Квантовые компьютеры  -  это не то, что вы думаете

Многие люди считают, что квантовые компьютеры найдут ответы на все вопросы.

В течение последних 50 лет наши информационные технологии следовали так называемому закону Мура — закону, который утверждает, что мощность компьютеров удваивается примерно каждые 18 месяцев. То есть, мы ожидаем, что каждый новый компьютер и смартфон будет более мощным, чем предыдущий, а также меньше и изящнее в дизайне. Однако эта тенденция не может продолжаться вечно. Некоторые исследователи даже полагают, что мы находимся в последние годы этой модели, поскольку наш прогресс в плане вычислительной мощности начинает выравниваться. Физик Митио Каку (Michio Kaku) предполагает, что это будет означать конец эры Силиконовой долины и может вызвать рецессию, если мы не будем использовать новые материалы, такие как графен, или внедрять новые инструменты, такие как квантовые компьютеры, чтобы продолжить наш прогресс.

Прежде чем мы перейдем к квантовым вычислениям, вот краткий обзор того, как работают обычные компьютеры: компьютерные чипы состоят из основных модулей, которые сделаны из логических элементов, которые, в свою очередь, представляют собой комбинацию транзисторов. Это то, чем является весь компьютер — ряд простых шагов, объединяющихся для создания более сложных процессов. Транзисторы — это электрические выключатели, которые работают так же, как выключатель лампочек. Они могут быть либо открытыми, либо закрытыми, разрешая или блокируя электрический ток и информацию. Эти простые маленькие компоненты необходимы для всей нашей электроники, и хорошая новость заключается в том, что чем мы их делаем меньшими, тем они будут быстрее и будут потреблять меньше энергии. Вот почему транзисторы сейчас приближаются к размеру одного атома.

Но с этой идеей есть проблема.

Миллиарды транзисторов в вашем ноутбуке и смартфоне сегодня составляют около 14 нанометров или меньше (чтобы получить представление о том, насколько это мало, представьте, что толщина человеческого волоса составляет около 100 000 нанометров), — это число, которое очень мало и впечатляет. Но как только транзисторы достигают достаточно малого масштаба, они склонны к квантовому туннелированию. Это означает, что когда транзисторы пытаются заблокировать электроны от прохождения, эти электроны в любом случае могут просто появиться на другой стороне. Это приводит к гораздо большему количеству ошибок и шуму, что приводит к большей коррекции ошибок, которая, в свою очередь, требует более мощных процессоров и так далее. Идея квантовых компьютеров состоит в том, чтобы взять эти явления квантовой области и использовать их в наших интересах для создания лучших машин.

В обычных компьютерах информация кодируется как биты, которые могут иметь значение либо 1, либо 0. Чем больше бит у вас есть, тем более сложной может быть ваша информация. Эти единицы и ноли может исходить от компьютера, включающего или выключающего напряжение в цепи. Вместо битов квантовые компьютеры используют кубиты (квантовые биты, которые могут быть сделаны с использованием фотона, электрона или ядра), которые могут находиться в состоянии 1, 0 или их комбинации. В так называемой суперпозиции кубиты могут находиться между состояниями. Например, это может быть 30% единицы (1) и 70% ноля (0). Кубиты попадают в определенное состояние, только если они наблюдаются. 

Это, например, означает, что в то время как классические 4 бита могут быть только в одной из 16 возможных комбинаций, кубиты могут находиться во всех 16 из этих комбинаций одновременно.

Сверхпроводящий кубит.

Иначе говоря, атомы вращаются вверх или вниз в магнитном поле. Спин вверх —  это 0, спин вниз  —  это 1. Теперь представьте, что атом вращается с наклоном. Эта способность находиться в нескольких состояниях одновременно является сердцем суперпозиции.

Если простое наблюдение за этими кубитами изменяет их и вызывает потерю информации, вы можете себе представить, насколько они чувствительны. Одна из проблем наших квантовых компьютеров в том, что квантовые эффекты чрезвычайно чувствительны. Жара, шум, и пыль могут заставить кубиты изменить их положение суперпозиции так, что они будут должны быть экранированы и находиться при очень холодных температурах, иногда только на несколько градусов выше чем абсолютный нуль (–273,16°С). Исследователи используют резонаторы, чтобы видеть и считывать состояние кубитов, так как резонаторы гораздо легче взаимодействуют с ними.

Другие явления, используемые этими компьютерами, — это квантовая запутанность и интерференция. Запутывание — это знаменитое «ужасное действие на расстоянии», о котором говорил Эйнштейн. Это связь между частицами, при которой изменение одной из них сразу же изменит ее аналог, независимо от того, насколько велико расстояние между ними. Интерференция — это способность управлять квантовыми состояниями, чтобы усиливать сигналы, направляемые к правильному ответу, и отменять сигналы, направленные к неправильному, это очень похоже на то, как шумоподавляющие наушники используют заданные звуковые волны волны для гашения входящих шумовых волн, оставляя только тишину.

Хотя всё это звучит очень многообещающим, многие люди считают, что квантовые компьютеры найдут ответы на все вопросы и откроют нам новую эру суперпередовых технологий и футуризма. Правда же в том, что у вас даже не будет квантового компьютера для личного использования. Они более лучшие чем классические компьютеры только для очень специфически функций, таких как атомные связи и поиск в базе данных. Это проблемы, которые достаточно сложны для обычных компьютеров. С точки зрения моделирования процессов в природе, таких как фотосинтез, наши компьютеры не могут этого сделать, потому что природа кодирует свою информацию в квантовой механике. Для моделирования квантовых событий требуется квантовая машина.

Другие виды использования этих компьютеров —  это моделирование работы человеческого мозга, имитирование химического связывания, анализ больших объемов данных, моделирование изменений климата и лучший прогресс в области искусственного интеллекта.

Если задача требует, чтобы вы нашли один правильный ответ из 100 миллионов вариантов, обычный компьютер сделает 50 миллионов шагов, чтобы найти ответ. Квантовый компьютер сделал бы это только пройдя 10 тысяч шагов. Это известно как алгоритм Гровера и это пример того, что квантовые машины могли бы сделать лучше, чем обычные.

Мы сталкиваемся со многими такими же проблемами, что и при программировании первых компьютеров, а также с новыми проблемами, такими как время когерентности — как долго кубит может хранить информацию. Компании также начали принимать меры безопасности, поскольку квантовые компьютеры могут работать с математикой, лежащей в основе шифрования, которое защищает наши чаты, социальные сети, интернет-магазины и банки.

Однако, на данный момент квантовые компьютеры еще не могут функционировать лучше, чем наши классические компьютеры, и, как ожидается, не будут это делать в течение по крайней мере еще одного десятилетия.