Что такое квантовый компьютер и как он работает
2026-02-21 10:29 Diff
https://skillbox.ru/media/code/chto-takoe-kvantovyy-kompyuter-i-kak-on-rabotaet/

#статьи

  • 15 дек 2023
  • 0

Что такое квантовый компьютер и как он работает

Всё, что вы хотели знать о вычислениях будущего.

Иллюстрация: Катя Павловская для Skillbox Media

Филолог и технарь, пишет об IT так, что поймут даже новички. Коммерческий редактор, автор технических статей для vc.ru и «Хабра».

Продолжаем разбираться в премудростях квантовой механики. В статье про парадокс Шрёдингера мы рассказали о принципе суперпозиции и частично затронули тему квантовых компьютеров. Сегодня изучим её основательно: выясним, что это за машина, как работает и правда ли, что за квантовыми компьютерами будущее.

Из этой статьи вы узнаете:

Статью проверил

Директор «Неправильной школы», эксперт Skillbox по компьютерным сетям и кибербезопасности. Автор телеграм-канала «Кудрявый микрофон».

Квантовый компьютер — это вычислительная машина, которая использует в работе законы квантовой механики: спутанность и принцип суперпозиции. Звучит непонятно, на деле тоже всё непросто, поэтому давайте по порядку.

Из школьного курса информатики мы помним, что современные компьютеры работают в двоичной системе. Единицей информации в них служат биты, которые могут принимать два значения: 0 и 1. Логические операции с битами и творят всю компьютерную магию: вы слушаете песню, смотрите видео или генерируете картинки с котами в нейросети.

Физически бит выглядит как крохотный транзистор, который устроен на редкость примитивно: он умеет лишь включаться и выключаться, как лампочка в новогодней гирлянде. Но делает это настолько быстро и в такой тесной взаимосвязи с другими «лампочками», что это позволяет компьютеру выполнять сложнейшие вычисления практически со скоростью света.

Такая система прекрасно себя зарекомендовала — на транзисторах работают практически все современные устройства: от умных часов до смартфонов, от домашних ПК до суперкомпьютеров. Однако и она не лишена недостатков — существуют задачи, которые с виду кажутся простыми, но на их решении «сыпятся» даже самые мощные машины.

Классический пример. Представьте, что вы работаете разъездным торговцем: зарабатываете на жизнь тем, что ходите по домам и продаёте мультиварки. Вам нужно придумать кратчайший маршрут, который позволит заехать в несколько крупных городов хотя бы по одному разу и вернуться домой.

Перед вами — знаменитая задача коммивояжёра, и она гораздо хитрее, чем кажется на первый взгляд. Если городов в условии будет больше 66, обычному компьютеру понадобится несколько миллиардов лет, чтобы решить её простым перебором. И тут на помощь приходят квантовые компьютеры, которые могут решать такие задачи в миллионы раз быстрее обычных.

Дело в том, что вместо привычных битов у квантовых компьютеров — кубиты. Физически это уже не транзисторы, а квантовые частицы — обычно фотоны или протоны. В отличие от бита, кубиты могут не только равняться 0 или 1, но и принимать любые значения между ними. Благодаря этому квантовый процессор может выполнять несоизмеримо больше операций за один такт.

Как мы отметили ранее, квантовый компьютер использует два классических понятия из квантовой механики: принцип суперпозиции и спутанность.

Суперпозиция — это способность квантовой частицы находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. У суперпозиции есть интересное свойство: она тут же «схлопывается» при появлении наблюдателя.

Представьте, что вы подбросили монету и смотрите, как она вращается. Вы не можете точно сказать, что она сейчас вам показывает — орла или решку, всё вращается, ничего не понятно, остановите это кто-нибудь. Но стоит вам только «прихлопнуть» монетку на ладони, всё становится ясно. Точно так же ведёт себя и кубит — пока вы не воздействуете на него измерительным прибором, он так и будет пребывать сразу во всех состояниях между нулём и единицей.

Звучит странно, но это одна из главных заповедей квантовой механики. Вокруг суперпозиции вообще ведётся много споров в научных кругах — взять хотя бы знаменитый парадокс кота Шрёдингера, который то ли жив, то ли мёртв, то ли вообще живёт сразу в нескольких параллельных вселенных.

Мало нам суперпозиции — чтобы вычисления совершались, кубиты должны быть связаны между собой. И если в обычной машине эту роль берут на себя токопроводящие дорожки, в квантовой нас выручает квантовая спутанность.

Например, в лабораторных условиях мы можем получить несколько фотонов в спутанном состоянии — и тогда, где бы эти фотоны ни оказались, хоть на разных концах Вселенной, они будут связаны между собой. Если изменить состояние одной, тут же изменятся и другие спутанные с ней частицы. Звучит совсем как магия, но это реальный физический закон: с его помощью учёные научились телепортировать квантовое состояние на многие километры.

Благодаря тому, что кубиты находятся сразу в нескольких состояниях и связаны между собой, квантовые машины могут параллельно перебрать сразу все варианты решения — в отличие от обычных компьютеров, которые перебирают варианты последовательно и довольно медленно.

Можно условно сравнить это с калейдоскопом: если с обычным компьютером вам нужно покрутить прибор, чтобы получить разные картинки, то квантовый уже давно всё «покрутил» и сложил в одно большое полотно — осталось как-то достать из него нужный фрагмент.

И здесь уже начинаются сложности — дело в том, что квантовые компьютеры выдают не точные результаты, а вероятностные, то есть приближённые к реальности. Поэтому для их интерпретации нужны особые, квантовые алгоритмы. Такие алгоритмы уже существуют — но заточены они на решение узких математических задач, а потому мало применимы в реальной жизни. Переложить реальные человеческие задачи на квантовый язык непросто — отчасти поэтому такие машины ещё нескоро станут массовыми.

Другая сложность — декогеренция. Это когда частица теряет свои свойства при столкновении с внешним миром. Дело в том, что суперпозиция — штука тонкая, и нарушить её может буквально что угодно: от солнечной бури до изменения климата. Поэтому здесь не получится просто накрыть всё медной крышкой и замазать термопастой — надо искать изоляцию посерьёзнее :)

Разработка такой изоляции — отдельный технологический вызов. Пока что единственный рабочий способ — охладить всю систему до абсолютного нуля, чтобы защитить её от внешних воздействий. Делается это обычно с помощью жидкого азота, ионных ловушек или магнитного поля, а потому такая система охлаждения выглядит весьма увесисто. Только взгляните на этого красавца:

Первый в мире коммерческий квантовый компьютер IBM Q System One
Фото: IBM Research / Flickr

Главный вывод такой: квантовые компьютеры, безусловно, мощнее обычных, но умеют пока далеко не всё. А ещё — довольно сложны в производстве. Но учёные уверены, что это преодолимо: достаточно вспомнить, сколько места занимал один из первых компьютеров Mark I. И ничего — сейчас его далёкие потомки красуются в большинстве комнат и офисов мира.

Путь к созданию первой в мире квантовой машины был долгим. Всё началось ещё в 1950-х, когда знаменитый физик Ричард Фейнман впервые предложил использовать квантовые эффекты для вычислений. Отчасти за эту работу он в 1965 году удостоился Нобелевки. А ещё Фейнман известен цитатой о том, что по-настоящему квантовую механику не понимает никто. Так что, если вам всё это кажется сложным, не переживайте: с вами целый нобелевский лауреат ?

Следующей важной вехой стали 1980-е. И здесь опять отметился Фейнман — в 1982 году он публикует знаковую статью «Физическое моделирование с помощью компьютеров», в которой, по сути, впервые описывает принципы работы квантового компьютера. Примерно в те же годы математик Юрий Манин предложил идею квантовых вычислений, а американский физик Пол Бениофф — квантово-механический вариант машины Тьюринга.

Первую рабочую модель квантового компьютера представили учёные из MIT в 1997 году. Двухкубитная система работала на принципах ядерно-магнитного резонанса (того же самого, что используется в аппаратах МРТ). Модель умела решать довольно сложные задачи по алгоритму Дойча — Йожи.

Дальше свои версии ЯМР-компьютеров стали по цепочке появляться во многих мировых институтах и лабораториях — к сожалению, их фотографии отыскать в Сети довольно сложно — учёные неохотно публикуют изображения своих детищ, вероятно, из соображений секретности.

Зато ими охотно делились корпорации в своих пресс-релизах. Вот, например, фото первого в мире 16-кубитного процессора от компании D-Wave, одного из ведущих вендоров в этой отрасли.

Первый 16-кубитный процессор от D-Wave Systems
Фото: IXBT

Конечно, такая мощность далеко не предел — например, D-Wave Systems в 2022 году объявила, что собирается разработать квантовый компьютер на 7000 кубит. Но пока это остаётся на уровне фантазий — а самый мощный на сегодняшний день квантовый компьютер работает на 1225 кубитах и принадлежит американскому стартапу Atom Computing.

Квантовые компьютеры уже вышли из области теоретических моделей, построены и давно работают. На момент написания статьи такие машины есть у многих компаний и научно-исследовательских институтов.

Перечислим несколько известных моделей:

  • IBM: Osprey — 433 сверхпроводящих кубита, которые с точностью 99% выполняют вычислительные операции за 10 наносекунд;
  • Google: Sycamore — 53 сверхпроводящих кубита. Точность вычислений выше — 99,9%, но скорость чуть ниже — 25 наносекунд;
  • Intel: Tunnel Falls — 12 кубитов, которые показывают высокую точность — 99%, но относительно низкую скорость работы — 100 наносекунд;
  • IonQ: Harmony — квантовый процессор на 32 ионных кубитах. Скорость вычислений 500 наносекунд, точность 99,9%;
  • Xanadu: Borealis — 24 фотонных кубита, скорость самая высокая — 200 пикосекунд, но точность — 98%.

Разрабатывают квантовые машины и российские учёные:

  • МФТИ совместно с НИТУ «МИСиС» представили 4-кубитный процессор в 2022 году и работают над 8-кубитным;
  • МГУ работает над 16-кубитным квантовым компьютером.

Сразу скажем: квантовые компьютеры пока ещё слишком сырые, чтобы массово решать конкретные прикладные задачи. Всё, о чём пойдёт речь дальше, относится либо к отдельным кейсам, либо к отдалённым прогнозам.

Разработка новых лекарств и материалов. Квантовый компьютер может создать новое химическое соединение и просчитать его взаимодействие с уже существующими структурами.

Классические, даже сверхмощные, компьютеры неспособны быстро справиться с такой задачей. Подсчитано, что моделирование молекулы из 70 атомов займёт у классического компьютера около 13 миллиардов лет, тогда как у квантовых вычислителей на этой уйдёт всего пара минут. На практике такое моделирование востребовано в генной инженерии, при разработке и создании новых лекарств и материалов.

Оптимизация процессов в логистике и энергетике. Построение оптимальных маршрутов, распределение подачи тепла и света, прогнозирование спроса и другие сложные комбинаторные задачи — вполне в компетенциях квантовых компьютеров.

Фото: Pierre Metivier / Flickr

Криптография. Здесь наш герой выступает одновременно и панацеей, и угрозой. С одной стороны, на основе квантовых ключей можно создавать совершенные средства защиты, которые человеку взломать просто не под силу. С другой — квантовый компьютер способен за несколько секунд подобрать ключи почти к любому классическому алгоритму — например, к тому же RSA-2048. Поэтому разработка новых квантовых протоколов видится уже не как символ прогресса, а скорее как насущная необходимость.

Если хотите лучше разобраться в нюансах квантовой криптографии, почитайте книгу «Апокалипсис криптографии» Роджера Граймса. Она о том, какие криптографические алгоритмы и приложения окажутся под угрозой в квантовую эпоху и как защититься от этих угроз.

Метеорология. Сейчас предсказаниями погоды в большинстве метеоцентров занимаются классические суперкомпьютеры на основе моделей, состоящих из сотен тысяч строк кода, но даже самые мощные машины не могут учесть все нюансы. А для квантовых компьютеров мгновенный перебор множества переменных и показателей — дело пустяковое, поэтому метеорологи возлагают на них большие надежды.

По мере развития квантовых вычислений области их использования наверняка будут расширяться.

Бесплатный курс по Python ➞
Мини-курс для новичков и для опытных кодеров. 4 крутых проекта в портфолио, живое общение со спикером. Кликните и узнайте, чему можно научиться на курсе. Смотреть программу