Квантовый компьютер
Автор: Валерия Антонова
Введение
Мысленный эксперимент (а может, и вполне реальный): в руках два носка. Пусть будут разноцветные — зеленый и желтый. Как понять, какой на левую ногу, а какой на правую? Надеваем один носок. Зелёный оказался на левой ноге — значит, желтый будет для правой.
А можно ли сделать так, чтобы они оба были одновременно на обеих ногах?
Да, и это подводит нас к квантовой суперпозиции: образно говоря, частица находится сразу в нескольких состояниях. Вспомнили кота Шредингера?
Конечно, в нашем мире пока нельзя утверждать, что однажды не появятся "квантовые носки", которые будут универсальны. Хотя кое-где этот принцип уже работает — и не только на бумаге.
Он проявляется в кубитах. Если классическая информатика говорит нам, что бит равен либо 0, либо 1, то кубит во время вычислений может находиться в диапазоне между этими состояниями, реализуя принцип суперпозиции.
Сегодня в нашей статье — немного о компьютерах будущего.
Часто говорят: мы стоим на пороге технологической революции, основанной на машинном обучении, робототехнике и искусственном интеллекте — вещах, которые ещё недавно казались фантастикой. Но такие технологии требуют огромных вычислительных мощностей. За последние десятилетия прогресс в IT был колоссальным: уменьшение элементной базы, рост производительности при сокращении размеров компонентов, снижение вероятности ошибок.
Для этих целей учёные работают над созданием вычислительных машин, которые:
Это откроет новые горизонты и поможет лучше понять нашу Вселенную (кстати, наблюдаемый радиус Вселенной — 13,75 миллиардов световых лет. Неожиданный факт!).
Как это работает?
Квантовые компьютеры используют:
- Суперпозицию — в отличие от классических битов (0 или 1), кубит может находиться в состоянии квантовой суперпозиции, одновременно представляя и 0, и 1 с определенной вероятностью. Это позволяет параллельно обрабатывать множество вариантов.
- Квантовую запутанность — когда кубиты запутываются, состояние одного мгновенно влияет на состояние другого, независимо от расстояния. Это создает мощные корреляции для вычислений.
Представьте монетку, которую подбросили и накрыли рукой. Пока вы не посмотрели, она одновременно и "орел", и "решка" (это суперпозиция).
Теперь возьмем две такие монетки. Если они запутаны, то, открыв одну и увидев "орел", вы мгновенно узнаете, что вторая — "решка", даже если она на другом конце света (это квантовая запутанность).
Кубит — это и есть такая "квантовая монетка". Пока идет расчет, компьютер перебирает все возможные варианты сразу, а не по очереди, как обычный компьютер. Поэтому там, где суперкомпьютеру нужны годы, квантовой машине — секунды.
Кубит может быть реализован на разных физических носителях: электронах, ионах или фотонах. Во время вычислений система из N кубитов существует в 2ᴺ возможных состояниях одновременно. При измерении квантовая система "коллапсирует" в одно определенное состояние, давая результат вычислений.
Главное преимущество — квантовый параллелизм: алгоритм может одновременно тестировать все возможные решения задачи.
Японские прорывы
Японские исследователи модернизировали суперкомпьютер Fugaku (система с высокой производительностью для типовых задач), добавив квантовые компоненты. Новое гибридное решение назвали Reimei — оно использует 20 кубитов особого типа. В отличие от распространенных сверхпроводящих кубитов (где частицы движутся без сопротивления при сверхнизких температурах), здесь применяются ионы — электрически заряженные атомы, "пойманные" в электромагнитные ловушки. Такой подход "захваченных ионов" обеспечивает большую стабильность: ионы меньше подвержены внешним помехам и дольше сохраняют квантовое состояние. Данная архитектура обеспечивает:
Первый в мире гибридный квантовый компьютер работает в Институте физико-химических исследований (RIKEN) в Сайтаме.
В Reimei пока 20 кубитов, но Intel и Япония уже планируют создать систему с десятками тысяч кубитов к 2025 году (бюджет проекта — 65,3 млн долларов). Платформа будет доступна как японским, так и зарубежным исследователям.
Кстати, в 2023 году RIKEN уже запустил 64-кубитный квантовый компьютер, где почти все компоненты (кроме холодильной установки) были японского производства. Среди возможных применений:
В том же году Токийский университет и IBM представили 127-кубитный квантовый компьютер — тоже для фармакологических исследований.
Сколько кубитов нужно?
Если обычные биты понятны ("много" или "мало"), то с кубитами сложнее:
Перспективы
Хотя основные применения видят в медицине, квантовые технологии тесно связаны с астрофизикой. Ведь даже теория струн — квантовая концепция. Астрофизика всегда задает больше вопросов, чем получает ответов:
- Существует ли Луна, когда на нее не смотрят?
- Каковы истинные размеры Вселенной?
- Что было до Большого взрыва?
Как думаете, смогут ли квантовые компьютеры раскрыть тайну происхождения жизни?