Квантові комп‘ютери існують вже давно, але знайти зрозумілу інформацію про них не так просто. Ми спробували зібрати базову інформацію в одному місці. Тож як рахувати швидше за комп‘ютер? Як примусити квантову фізику працювати на вас? І яким буде завтрашній день комп‘ютерної техніки?
Сучасна комп‘ютерна техніка стикається з проблемою?
Так, задачі складнішають швидше, ніж комп‘ютери встигають ставати потужнішими. Швидкість комп‘ютерів зростає лінійно: чим більше обчислень робить процесор, тим швидше комп‘ютер.
Але у деяких задачах складність збільшується експоненційно. Наприклад: вгадати пароль з кількох цифр. Щоб простим підбором вгадати пароль з одинадцяти цифр, комп’ютеру треба близько двох секунд. Але з кожною цифрою пароля кількість можливих комбінацій буде збільшуватися у десять разів. На дванадцять цифр вже треба буде 25 секунд, на тринадцять — чотири хвилини, на вісімнадцять — дев’ять місяців. А на тридцять — сімсот п‘ятдесят мільярдів років. Не мільйонів, а мільярдів.
І це — найпростіший приклад такої задачі. Куди там прорахункам змін клімату чи складним медичним дослідженням Чим більше даних може варіюватись, тим більше станів треба буде прораховувати один за іншим.
А втім, що, як швидкість комп‘ютерів теж зможе зростати експоненційно? Що, якщо комп‘ютер зможе знаходитись в усіх цих станах одночасно?
Швидше за комп‘ютер?
У квантовій фізиці є поняття «суперпозиція». У звичайній фізиці об‘єкт одночасно може знаходитися лише в одному стані. Але з квантовими частинками все не завжди працює так. Іноді вони можуть знаходитися не в одному, і не в другому стані, а начебто між ними — в обох станах одночасно. Це називається «суперпозиція».
Квантовий комп‘ютер використовує її, щоб рахувати — і рахувати на порядки швидше, ніж звичайні машини. У звичному комп‘ютері дані записуються у бітах. Кожен з них може зберігати одне значення — або 0, або 1. Квантові комп‘ютери використовують квантові біти, або кубіти, що позначають водночас і 0, і 1, тобто знаходяться у стані суперпозиції.
Чим відрізняються біти від кубітів?
Таким чином, якщо два біти можуть мати значення 00, 01, 10 чи 11, то два кубіти мають всі ці значення одночасно. Але над нами можна проводить операції, і в залежності від їх характеру вірогідність перетворення на один чи нуль буде зростати, чи спадати. Значення груп кубітів зазвичай записують таблицями матриць, і ця зміна вірогідності — це зменшення чи збільшення кількості нулів у такій таблиці.
Квантові комп‘ютери можуть шукати збіг в базі даних, розкладати на множники й вгадувати відповіді зі швидкістю, недосяжною для звичайних комп‘ютерів.
Квантові комп‘ютери зараз розвиваються, як ніколи. ІВМ вже запустила «Osprey» — у комп‘ютера 433 кубіти.
Яким буде завтрашній день комп‘ютерної техніки?
Тільки є проблема. Більшість квантових комп‘ютерів зараз працюють на кубітах, що складаються зі надпровідників. А надпровідники потребують особливих умов.
Надпровідники — це спеціальні матеріали, у яких при надзвичайно низьких температурах спротив спадає до нуля. Це не має пояснень у класичній механіці й потребує квантової.
У кубітах між двома надпровідниками прокладена ізоляція, але властивості цих матеріалів дозволяють створити тунельний струм. Тобто, використовувати квантове тунелювання, проходити крізь стіну й опиняться за ізоляцією. Це дозволяє кубіту знаходитися у двох станах.
Але надпровідники виявляють свої надзвичайні властивості лише при дуже низьких температурах. Квантові комп‘ютери працюють при температурі в -273 градуси. Вони знаходяться у вакуумних корпусах і під‘єднані до надзвичайно потужних холодильних машин. Це обмежує їх розмір — саме тому вони такі маленькі. (Помічу, що це ще один стимул для людства колонізувати космос — на холодних планетах можна розташовувати великі квантові комп‘ютери та не витрачати так багато енергії на охолодження.)
Однак, ще два роки тому вчені зі Стенфордського Університету представили квантовий комп‘ютер, що працює завдяки фотонам і не залежить від температури. Дарма що у ньому всього лиш чотири кубіти, але це вже важливий крок до великих квантових систем, які за розмірами наблизяться до звичайних комп‘ютерів. І тоді ще більше загадок природи відкриються людям.
Іван Синенко
