Квантовые вычисления — будущее или просто дорогая игрушка? Технология обещает революцию в мире вычислений, но пока остается в рамках научных экспериментов и дорогостоящих разработок. В этой статье мы разберем основные принципы квантовых технологий, выясним, какие задачи уже могут решать квантовые компьютеры и что мешает их массовому использованию. Попробуем понять и предсказать, как эти вычислительные машины могут изменить привычный мир технологий.
Что такое квантовые технологии
В поп-культуре слово «квант» давно стало символом науки, загадочности и даже фантастики. Оно встречается в боевике «Квант милосердия», сериале «Квантовый скачок», видеоигре Quantum Break или романе «Квантовый вор». Во всех этих примерах термин используется скорее для придания эффектности, чем в точном научном смысле.
Темы квантовых парадоксов тоже активно эксплуатируются в культуре. Самый известный из них — мысленный эксперимент с котом Шредингера, который одновременно жив и мертв, пока мы не заглянем в коробку.
Еще один известный пример, который активно используют писатели-фантасты и сценаристы (а ученые смогли решить) — парадокс убитого дедушки. Он возникает, когда путешественник во времени мешает собственному рождению, из-за чего в будущем он не сможет отправиться в прошлое.
Квантовые технологии основаны на принципах квантовой механики — раздела квантовой физики, описывающего поведение материи на микроскопическом уровне. Квантовая физика описывает законы, действующие на уровне мельчайших частиц, и открывает возможности, которые недоступны классической физике. Чтобы понять, как это работает, разберем ключевые принципы.
Квант — наименьшая единица, которую можно выделить при обмене энергией. На столь микроскопическом уровне(~10⁻¹⁵ м) действуют иные законы физики. Например, частицы могут находиться сразу в нескольких состояниях (принцип суперпозиции) и мгновенно «связываться» друг с другом на любом расстоянии (квантовая запутанность).
Принцип суперпозиции – в классической физике объект может находиться только в одном определенном состоянии, в квантовой механике — сразу в нескольких. Например, компьютерный бит может принимать одно из двух значений: 0 или 1. Квантовый бит — кубит — может быть одновременно в двух состояниях (0 и 1+), два кубита — уже в 4 состояниях, а десять имеют 210 возможных состояний до момента измерения.
Квантовая запутанность возникает, когда квантовые частицы находятся в одном состоянии и описываются общей волновой функцией. Это можно представить, как две стороны одной монеты: если на одной из них «орел», на второй всегда будет «решка», даже при большом расстоянии между объектами.
Сфера применения квантовых технологий очень широка, поэтому ее делят на три основные субтехнологии:
Квантовые вычисления используют принципы квантовой механики для вычислений. Компьютеры, работающие благодаря кубитам, будут способны выполнять расчеты такой сложности, которая недоступна современным суперкомпьютерам.
Классическому суперкомпьютеру потребуется 5 миллиардов лет, чтобы разложить число с 500 десятичными знаками на простые множители. Квантовый компьютер, по теоретическим расчетам, справится с этой задачей всего за 18 секунд.
Квантовая криптография — защита информации с помощью законов физики. Передача ключей в системе происходит с использованием индивидуальных квантовых частиц и квантовой запутанности.
Квантовые сенсоры и метрология — высокоточные измерительные приборы высочайшей чувствительности.
Как работают квантовые вычисления
Квантовая теория возникла в первые годы XX века и стала основой для множества современных технологий. Например, в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения (генерация нового фотона при переходе квантовой системы между двумя состояниями). Это ключевой принцип работы лазеров, которые создали только в 1960 году. Позже, благодаря развитию квантовой механики, появились транзисторы, светодиодные дисплеи, атомные часы и многое другое.
Квантовые вычисления используют свойства квантовых частиц — атомов, молекул, фотонов, электронов и макроструктур на их основе. Благодаря этому удается достичь квантовых явлений (суперпозиции и запутанности) и синтезировать новые материалы, моделировать сложные молекулы или производить вычисления и оптимизацию, недоступные обычным компьютерам.
Сегодня квантовые технологии продолжают развиваться, но большинство передовых разработок пока остаются на уровне лабораторных исследований и теоретических расчетов. Однако есть и практические достижения. В 2016 году Китай запустил первый квантовый спутник «Мо-цзы», который позволил создать защищенный канал связи между Пекином и Веной. Еще через год открыли квантовую линию между Китаем и Шанхаем.
Частные компании тоже проявляют интерес к новым технологиям. Google, IBM, Intel и Microsoft вложили более 500 миллионов долларов в развитие квантовых компьютеров и создали крупные лаборатории и исследовательские центры. В попытке окупить инвестиции Microsoft предоставляет доступ к квантовым вычислениям на облачной платформе Azure Quantum.
Google поделилась результатами разработки в конце 2024 и анонсировала чип Willow. По заявлению представителей компании, им удалось решить одну из главных проблем масштабирования квантовых вычислений — коррекцию ошибок.
Измерение состояния кубита — сложная задача. Любая попытка может нарушить квантовую сцепленность. Чтобы минимизировать погрешность вычисления, приходится повторять множество раз и объединять несколько «шумных» (нестабильных) физических кубитов в один «идеальный» (стабильный) логический. Однако с ростом числа кубитов ошибки накапливаются экспоненциально, делая систему все более нестабильной.
Мощность Willow всего 105 физических кубитов, в то же время для создания полноценного квантового компьютера, решающего специализированные задачи (CRQC), потребуются миллионы кубитов.
Как развитие квантовых технологий изменит цифровую среду
Квантовые технологии меняют подходы к вычислениям, безопасности и передаче данных. Они открывают новые возможности для криптографии, связи и ИИ. Уже сегодня разрабатываются системы, способные противостоять атакам будущего, и создаются сети, использующие законы квантовой механики для передачи информации.
Квантовая криптография
Квантовые вычисления — двойственная технология. С одной стороны, они могут угрожать существующим криптографическим системам, с другой — открывают новые возможности для защиты данных.
Современные криптографические протоколы основаны на сложности разложения больших чисел на простые множители. Традиционные компьютеры выполняют такие операции крайне медленно, однако квантовые вычислители способны справляться с ними значительно быстрее. Например, развитие квантовых систем сделает небезопасными многие традиционные алгоритмы криптографии:
Электронная подпись (ECDSA, DSA или ГОСТ Р 34.10-2018);
Распределение ключей (ECDH, DH);
Асимметричное шифрование (RSA).
Особенности работы квантовых алгоритмов, таких как алгоритм Шора, существенно ускоряют процесс факторизации. Если квантовые компьютеры достигнут достаточной мощности, они смогут быстро и легко решать математические задачи, на которых основаны традиционные криптографические алгоритмы, например RSA или ECC
Квантовые технологии можно использовать и для усиления защиты. Ключевое направление — квантовое распределение ключей — метод создания абсолютно защищенных каналов связи. Любая попытка перехвата данных в подобных системах будет мгновенно фиксироваться благодаря свойствам квантовых состояний.
Еще одна важная область — генерация случайных чисел (RNG). В традиционных цифровых системах генераторы чисел основаны на детерминированных алгоритмах, из-за чего они не обеспечивают абсолютной непредсказуемости.
Квантовые технологии позволяют создать генераторы, в которых случайность определяется фундаментальными физическими процессами. Это повышает надежность криптографических систем и находит применение в научных моделях, игровых алгоритмах и других областях.
Постквантовая криптография
Современная криптография с открытым ключом основана на задачах, которые квантовые компьютеры могут решать за полиномиальное время. Это означает, что для них такие вычисления не слишком сложны и увеличиваются в нагрузке плавно, а не взрывным образом, как в классических алгоритмах. С ростом квантовых мощностей такие системы могут оказаться под угрозой.
Постквантовые алгоритмы лишены этого недостатка. Для них не существует эффективных методов взлома, а стойкость обеспечивается математическими задачами, для которых пока не найдено быстрых решений, например:
расшифровка зашифрованных данных без знания ключа с использованием линейных кодов;
поиск кратчайшего вектора в решетке (shortest vector problem);
нахождение коллизий и прообразов в криптографических хэш-функциях.
Эти принципы лежат в основе различных направлений постквантовой криптографии, включая:
кодовую криптографию (code-based cryptography);
криптографию на решетках (lattice-based cryptography);
хэш-криптографию (hash-based cryptography);
и другие подходы.
Такие алгоритмы создаются с расчетом на будущее — когда появятся полноценные квантовые компьютеры и традиционные системы шифрования окажутся под угрозой.
Квантовые коммуникации
Защищенные системы связи, в которых неизменность и достоверность данных гарантируется не алгоритмами, а физическими принципами — новый возможный этап развития безопасной цифровой среды
Обмен данными будет строиться на использовании квантово-оптических технологий и световых частиц для кодирования, хранения и передачи информации.
Работать это будет так: два участника формируют общий квантовый ключ, который опирается на принцип невозможности точного измерения или дублирования квантового состояния без его изменения.
Аппаратура для этой технологии включает квантовый передатчик, который генерирует и отправляет сигналы, и квантовый приемник, принимающий и интерпретирующий. Для их синхронной работы необходима целая сеть коммуникационных каналов: служебный классический, канал синхронизации и квантовый канал. Взаимодействие этих компонентов формирует комплексную систему квантовой связи.
За последние годы технологии прошли путь от теоретических концепций к практическому применению. Их востребованность обусловлена стратегической значимостью квантовой связи для цифровой независимости и безопасности информации.
Например, квантовая сеть в России связывает 12 городов: включая Санкт-Петербург, Москву, Казань, Екатеринбург и Ростов-на-Дону. В 2024 году ее протяженность уже превышает 7 тыс. км, а к 2030 году планируется расширить ее до 15 тыс. км.
Квантовый интернет
Для раскрытия потенциала квантовых вычислений недостаточно одного или нескольких квантовых компьютеров. Для обработки десятков или даже сотен тысяч кубитов разного вида потребуется сеть из подобных устройств, объединенных через квантовый интернет.
Квантовый интернет — это гипотетическая сеть, которая объединит квантовые компьютеры или дата-центры, способные обрабатывать, передавать и получать данные, закодированные в квантовых состояниях. Он не заменит традиционный интернет, а дополнит его, обеспечивая максимальную защиту критически важной информации.
Для передачи привычных данных дешевле и привычнее использовать обычный интернет. Поэтому квантовая сеть будет решать три основные задачи:
1. Защита информации
Одно из главных преимуществ квантового интернета — высокая степень безопасности. Она достигается благодаря квантовому распределению ключей (QKD), которое реализуется через различные протоколы, такие как B92, BB84, E91.
Суть технологии — в передаче ключей по квантовому каналу. Пока она ограничена короткими дистанциями передачи и подвержена шумам, однако успешные тестовые передачи данных между банками Швейцарии и Австрии подтверждают перспективность метода.
2. Сенсорные сети
Квантовый интернет можно использовать для передачи данных между датчиками без необходимости их преобразования в традиционный цифровой формат. Уже сейчас эта возможность востребована в научных исследованиях, например, Большом адронном коллайдере. Квантовая сеть позволит повысить точность приборов, работающих с квантовыми объектами, сразу на несколько порядков.
В перспективе квантовую связь можно использовать в астрономии: телескопы, объединенные квантовым интернетом, смогут создавать запутанность между своими датчиками, обеспечивая более точные изображения космоса. Технология окажет значительное влияние на изучение черных дыр, кварков, ионов и гравитационных волн.
3. Квантовые вычисления
Глобальная квантовая сеть обеспечит рост производительности без необходимости создания новых дорогостоящих устройств. Объединенный ресурс квантовых компьютеров может быть использован для различных целей, от разработки лекарств от сложных заболеваний или анализа полимерных цепочек для создания более прочных и доступных материалов.
Квантовый Интернет вещей
QIoT или квантовый Интернет вещей сочетает в себе особенности квантовой связи и привычных умных устройств (IoT) и включают несколько основных компонентов:
Квантовые датчики для сверхточных измерений
Квантовые процессоры для обработки огромных массивов данных в реальном времени
Квантовые сети с защищенными каналами связи
Квантовые шлюзы для интеграции с классическими устройствами и другими сетями
Чтобы получить массовое распространение, QIoT предстоит решить множество проблем: слабая развитость квантовых технологий, отсутствие протоколов и стандартов взаимодействия квантовых и классических систем, а также высокие затраты и специфические условия для производства и работы квантового оборудования.
Квантовый ИИ
Технология искусственного интеллекта, способного достоверно имитировать когнитивные способности человека — такие как обучение и решение задач, — начала развиваться еще в середине прошлого века. Однако настоящий прорыв произошел в последние годы благодаря развитию нейросетей, которые значительно расширили возможности машинного обучения.
Машинное обучение — направление искусственного интеллекта, которое занимается разработкой алгоритмов для анализа данных и обучении принятия решений на их основе без необходимости прямого программирования.
Объединение машинного обучения и квантовых вычислений создает новую область исследований — квантовый искусственный интеллект (QAI). Разработки в ней могут значительно улучшить возможности ИИ с мощностью квантовых преимуществ.
Квантовые нейронные сети и обучающие алгоритмы будут значительно точнее, быстрее и позволят эффективнее работать с большими объемами информации, чем современные компьютеры.
Однако перед разработчиками систем искусственного интеллекта уже стоит множество задач и проблем: защита информации, оптимизация алгоритмов, эффективность обучения и программных архитектур.
Возможно, именно новые технологии помогут значительно повысить производительность отдельных этапов, найти решение актуальных проблем и воплотить их в виде прикладных разработок и приложений.
Какими будут квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры разрабатываются на основе четырех основных архитектур: сверхпроводящих цепочек, ионов, нейтральных атомов и фотонов. Существуют и другие подходы, такие как интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны и магноны), примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Иногда квантовый компьютер может объединять несколько платформ, хотя каждая из них способна работать и независимо.
Обычный компьютер | Квантовый компьютер | |
Логика работы | Двоичная система (0 и 1) | Квантовая суперпозиция a|0⟩ + b|1⟩,где a² + b² = 1 |
Физическая основа | Полупроводниковые транзисторы | Квантовые объекты (атомы, фотоны и т. д.) |
Носитель информации | Уровни напряжения | Поляризация, спин и другие квантовые состояния |
Операции | Логические операции (NOT, AND, OR, XOR) | Квантовые гейты (CNOT, Адамара и др.) |
Взаимосвязь элементов | Полупроводниковый чип | Квантовая запутанность |
Алгоритмы | Классические алгоритмы (например, Кнут) | |
Принцип работы | Цифровая, детерминированная обработка данных | Аналоговый, вероятностный подход |
Главное отличие квантового компьютера от классического — принцип работы. Привычный компьютер использует цифровую, строго детерминированную логику: задаем начальное состояние системы, запускаем его через алгоритм и получаем одинаковый результат, который не зависит от числа запусков. Именно предсказуемость является основным требованием к классическим вычислительным системам.
Квантовый компьютер функционирует на аналоговом, вероятностном принципе. Запуская алгоритм с определенного начального состояния, мы получаем не один точный результат, а набор значений, распределенных по вероятностному закону, с учетом возможных ошибок.
Иными словами, квантовый компьютер запускает множество параллельных вычислений, каждый из которых работает только над одним возможным вариантом. После этого он собирает результаты работы и выдает ответ в виде суперпозиции решения (вероятностного распределения ответов) из которого в каждом эксперименте семплируется одно.
Работают подобные системы на сверхпроводниках и внешне сильно отличаются от привычных аналогов. Например, первый в мире 50-кубитный квантовый компьютер от IBM больше похож на люстру в стиле стимпанк. Она состоит из системы трубок и проводов, сходящихся в небольшой стальной цилиндр.
Электрические, тепловые, магнитные помехи и даже температура окружающей среды — источники «шума», которые мешают работе квантового чипа. Поэтому система находится внутри большого лабораторного корпуса и оснащена насосами для охлаждения.
Для работы квантовый компьютер поэтапно охлаждают. Сначала до 4 Кельвинов, затем до 800 миллиКельвинов, следом до 100 миллиКельвинов и, наконец, до 10 миллиКельвинов . Внутри цилиндра температура всего на 10 тысячных градуса выше абсолютного нуля.
Необходимо отметить, квантовый компьютер не заменит классический, а станет отдельным эффективным инструментом для решения различных классов задач. Ученые только недавно смогли разработать первый пример задачи, которую способен решить исключительно квантовый компьютер.
Квантовое превосходство
Квантовое превосходство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить.
Google объявил о достижении квантового превосходства и опубликовал результаты исследований. В эксперименте использовался 53-кубитный процессор Sycamore. За 200 секунд он выполнил задачу, на решение которой самому мощному классическому суперкомпьютеру Summit потребовалось бы 10 тысяч лет.
Задача заключалась в выполнении случайно сгенерированной последовательности операций с кубитами (одиночных и парных), которая затем фиксировалась для многократного воспроизведения эксперимента. После каждого цикла вычислений состояние кубитов преобразовывалось в числовую строку, и процесс повторялся миллионы раз. В итоге строилось распределение вероятностей состояний кубитов, которое, в отличие от исходной последовательности операций, не было случайным из-за взаимодействия между кубитами.
Вычисление не имеет прикладного значения, кроме генерации случайных чисел, но оно критически сложно для классических компьютеров. Google выбрала именно эту задачу потому, что она подчеркивает разницу в вычислительных возможностях квантовых и классических систем.
Дискуссия вокруг эксперимента
Заявление Google вызвало споры. IBM, которой принадлежит самый мощный суперкомпьютер Summit (более 200 петафлопс и 250 петабайт дискового пространства), выразила скептицизм. По их мнению, при оптимизированном алгоритме Summit мог бы решить ту же задачу за несколько дней. Google, в свою очередь, отметила, что предложенный IBM метод требует значительных изменений в режиме работы суперкомпьютера и нуждается в дополнительной проверке.
Несмотря на споры, Google действительно достигла квантового превосходства в строгом смысле термина: команда предложила демонстрационную задачу, которая оказалась недоступна для современных классических компьютеров за разумное время.
Однако превосходство носит временный характер. Несмотря на то, что суперкомпьютеры со временем станут еще мощнее, гонка вооружений не может продолжаться бесконечно: чтобы классическая система продолжала конкурировать с квантовыми компьютерами, ее объем памяти должен удваиваться с добавлением каждого нового кубита.
Проблемы квантовых компьютеров
Разработка и эксплуатация квантовых компьютеров сопряжены с множеством технических вызовов. Среди них можно выделить три ключевые группы проблем: хрупкость квантового состояния, ошибки вычислений и ограничения архитектуры процессоров. Рассмотрим каждую из них.
Хрупкость квантового состояния
Кубиты в запутанном состоянии крайне нестабильны: любое внешнее воздействие — изменение температуры, колебания давления, даже случайный фотон — разрушает их когерентность (взаимосвязь).
Важный параметр квантовой системы — время декогеренции, в течение которого, она сохраняет свои квантовые свойства. В лучших современных компьютерах оно достигает десятков или сотен микросекунд. Если вычисления не успевают завершиться за этот промежуток, результаты превращаются в случайный шум. Поэтому процесс включает несколько обязательных этапов:
Инициализация системы кубитов;
Проведение вычислений;
Коррекция ошибок;
Считывание результата.
Ошибки вычислений
Квантовые вычисления имеют вероятностную природу, а следовательно, не могут гарантировать абсолютную точность. Чаще всего к ошибкам приводят:
Декогеренция — потеря квантовых свойств из-за взаимодействия с окружающей средой;
Ошибки гейтов — сбои при выполнении логических операций;
Ошибки считывания — искажения при получении конечного результата.
Декогеренционные ошибки возникают сразу после запутывания кубитов, а их вероятность возрастает с увеличением числа связанных элементов. Стандартные методы коррекции ошибок из классической вычислительной техники здесь не работают из-за запрета на клонирование квантового состояния.
Вместо этого применяется метод логических кубитов, когда несколько физических кубитов объединяются в один с пониженной вероятностью ошибки. Однако это требует значительных ресурсов: например, при 100 физических кубитах до 80 могут использоваться только для коррекции ошибок.
Архитектурные ограничения
В теории квантовые системы могут включать десятки запутанных кубитов, но на практике их взаимодействие ограничено. Современные процессоры обеспечивают связь одного кубита максимум с 4-6 соседними.
Если необходимо запутать удаленные элементы, приходится использовать цепочки дополнительных операций, что увеличивает вероятность ошибок и расходует время декогеренции.
Кроме того, каждая архитектура квантового процессора уникальна, и программы, разработанные в универсальных эмуляторах, требуют адаптации под конкретные чипы. Это создает дополнительные сложности при практическом применении квантовых алгоритмов.
Несмотря на все ограничения, исследования в области квантовых вычислений продолжаются. Современные разработки позволяют увеличить время когерентности до 0,5 секунд, а с дополнительной магнитной защитой оно может достигать тысячи секунд. Даже с такими улучшениями, эффективное масштабирование квантовых систем остается одной из ключевых задач для разработчиков.
Этическая проблема
Значительный технологический рывок, который станет возможен с развитием квантовых технологий, ставит перед обществом множество этических вопросов. Масштабирование квантовых компьютеров потенциально угрожает конфиденциальности данных и цифровому суверенитету.
Информация зашифрованная сегодня самыми надежными криптографическими методами, в будущем может быть легко раскрыта с помощью квантовых технологий. Это значит, что ответственность за защиту данных должна учитывать не только текущие угрозы, но и угрозы грядущих десятилетий.
Доступность квантовой защиты становится вопросом социальной справедливости. Разработка квантово-устойчивой криптографии требует значительных ресурсов, которые есть только у государств и крупных корпораций. Менее обеспеченные организации или частные лица станут крайне уязвимыми и не смогут защитить чувствительную информацию.
Квантовые технологии могут стать причиной и новой гонки вооружений между странами. Доступ к подобной технологии дает неоспоримое преимущество в цифровой разведке, шифровании и дешифровании информации государственной важности.
Таким образом, развитие квантовых вычислений требует осознания этической ответственности. Необходимо заблаговременно разрабатывать стратегии защиты информации, обеспечивать равный доступ к квантово-устойчивым технологиям и формировать международные нормы регулирования для использования квантовых технологий во благо всего общества.