Квантовые компьютеры — технология, которая может вывести вычислительные мощности техники на принципиально новый уровень. Это позволит совершить  огромные прорывы почти в любых науках и сферах жизни —  фармацевтике, химии, криптографии, а также смягчить климатический кризис. Техногиганты, стартапы и научные институты бьются над разработкой первой подобной машины, но пока сумели создать лишь маломощные прототипы и теоретические модели. Разбираемся, почему квантовые вычисления так притягательны и какие препятствия стоят на пути к ним.

Что такое квантовый компьютер

Квантовые компьютеры — это принципиально новое поколение вычислительных устройств, которые, в отличие от сегодняшних электронных машин — от личных ноутбуков до мощных суперкомпьютеров из научных центров, — работают на основе законов квантовой механики, а не классической физики. Подробнее о том, как они устроены, мы расскажем чуть позже.

Технология квантовых компьютеров не призвана заменить привычные нам ПК, но позволит решать целый спектр задач намного эффективнее. Процессоры, построенные на принципах квантовой механики, позволяют многократно увеличить плотность хранения информации и скорость вычислительных операций, а значит проводить сложные вычисления, недоступные обычным компьютерам, в том числе и суперкомпьютерам. 

Главная область, будущее которой связывают с квантовыми процессорами — это криптошифрование. Предполагается, что в ближайшие годы появится квантовый компьютер, который сможет взломать все текущие протоколы защиты интернет-данных всего за несколько часов. 

Чтобы воспользоваться этим преимуществом, шпионские агентства и спецслужбы уже сохраняют весь доступный поток данных, чтобы расшифровать его и получить доступ к чужим секретам. «Мы видим, как это делают наши противники — копируют наши зашифрованные данные и просто хранят их», — объясняет Дастин Муди, математик, отвечающий за стандарты постквантового шифрования в США. Именно поэтому в 2022 году Джо Байден поручил до 2035 года перевести всю стратегически важную информацию в новые протоколы шифрования, построенные на квантовой механике. 

Квантовые вычисления — это очень сложная технология, которую в самом начале развития нужно было зафиксировать хотя бы в самых примитивных, но стабильных формах. Поэтому первый прототип квантового устройства, представленный IBM в 2001 году, был способен лишь найти множители числа 15 (это 3 и 5) — с такой задачей может справиться даже ученик средней школы. Тем не менее, изобретение стало важным этапом в развитии индустрии, показав, что квантовые вычисления возможны не только в умозрительных моделях.

Сегодня квантовые компьютеры могут выполнять намного более комплексные математические задачи, связанные с факторизацией чисел, но и этого пока недостаточно для разработчиков. Для измерения эффективности разработок в этой области известный физик Джон Прескилл ввел понятие квантового превосходства. Это — уровень производительности квантового компьютера, которое позволит ему решить задачу быстрее, чем это сделает любой суперкомпьютер. Именно этого стремятся достичь разработчики квантовых процессоров. Сегодня они близки к квантовому превосходству, но пока окончательно не достигли его. 

Как работает квантовый компьютер?

Квантовые вычисления — очень сложная штука. Даже Джон Клаузер, один из первопроходцев направления, говаривал: «По сей день я признаюсь, что до сих пор не понимаю квантовую механику». К тому моменту исследователь занимался этой темой уже не одно десятилетие. 

Научное сообщество многие годы сохраняло скепсис по поводу квантовой физики —  мало кто верил, что это направление способно принести человечеству реальную пользу. В 2022 году Клаузер, ученик легендарного Ричарда Фейнмана, изучавший кванты с конца 1960-х, наконец получил Нобелевскую премию по физике в компании еще двух ученых. Это признание окончательно поставило точку в многолетних спорах  о потенциале этого направления.

Если классические компьютеры используют для хранения и обработки информации биты, то квантовые построены на кубитах (они же q-биты или квантовые биты). Биты могут принимать значение 0 или 1 и хранят все данные в виде двоичного кода, то кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции — одновременно иметь значение 0 и 1 до тех пор, пока оно не будут измерено в режиме реального времени. Самый наглядный пример — знаменитый Кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв до момента, пока мы его не наблюдаем.

Впервые теоретическую модель такого устройства практически одновременно предложили в 1980–1981 годах советский физик Юрий Манин и его легендарный коллега-американец Ричард Фейнман. Следующей важной вехой можно считать открытие британским физиком и математиком Питером Шором названного в его честь алгоритма в 1994 году. Именно он позволяет квантовому компьютеру быстро производить факторизацию больших целых чисел.

Кубиты в процессорах соединены между собой при помощи квантовой запутанности — состояния, в котором кванты так связаны между собой, что по положению одного можно судить о состоянии других. Более того, запутанные частицы влияют на состояние друг друга со скоростью выше скорости света, то есть фактически мгновенно. Причем эти изменения не зависят от того, на каком расстоянии они расположены. Именно этот принцип оспаривал на заре квантовой науки Альберт Эйнштейн как невозможный с точки зрения классической физики (и оказался неправ).

Главный показатель, которым хвастаются разработчики квантовых чипов в научных публикациях — количество кубитов в компьютере. Ученые называют такой подход упрощением, поскольку он не всегда отражает реальную способность устройства решать задачи. Тем не менее, считается, что стабильный компьютер из нескольких тысяч кубитов, выполняющий операции с минимальным количеством ошибок, сможет обойти самые мощные электронные аналоги. Разработки последних лет впервые вышли на показатель в несколько сотен кубитов, что значительно приблизило человечество к квантовому превосходству.

Важная особенность квантовых компьютеров в том, что кубиты сохраняют стабильность только при экстремально низкой температуре (–273,15 °C, или абсолютном нуле по Кельвину). Поэтому отдельное важное направление разработок — морозильные камеры для их хранения. Одно из последних прорывных изобретений в этой области — устройство Icebox, представленное  в 2022 году денверским стартапом Maybell Quantum. Благодаря гибким квантовым проводам оно защищает кубиты от внешнего воздействия.

Кроме того, квантовые компьютеры требуют отдельного программного обеспечения. Как отмечает CEO американского стартапа Classiq Амир Минерби, тот, «кто ждет изобретения эффективного квантового компьютера и не занимается разработкой ПО, проиграет квантовую гонку».

Как квантовые вычисления изменят мир 

Квантовые машины планируется применять в любых областях, где мощности и скорости классических суперкомпьютеров не хватает для эффективного решения задач.

К примеру, помимо шифровки и дешифровки данных они сулят человечеству настоящий прорыв во всех областях, связанных с разработкой химических формул — например, в производстве новых лекарств и вакцин. Как показал опыт пандемии COVID-19, время играет в этой области решающее значение. 

Кроме того, квантовые компьютеры позволят моделировать оптимальные формулы для бытовых и промышленных химикатов, биоразлагаемых пластиков или безуглеродного авиационного топлива. Например, в 2019 году исследователи предсказали, что с помощью всего тысячи кубитов можно будет впервые точно смоделировать оптимальный метод производства аммиака для сельского хозяйства с минимальными выбросами углекислого газа. Сегодня эта отрасль является одной из самых вредных для окружающей среды. 

По мнению экспертов McKinsey, помимо фармацевтики и промышленной химии, новое поколение компьютеров в первую очередь будет использоваться в автомобилестроительной отрасли, финансах, а также развитии биологии и смежных с ней наук. «У нас есть веские основания полагать, что квантовый компьютер сможет эффективно моделировать любой процесс, происходящий в природе», — объясняет физик-теоретик из Колтеха Джон Прескилл. Ученый даже полагает, что компьютеры из десятков тысяч кубитов могут открыть новые законы физики, недоступные для наблюдения на текущем уровне развития техники.

Значительный прорыв ожидается и в сферах транспорта и логистики: мощности квантовых компьютеров позволят рассчитывать оптимальные маршруты для сложных систем с большим количеством внешних факторов. Исследователи также предполагают, что такие процессоры помогут улучшить алгоритмы обучения ИИ, наконец сделав сложные и масштабные системы беспилотного транспорта повседневной реальностью. Немецкий концерн Volkswagen уже активно сотрудничает с канадским квантовым стартапом D-Wave, чтобы претворить эти технологии в жизнь. 

При этом в научном сообществе по-прежнему высказываются полярные мнения о перспективности кубитных машин. «Одни говорят, что квантовые вычисления никому не нужны, никогда не будут работать, а квантовые компьютеры невозможно построить <...> , а есть гипероптимистичные коллеги, которые пытаются использовать квантовый компьютер для всего и решать любые задачи» — отмечает Алексей Федоров, руководитель научной группы в Российском квантовом центре. 

Такая парадоксальная ситуация, вероятно, связана с тем, что мы до сих пор многого не знаем о принципах и возможностях квантовой механики. Сам ученый выступает за компромиссный подход и считает, что инновация может качественно улучшить решение определенного спектра задач, но часть гипотез может со временем оказаться неверной. Пока квантовое превосходство не достигнуто, мы не знаем наверняка, в каких областях новое поколение компьютеров действительно сможет совершить прорыв. О том, какие компании и организации лидируют в квантовой гонке, мы поговорим в нашей следующей статье.