Квантовые компьютеры существуют и не существуют

«Квантовые компьютеры приведут к краху биткоина и всей традиционной криптографии», «при помощи квантовых вычислений будут решены все важнейшие научно-технические проблемы», «квантовые компьютеры — это мистификация, их не существует сейчас, и они не появятся никогда».

Такие мнения периодически появляются в прессе, а неподготовленному человеку непросто в них разобраться, потому что, как правило, аргументы сторонников и противников сопровождаются лесом формул, ссылками на научные труды и теории, понять которые очень трудно.

В этой статье — рассказ об истоках, настоящем и будущем технологии квантовых вычислений. БНТ постарается передать суть квантовых компьютеров простыми словами и дать читателям представление о том, чего стоит, а чего не стоит ждать от прогресса в этой области.

Запутанность и неопределенность

Два главных принципа, используемых для создания квантовых компьютеров, родились в квантовой механике — науке, которая полна парадоксов, оперирует сложнейшими абстракциями и опирается на серьезный математический аппарат. Квантовая суперпозиция — одно из таких понятий.

И то, и другое, и всё сразу

Частицы микромира, квантовые системы и их взаимодействия, изучаемые квантовой механикой, имеют так называемые «состояния». Упрощая, можно сказать так: частицы, используемые в квантовых компьютерах, имеют два состояния. Эти состояния можно определить, измерив параметры этих частиц. Но до того, как произошло измерение, частица находится сразу в двух состояниях.

Сам факт измерения подталкивает квант к тому, что он принимает какое-либо состояние. Это и есть квантовая суперпозиция: считается, что частица, которая не приняла ни одного состояния, находится сразу в обоих.

Какой прок для компьютерных технологий в этом странном факте? В том, что одна частица несет в себе информацию обо всех возможных своих состояниях. Если встроить операцию с этой частицей в какой-нибудь алгоритм, то есть сделать ее логической единицей хранения информации, — одним шагом можно совершить действие со всеми ее состояниями. Эта логическая единица называется «кубит».

В обычных компьютерах можно оперировать с единицей хранения информации — битом, который принимает только одно значение: «1» или «0». В квантовых же компьютерах кубит может иметь значение «1», «0» и, плюс ко всему, «1» и «0» одновременно.

Если у читателя при попытке представить и осмыслить эту концепцию голова пошла кругом, то нужно обрадовать его – это еще не всё. Дальше будет еще более странно и запутанно. Наверное, здесь стоит привести знаменитые ободряющие слова Ричарда Фейнмана, величайшего физика: «С уверенностью могу сказать: никто не понимает квантовую механику».

Запутанность, волшебство

Конечно, никакой магии в приведенном ниже принципе нет. Физики-теоретики с легкостью объясняют его множеством разных способов. Какой-то из них, возможно, и правильный. Важно лишь то, что само это явление подтверждено множеством экспериментов. Поэтому физики-практики и инженеры не тратят время на осмысление причин квантовой запутанности и просто используют ее.

Суть квантовой запутанности состоит в следующем: можно создать такие условия, когда две или больше частиц окажутся связанными — они будут синхронно менять свое состояние, как бы далеко друг от друга ни находились.

Например, изменилась поляризация или спин у одного фотона — то же самое моментально изменится и у другого. Если для подобного явления нет причин, нет подходящего поля, если для него нужна скорость больше скорости света — не беда. Так происходит, а значит, это можно применить в квантовых компьютерах.

Запутанные частицы — это очень полезная часть технологии квантовых вычислений. При помощи запутывания создаются связи между кубитами, проверяются их состояния, корректируются ошибки, считываются результаты работы. Квантовая запутанность — это возможность проводить очень быстрые и результативные параллельные вычисления на уровне, недоступном традиционным компьютерам.

Можно было бы завершить экскурс в теорию и перейти к более простым и понятным вещам — к примерам практической реализации квантовых вычислений, но есть еще один нюанс, который стоит уточнить. Перед тем как покинуть будоражащий воображение мир квантовой механики и вернуться в привычный макромир, нужно разобраться с декогеренцией.

Всё просто: декогеренция — это нарушение когерентности

А вот чтобы узнать, что такое когерентность, читателю необходимо ознакомиться с 900-страничным теоретическим исследованием на сайте arxiv.org. Впрочем, есть еще один способ — читать этот материал дальше.

Как было рассказано выше, квантовая суперпозиция и квантовая запутанность — это основные принципы, на которых построена технология квантовых вычислений. Создавать запутанность между кубитами ученые научились, считывать их состояния — тоже. Разработаны алгоритмы, которые позволяют использовать вычисления на кубитных процессорах.

Уже есть компьютеры, состоящие из нескольких десятков кубитов. Их можно потрогать, применить в исследованиях и даже купить (правда, ценник у таких «игрушек» кусается — десятки и сотни миллионов долларов).

Но есть физическое явление, которое не позволяет квантовым компьютерам развернуться в полную мощь и захватить мир. Название ему — декогеренция. Любые запрограммированные учеными схемы с запутанными кубитами стремятся к тому, чтобы потерять свое структурированное состояние: под действием внешней среды связи нарушаются и кубиты перестают выполнять программу. Это явление уже очень близко и знакомо любому человеку.

В макромире всё происходит похожим образом: системы теряют упорядоченность и стремятся к хаосу-энтропии, если их не изолировать от окружающего мира и не поддерживать эту изолированность, прикладывая дополнительную энергию.

Для борьбы с декогеренцией квантовые вычислительные блоки помещают в большие, дорогие и очень мощные криогенные установки, где поддерживается крайне низкая температура. Еще один путь борьбы с разрушением связей запутанных кубитов — дополнительные связи между ними. При этом часть кубитов используется исключительно для поддержания когерентности, то есть связанности, запутанности системы.

Логические и физические кубиты

Квантовые системы, естественно, очень капризны. Для их эксплуатации и поддержания в рабочем состоянии приходится прилагать серьезные усилия. Кроме декогеренции, вычисления на кубитах содержат сравнительно большую долю ошибок. Эти ошибки устраняют тем же способом — привлечением части кубитов вычислительной схемы к их контролю и исправлению.

Получающееся компьютерное устройство представляет собой блоки: физические и логические. Для того чтобы один логический кубит работал так, как это нужно, в рамках своей программы, без ошибок, без потери когерентности, его «обслуживают» десятки и сотни физических кубитов.

На этом теоретическая часть рассказа закончена (по крайней мере, самая сложная ее часть). В следующей статье БНТ расскажет о практических опытах и уже существующих квантовых компьютерах и их разработчиках.

Иллюстрация: Wired.com