Пару слов от автора
Привет, друзья! Пожалуйста, не ищите в этой статье сильно экспертных технических деталей - их тут не будет. Идея написать статью про квантовые компьютеры родилась из обсуждения в моем телеграм канале про ИИ (ссылку здесь оставлять не буду - не люблю, когда ими светят наверху статьи, все нужные ссылки будут в конце). Был запрос - описать квантовые компы подробнее - но чтобы понятно было всем, потому что все (или почти все), что есть в сети по этой теме - слишком сложно. И я постарался, как всегда, описать сложные вещи по-простому, на пальцах - чтобы технологии стали немного поближе к нам. Было нелегко, особенно выцепить самое важное, оставив за рамками сложность, формулы и все такое - и я очень надеюсь, что статья будет полезна.
Введение
Квантовые компьютеры часто звучат как что-то из научной фантастики – говорят, они способны на чудеса вычислений, недоступные обычным ПК. Но это не магия, а реальная технология, основанная на законах квантовой физики. Квантовые компьютеры уже существуют и работают в лабораториях по всему миру, хотя пока далеки от повседневного использования. К теме приковано огромное внимание: правительства инвестируют миллиарды (Китай, США, Европа и др.) в развитие квантовых технологий, а ведущие компании соревнуются, кто продвинется дальше. Давайте разберёмся простыми словами, что такое квантовый компьютер, чем он отличается от привычного, за счёт чего достигается его мощность и как эти странные машины могут изменить наш мир.
Чем квантовые компьютеры отличаются от классических?
Наши обычные компьютеры – будь то смартфон или ноутбук – оперируют битами, которые могут принимать значение либо 0, либо 1. Представьте крошечный выключатель: в положении "выкл" — это 0, в положении "вкл" — 1. Внутри чипов такие крошечные переключатели (транзисторы) миллиарды раз в секунду щёлкают между 0 и 1, выполняя логические операции и вычисления.
Квантовый компьютер устроен иначе. Вместо битов в нём используются квантовые биты – кубиты, которые могут быть одновременно и 0, и 1. Иными словами, один кубит способен хранить суперпозицию двух состояний сразу. А группа из нескольких кубитов может кодировать сразу множество комбинаций битов. Например, 4 кубита могут одновременно представить все 16 возможных комбинаций нулей и единиц.
Это колоссальное отличие. Обычный компьютер перебирает варианты последовательно, один за другим. А квантовый как бы рассматривает все необходимые варианты одновременно. Представьте, что вы забыли код от сейфа. Классический ПК будет перебирать все комбинации цифр по очереди, пока не найдёт правильную. Квантовый же мог бы "проверить" сразу всё и мгновенно выдать правильный код.
В реальности, конечно, все не так просто. Нужно придумать специальный квантовый алгоритм, чтобы извлечь пользу из этой способности. Но для ряда задач такие алгоритмы существуют. К примеру, есть квантовый алгоритм поиска, позволяющий найти нужный вариант среди триллиона комбинаций буквально за секунды – тогда как обычному компьютеру на перебор ушли бы недели. Выходит, на некоторых задачах квантовый компьютер способен дать не просто прирост, а качественно новый уровень производительности.
Важно понимать, что квантовый компьютер не быстрее во всём подряд (в доту на нем не поиграть). Если попросить квантовую машину и обычный ПК сложить два числа, они справятся одинаково – тут никакой выгоды у "кванта" нет. Сила квантовых компьютеров проявляется в особых задачах, где нужно перебрать невероятно много вариантов или смоделировать сложные системы. Обычный комп делает это последовательно, а квантовый – параллельно за счёт природы кубитов. Именно поэтому говорят, что квантовые компьютеры решают некоторые задачи, "непосильные" классическим суперкомпьютерам.
Но как им удаётся быть в нескольких состояниях сразу? Для этого нам нужно разобрать несколько квантовых терминов: суперпозицию, запутанность и принцип измерения.
Квантовая магия: суперпозиция, запутанность и измерение
Квантовая физика описывает поведение мельчайших частиц – атомов, электронов, фотонов. На таком микроскопическом уровне природа ведёт себя непривычно с точки зрения нашего здравого смысла.
Суперпозиция: Ключевое свойство – уже упомянутая суперпозиция. Это когда объект находится одновременно во всех возможных состояниях. Вы могли слышать про мысленный эксперимент с кошкой Шрёдингера, которая одновременно живая и мёртвая, пока ящик закрыт. Это и есть наглядный образ суперпозиции. Конечно, в реальности никто не мучает котиков – но квантовые частицы действительно могут быть "две в одном". Представьте монетку. Если подбросить её в воздух, пока она крутится – для вас она одновременно и орёл, и решка. Вы не можете знать, чем она упадёт, пока монетка не приземлится на ладонь. В мире кубитов "крутящаяся монетка" – нормальное состояние. Кубит может быть сразу и орлом, и решкой - комбинацией 0 и 1.
Измерение: Но стоит нам его измерить (то есть фактически "посмотреть на него"), и суперпозиция исчезает – монетка падает одной стороной. Результат измерения кубита даст либо 0, либо 1, как и у обычного бита. Это называется коллапс волновой функции. Важно подчеркнуть: хотя до измерения кубит может одновременно представлять много состояний, после измерения мы всегда получаем однозначный результат – классические данные. Из-за этой особенности квантовые алгоритмы устроены так, чтобы в конце расчётов нужный ответ получался с высокой вероятностью, когда все кубиты "опросятся". Если попробовать подсмотреть раньше времени, весь квантовый параллелизм тут же исчезнет.
Запутанность: Второй квантовый эффект – запутанность. Это вообще похоже на фокус: когда два или более кубита связаны невидимой нитью. Запутанные частицы ведут себя как единая система, даже если разделены огромным расстоянием. Изменив состояние одного такого кубита, мы мгновенно изменим состояние и другого – как будто у них телепатическая связь. Эйнштейн называл это "странным дальнодействием". Проще говоря, запутанная пара кубитов – как две идеально синхронизированные монетки: подбросьте их в разных городах, и они всё равно выпадут согласованно (например, обе одинаковой стороной вверх или, наоборот, противоположными). Добавляя всё больше запутанных кубитов в вычисления, учёные могут значительно повышать мощность квантового компьютера за счёт коллективной обработки информации.
Эти три явления – суперпозиция, запутанность и коллапс при измерении – лежат в основе работы квантовых компьютеров. За счёт суперпозиции квантовая машина как бы рассматривает многие варианты сразу, а с помощью запутанности кубиты действуют согласованно, усиливая друг друга. Но стоит считать результат, и мы возвращаемся в привычный цифровой мир 0 и 1.
Если хотите подробнее прочитать про суперпозицию, изменерение и запутанность, прилагаю несколько ссылок (я сам разбирался по ним, но в статью включил только самое важное и верхнеуровневое):
1) Quantum Inspire - Superposition and Entanglement
2) The Quantum Leap’s Beginner Guide to "Superposition"
3) The Conversation - What is quantum entanglement
4) Understanding Quantum Mechanics #2: Superposition and Entanglement
Итак. Мы немного разобрались в терминах, теперь давайте посмотрим, что же квантовые компьютеры умеют делать на практике, и зачем их все разрабатывают.
Практические применения квантовых вычислений
Итак, какие задачи по силам квантовому компьютеру? Уже сейчас известны несколько направлений, где его способность просчитывать множество вариантов одновременно дает революционное преимущество:
Криптография
Мы каждый день пользуемся шифрованием – от интернет-банкинга до переписки в мессенджерах – и современная криптография опирается на то, что взлом кода занимает у классического компьютера миллионы лет. Например, чтобы подобрать пароль или факторизовать (разложить) очень большое число, обычному ПК пришлось бы перебрать бесчисленное количество комбинаций. Квантовый же компьютер, теоретически, способен сделать это в разы быстрее, просматривая комбинации параллельно. Самый известный пример – алгоритм Шора, который может взломать популярные сегодня системы шифрования, разобрав огромные числа на простые множители значительно быстрее лучшего классического алгоритма. И хотя действующий квантовый компютер пока не взломал, скажем, банковскую систему, перспектива этого уже заставляет криптографов разрабатывать новые методы защиты (квантово-устойчивые алгоритмы). Гонка "квантового вооружения" в кибербезопасности уже началась.
Разработка лекарств и материалов
Молекулы и материалы – чрезвычайно сложные системы для расчёта. Их свойства определяются взаимодействием множества атомов и электронов, и симулировать это поведение на обычном компьютере крайне трудно, поскольку вариантов взаимодействий бесчисленно много. Квантовый компьютер по сути говорит на одном языке с молекулами – квантовом. Он может одновременно учитывать сразу все возможные конфигурации электронов и атомов, что позволяет намного точнее и быстрее моделировать химические процессы. Это означает возможность находить новые препараты и материалы не годами перебора, а значительно быстрее. Уже сейчас ведущие фармацевтические компании и научные группы экспериментируют с квантовыми вычислениями в поисках лекарств от болезней вроде Альцгеймера и рака. В будущем квантовый компьютер может стать чем-то вроде "виртуальной лаборатории", где учёные будут мгновенно проверять свойства молекул, вместо долгих экспериментов методом проб и ошибок.
Искусственный интеллект и большие данные
Современные ИИ-системы требуют колоссальных вычислительных мощностей. Обучение сложной модели может занимать недели и месяцы даже на самых мощных суперкомпьютерах. Квантовые компьютеры обещают ускорить некоторые виды вычислений для ИИ. Благодаря параллельной природе кубитов, квантовая система могла бы обрабатывать огромные массивы данных одновременно, находя в них скрытые закономерности намного быстрее. Есть мнения, что квантовые алгоритмы позволят существенно ускорить обучение нейросетей и сделать возможным анализ больших данных там, где классические методы буксуют. Проще говоря, в будущем ваш голосовой помощник или умный автомобиль могут обучаться куда быстрее, если "под капотом" у них будет помогать квантовый сопроцессор.
Оптимизация и логистика
Ещё одна сфера – оптимизационные задачи. Например, распределение потоков транспорта в городе, расписание тысяч самолётов, оптимизация производственных цепочек или финансовых портфелей. Во всех этих задачах нужно подобрать оптимальное решение из комбинации множества условий, и число вариантов растёт взрывным образом. Классические компьютеры часто используют приблизительные методы, потому что перебрать всё точно – слишком долго. Квантовый же подход может дать преимущество. Известен показательный эксперимент: компания Volkswagen протестировала в Лиссабоне систему управления городскими автобусами с помощью квантового алгоритма, запущенного на компьютере D-Wave. Алгоритм эффективно распределял транспортные потоки в режиме реального времени. Это был один из первых случаев, когда квантовый компьютер применили в реальной городской задаче, оптимизируя трафик. Подобных пилотных проектов становится всё больше – от логистики до задач планирования в науке и бизнесе.
Конечно, список этим не исчерпывается. Квантовые вычисления потенциально затронут и другие области – от финансового моделирования до поисковых алгоритмов. Но уже по этим примерам видно: квантовые компьютеры нужны не для ускорения Word или видеоигр, а для совершенно иных, сложных вычислительных проблем. Обычный ноутбук – как универсальный швейцарский нож, он подходит понемногу для всего. Квантовый же компьютер – скорее узкоспециализированный инструмент, как лазерный станок: делает одну вещь, но очень быстро и эффективно.
Текущее состояние и перспективы
Если квантовые компьютеры такие классные, почему же они до сих пор не заменили обычные? Дело в том, что создать и запустить квантовый компьютер невероятно сложно. Эти машины пока капризны, дорогие и требуют особых условий.
Современный квантовый компьютер – это, по сути, научная установка размером с большой шкаф (как раньше были обычные - лет 70 назад). Работает он при экстремальных температурах и условиях. Например, кубиты на основе сверхпроводников (именно такие используются в процессорах Google и IBM) функционируют только при температуре, близкой к абсолютному нулю – около –273°C. (Для сравнения, космический вакуум "теплее" – около –270°C). Квантовый чип обычно помещается в специальный криостат – такой "золотой холодильник", где поддерживается сверхнизкая температура и вакуум.
Любой "шум" – нагрев, вибрация, электромагнитные помехи – приводит к потере данных. Да, квантовые компьютеры очень нежны. Помните аналогию: обычный комп – надёжный повседневный ноутбук, а квантовый – суперкар, требующий идеально ровной трассы. Малейшая вибрация или крошечное изменение температуры могут вывести кубиты из строя. Этот эффект называется декогеренцией: квантовое состояние разрушается из-за взаимодействия с внешней средой. Поэтому квантовые машины размещают в специализированных лабораториях, нашпигованных защитой от шумов – толстые слои охлаждения, экраны от электромагнитных полей, вакуумные камеры и т.д. Всё это громоздко и дорого.
Ещё одна проблема – стабильность и ошибки. Кубиты не только сложно удержать, но и заставить работать долго без ошибок. В традиционном компьютере ошибка – редкость (бит случайно "переключился" – маловероятно). В квантовом же шум и нестабильность приводят к ошибкам постоянно. Учёные разрабатывают методы квантовой коррекции ошибок, при которой одна логическая единица информации кодируется с помощью множества физических кубитов сразу, чтобы поправлять друг друга. Но это требует намного больше кубитов и ещё сложнее инженерно. Пока что полноценной "безошибочной" квантовой машины нет, но в 2023 году специалисты сделали важный шаг: удалось создать первый прототип логического кубита с коррекцией ошибок, что вселяет оптимизм в преодоление этой преграды.
Таким образом, сейчас квантовые компьютеры находятся примерно там же, где обычные компьютеры были в 50-х годах: огромные, дорогие, неудобные, с ограниченными задачами. Тем не менее прогресс идёт быстрыми темпами. Ещё десять лет назад учёные оперировали 5–10 кубитами, а сегодня существуют чипы со 100 и более кубитами. В 2019 году компания Google впервые заявила о достижении "квантового превосходства": её процессор Sycamore на 53 кубитах выполнил вычисление за 200 секунд, которое у самого мощного суперкомпьютера заняло бы тысячи лет. Это был демонстрационный эксперимент, но важный – он показал реальность преимуществ квантовых вычислений (опять же - помним про очень специфические задачи).
С тех пор квантовые процессоры стали ещё мощнее. В 2021–2022 гг. IBM создала чипы на 127 и 433 кубита, а к концу 2023 представила квантовый процессор уже с 1121 кубитом (IBM Condor). Пока эти тысячи кубитов нельзя полноценно задействовать без ошибок, но рост впечатляет. В Китае в 2024 году запущен квантовый компьютер на 198 кубитах, который успешно провёл самое масштабное на сегодня квантовое моделирование (задача по гидродинамике). В России тоже есть успехи: в 2021–2022 годах в МГУ показали прототип квантового компьютера на 50 кубитах (на атомах рубидия в лазерных ловушках), который доступен через облако для исследований. Это лишь прототип, но планка постоянно повышается – российские учёные нацелены расширить его до 100 кубитов и выше.
Перспективы квантовых компьютеров огромны, но и неопределённы. Эксперты считают, что для по-настоящему полезных приложений (например, взлома криптографии RSA или точной симуляции сложных молекул) нужны тысячи или миллионы кубитов плюс эффективная коррекция ошибок. Оптимистичный прогноз – такие машины появятся через 10–20 лет. Более осторожные прогнозы говорят о середине века.
Скорее всего, квантовые компьютеры сначала станут инструментом для научных лабораторий и крупных компаний – ускоряя открытия в науке, фарме, материаловедении, оптимизации. Для рядовых же пользователей напрямую они могут и вовсе не понадобиться: никто не будет хранить дома шкаф при -273°C вместо ноутбука. Скорее, квантовые вычисления будут доступны по модели облачного сервиса – когда нужно, учёные или компании будут отправлять задачи на квантовый дата-центр через интернет. А в быту наши гаджеты останутся классическими, хотя их начинка может получить квантовые сопроцессоры для специфических операций.
За квантовыми технологиями сейчас идёт настоящая гонка, сравнимая с космической в середине XX века. Лидерами являются крупные технологические корпорации и национальные научные программы разных стран. Например, IBM, Google, Microsoft, Intel, Amazon и другие.
На самом деле, работа кипит по всему миру. Причём, что интересно (учитывая все нынешние реалии), в квантовых технологиях много международного сотрудничества – учёные публикуют результаты в открытой печати, собираются на конференциях, крупные компании дают доступ к своим машинам для исследователей. Соревнуясь, все вместе они двигают науку вперёд. Каждый дополнительный кубит – это новый рекорд, каждая находка в улучшении стабильности – шаг к тому, чтобы квантовые компьютеры из лабораторного чуда превратились в рабочий инструмент.
Заключение
Квантовые компьютеры – это захватывающе и… очень сложно. С одной стороны, они уже сейчас умеют то, что не снилось обычным машинам: могут решать отдельные задачи на порядки быстрее, проводить уникальные вычислительные эксперименты. С другой стороны, до широкого применения еще далеко: нужны годы исследований, прежде чем квантовые компьютеры станут надёжными и достаточно мощными для практических целей.
В ближайшее десятилетие мы, вероятно, увидим постепенный прогресс. Квантовые устройства будут становиться мощнее и стабильнее, появятся первые действительно полезные приложения в науке и индустрии, которые невозможно выполнить на классических суперкомпьютерах. Но ждать квантовый ноутбук у себя дома не стоит – очень уж специфичны требования к этим машинам. Скорее всего, квантовые компьютеры останутся в центрах исследований и корпорациях, работая по принципу удалённого доступа.
Такие компьютеры действительно немного "волшебные", но теперь вы знаете, как это волшебство работает. И это уже не фантастика, а реальность, которая творится в лабораториях прямо сейчас, шаг за шагом приближая нас к новым открытиям.
Еще пару слов от автора
Я люблю не просто писать, а делать это так, чтобы было еще и интересно и супер понятно. Помимо статей на хабре, я веду свой авторский телеграм-блог That's IT, в котором выкладываю ежедневные самые крутые новости мира ИИ и технологий в коротком формате "под утренний кофе", делюсь своими мыслями про тренды и веяния, и мы вместе с подписчиками рассуждаем, например, про то, когда же уже ИИ уничтожит человечество. У нас интересно и очень уютно, а еще есть котики - заходите!
