квантовости.
Помимо этих теоретических разработок, физики усердно работают над усовершенствованием технологии квантовых вычислений, и за последние годы они добились значительного прогресса. Но независимо от того, насколько быстро развиваются технологии, вам не следует ожидать перехода на квантовый ноутбук. Обычные классические компьютеры никуда не денутся.