Суббота, 25 мая, 2024

16+

Что такое квантовый компьютер и как он работает?

Время на чтение 16 мин.

В статье о том, работает ли закон Мура, мы говорили, что в последнее десятилетие уменьшение размера транзисторов и увеличение их количества на микросхеме не дает ожидаемого прироста производительности. Кроме того, планарная технология (то есть «выжигание» компонентов на пластине кремния) подошла к лимиту своих возможностей: вскоре мы не сможем делать транзисторы еще меньше просто в силу законов природы. Пока производители ищут обходные пути в рамках традиционных технологий, все чаще в медиа появляется словосочетание «квантовый компьютер». Его возможности кажутся почти безграничными, и внедрение технологии, как ожидается, перевернет наш мир. Однако на самом деле возможности квантового компьютера ограничены, и пока он не сможет полностью заменить традиционный. Хотя попробовать квантовые вычисления уже может любой желающий.

На микроуровне

Прежде чем говорить о том, как работает квантовый компьютер, нам придется немного изучить матчасть и погрузиться в дебри квантовой физики. Многие ее законы абсолютно контринтуитивны и настолько расходятся с привычными нам, что понять их практически невозможно. В квантовую физику можно только верить, ведь ее законы проверены тысячами экспериментов.

В 1900 году физик-теоретик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом «Об одном улучшении закона излучения Вина» (оригинал, перевод на английский). В нем ученый изложил свое важнейшее научное открытие: излучение распространяется определенными порциями, квантами. С этого и началась квантовая физика.

Что такое квантовый компьютер и как он работает?
Макс Планк за работой. Фото: memory.loc.gov

Сегодня в физике термин «квант» употребляется очень ограниченно, хотя он и дал название разделу, изучающему фундаментальные основы нашего мира. Квантовая физика имеет дело с квантовыми объектами — и это первый термин, значение которого нам нужно уяснить для понимания сущности квантового компьютера, ведь именно они используются в нем в качестве носителя информации.

1. Квантовый объект — это любой объект микромира (мир предельно малых, не наблюдаемых непосредственно объектов  (молекул, атомов, элементарных частиц) в противовес макромиру — миру объектов, сопоставимых по размерам с человеком). Квантовый объект обязательно проявляет квантовые свойства — опишем те из них, которые важны для темы нашей статьи. Представим, что пара носков — это пара элементарных частиц и попробуем объяснить на них.

2. У квантового объекта есть состояние с двумя граничными уровнями. У наших носков таким состоянием будет «левость-правость», то есть каждый носок может принять значение либо левого, либо правого. При этом нужно отметить, что эти состояния носят вероятностный характер. То есть каждый носок из нашей пары с вероятностью 50 % либо левый, либо правый. Вероятностность — это краеугольный камень квантовой физики, с которым безуспешно пытался бороться еще Альберт Эйнштейн. Один из величайших умов человечества никак не мог понять, как может быть так, что мы не можем четко определить состояние объекта. «Бог не играет в кости», — спорил Эйнштейн с Нильсом Бором и всей копенгагенской интерпретацией квантовой механики (теории, описывающей природу на масштабах микромира), утверждавшей, что в мире атомов все неопределенно. Все мы в каком-то смысле Эйнштейн, однако десятилетия экспериментов подтвердили, что сторонники копенгагенской интерпретации правы.

3. До измерения своего состояния квантовые объекты находятся в суперпозиции. В случае носка измерением будет натягивание его на ногу. Пока носки лежат в шкафу, мы не можем сказать, какой из них левый, а какой правый. Каждый носок может быть и левым, и правым одновременно — это и есть суперпозиция его «левости-правости». Но как только мы наденем носок на одну из ног, он тут же станет либо левым, либо правым. Его суперпозиция разрушится, а квантовое состояние приобретет одно из возможных значений. Но как мы определяем, какой носок будет левым, а какой — правым? Это происходит случайно. Поэтому суперпозицию можно определить как вероятность принять определенное состояние в каждый момент времени. Сумма этих вероятностей всегда будет равна единице. С вероятностью ½ носок может стать правым или левым. ½ + ½ = 1. Когда мы выбрали один из носков, чтобы надеть его на левую ногу, то вероятность того, что его «левость-правость» примет левое состояние увеличивается, а правое — уменьшается.

4. Но мы же помним, что носков — два? В паре носков состояние одного из них влияет на состояние другого. Если мы натянули один носок на левую ногу, то второй носок сразу становится правым. У элементарных частиц это называют квантовой запутанностью: если две частицы запутаны, то измерение состояния одной из них моментально влияет на состояние другой. Так получается квантовая система. При этом информация «передается» моментально, где бы ни находились квантовые объекты. Например, один наш носок может находится в Минске, а другой — в Улан-Удэ. Но как только мы наденем один носок на левую ногу, второй сразу же станет правым. Так же и с элементарными частицами. Пусть пара запутанных фотонов будет разнесена хоть на миллиарды световых лет, если измерить состояние одного из них, второй приобретет другое. При этом запрет на перемещение со скоростью света не нарушается, ведь никакая информация между частицами не передается. Существует несколько объяснений квантовой запутанности, но к сегодняшнему предмету они не относятся, поэтому просто примем это как факт (как, впрочем, и все остальное).

В квантовой системе не обязательно два объекта, запутанным может быть и большее количество частиц. Например, если мы сделали носочки для мопса, то запутанными будут уже четыре объекта, а кроме состояния «левость-правость» у них будет состояние «переднесть-заднесть».

Состояние объектов нельзя скопировать. Мы не можем связать левый или правый носок. Мы можем связать просто носок, но пара носков хранит свойство «левости-правости» и никак не позволяет нам его скопировать.

Итак, понимание (или принятие) описанных выше понятий приближает нас к пониманию устройства мироздания. Теперь попробуем простыми словами объяснить, как устроен квантовый компьютер.

Ку

Логическая единица в обычном компьютере — это бит. 1 бит — это минимальное количество информации, он может принимать два значения — 0 или 1. В каждый момент времени бит равен либо нулю, либо единице, и это позволяет кодировать всю информацию, которую выдает компьютер. Неважно, набираете вы текст в редакторе, обрабатываете фотографию или слушаете музыку: все это представлено в виде нулей и единиц. Для каждого типа информации кодирование и декодирование, то есть перевод слов, изображений, видео в двоичный код и обратно, выполняется по своим алгоритмам, на которых не будем останавливаться подробно. В самом общем виде все разбивается на мельчайшие элементы — буквы, пиксели, отрезки звуковой волны — и кодируется в виде нуля или единицы.

В «железе» 0 и 1 реализованы в виде состояния транзистора на микросхеме, а носителем информации выступает подаваемое на него напряжение. Например, в микросхемах, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов, если напряжение от +0 до +0,8 вольта, то это значение «0», а если от +2,4 до +5,0 вольт — «1». Таким образом, меняя состояния транзисторов, компьютер и производит вычисления. Если частота процессора два гигагерца, то два миллиарда раз в секунду все транзисторы в нем меняют свое состояние.

Такая логика не подходит для квантового компьютера, ведь в нем носители информации не могут находится в позиции «или». Они в суперпозиции, то есть реализуют свои «нули» и «единицы» только в результате измерения, а до этого «нуль» и «единица» для них — это распределение вероятностей перейти в то или иное граничное состояние. Поэтому для квантовых компьютеров придумали единицу информации кубит (от английского quantum bit).

Что такое квантовый компьютер и как он работает?
Квантовый процессор Sycamore от Google содержит 53 кубита. Фото: quantumai.google

Если бит — это либо 0, либо 1, то кубит — это одновременно 0, 1 и все возможные сочетания этих состояний. Разумеется, это утверждение справедливо для состояния суперпозиции, если же мы разрушим ее измерением, то кубит с определенной вероятностью примет одно из своих граничных состояний. Реализуются кубиты, в теории, любым объектом квантового мира. Носитель информации при этом не электрический ток, а квантовое состояние — поляризация, спин и др.

Никогда не знаешь, какая начинка тебе попадется

Выше мы говорили о том, что для кодирования и декодирования информации классические компьютеры используют специальные алгоритмы, по сути — обыкновенные логические операции. Но для кубитов они не подходят. И здесь мы должны сказать о фундаментальном различии между обычными и квантовыми компьютерами.

Подавая напряжение на транзистор, мы точно знаем, какое значение он примет. Это значит, что каждый раз, проводя вычисления на компьютере, мы получаем один и тот же результат. Собственно, если бы вычислительная техника работала иначе, в ней не было бы смысла.

А вот измеряя квантовое состояние, мы получаем некоторое значение с какой-то вероятностью. При этом мы не можем проследить цепочку действий, которая к ней привела. Мы знаем только то, что было на входе и что получилось на выходе. Между этим — суперпозиция, которая недоступна нашему взгляду, ведь как только мы на нее «смотрим», она тут же разрушается. Поэтому обычные логические операторы неприменимы, ведь мы должны учитывать вероятностность полученного результата. Иными словами, результат вычисления квантового компьютера — это выборка из распределения вероятностей реализации того или иного квантового состояния. И да, при такой системе вы каждый раз случайно получаете какой-то результат. Но значит ли это, что вместо квантового компьютера можно просто подбрасывать монетку?

Нет. Для оперирования кубитами придумали совершенно другие операции, которые назвали квантовыми вентилями. Квантовый вентиль по определенному закону преобразует входные состояния кубитов на выходные. Чтобы получить результат, который с высокой вероятностью окажется правильным, нужно многократно реализовать квантовый алгоритм относительно одного набора входных данных и вывести среднее из результатов.

Чтобы решать задачи, классический компьютер проводит вычисления последовательно, переключая транзисторы из состояния 0 в 1 и обратно. Поэтому для выполнения трудоемких операций ему требуется больше времени и больше транзисторов.

Квантовый компьютер действует принципиально иначе. Суперпозицию его состояний можно представить как параллельные миры: состояние 0 — это один мир, состояние 1 — это другой мир, все возможные сочетания этих состояния — тоже миры. Чем больше кубитов, тем больше параллельных миров, в каждом из которых одновременно выполняются вычисления. Масштабировать можно, в теории, бесконечно, но вычисления всегда будут проводиться одновременно. А классический компьютер будет последовательно перебирать варианты — и на это у него уйдет времени больше, чем живет Вселенная.

Таким образом, квантовый компьютер запускает параллельные вычислительные процессы, собирает результат и выдает нам вероятностное распределение ответов. Проведя эти операции миллион раз, компьютер выдает усредненное значение, которое с большой вероятностью является правильным.

Гладко было на бумаге

Если предыдущие абзацы не взорвали вам мозг, то сейчас это точно произойдет: квантовые компьютеры уже существуют! Их разрабатывают такие гиганты, как, например, IBM и Google. Вот только до описанных выше возможностей им еще очень и очень далеко. И причин тому несколько.

Мы выяснили, что для функционирования квантового компьютера нужна система из нескольких запутанных кубитов. Вот только квантовая запутанность — очень нестабильная штука, любое внешнее воздействие ее разрушает и меняет квантовые состояния самих кубитов.

Мы живем в мире, наполненном элементарными частицами. Каждая из них, случайно пролетевшая мимо, разрушит нашу запутанную систему и сведет на нет вычисления. Точно так же подействуют изменение температуры, давления или других условий. Поэтому сегодня квантовые вычислительные системы заключены в оболочку, максимально изолирующую их от любого внешнего воздействие. Внутри поддерживается температура лишь чуть-чуть выше абсолютного нуля. Тем не менее, лучшее время жизни запутанной квантовой системы, которого удалось добиться, составляет чуть больше ста микросекунд.

«Время жизни» квантовой системы до разрушения запутанности называется временем декогеренции. Все вычисления можно проводить только в его пределах. Если не успели, начинайте заново, потому что на выходе вместо вероятностного распределения будет белый шум. И чем больше кубитов — а это один из параметров, от которого зависит производительность квантового компьютера — запутывается, тем сложнее удержать систему в стабильном состоянии.

Следующее большая помеха для квантового компьютера — ошибки. Они связаны с несколькими особенностями работы вычислителя. Первые два типа вытекают из предыдущих абзацев.

Если невзирая на все наши ухищрения мимо запутанного кубита пролетит фотон — все, суперпозиция разрушена, вычисления ошибочны. Не удержали температуру — то же самое. И чем больше кубитов, тем больше вероятность ошибки в них.

Квантовые вентили тоже с какой-то вероятностью завершаются ошибкой. И здесь то же самое: если для выполнения вычисления нам нужны сотни квантовых вентилей, то и вероятность ошибки на выходе возрастает.

Для решения этих двух проблем вводят квантовые методы коррекции. Некоторое количество кубитов объединяют в один логический кубит. Таким образом, какое-то число кубитов занимается не вычислениями, а коррекцией ошибок. Поэтому для характеристики вычислительной мощности квантового компьютера оперируют не только общим количеством кубитов, но и количество логических кубитов.

Наконец, ошибочным может быть и считывание результата, ведь он тоже носит вероятностный характер. Однако все эти проблемы решаемы и будут решены, ведь квантовый компьютер способен открыть новую эру вычислений.

Не превосходное превосходство

Новая эпоха в вычислениях наступит, когда кто-то достигнет квантового превосходства. Квантовое превосходство — это способность квантового компьютера решать задачи, которые классические компьютеры практически не могут решить. Google в 2019 году уже заявила о достижении квантового превосходства, однако сообщение было воспринято со скепсисом. Вероятно, этот вопрос стоит рассматривать скорее как философский.

Что такое квантовый компьютер и как он работает?
Квантовый компьютер Google. Фото: phys.org

Впрочем, нужно понимать, что квантовый компьютер не может заменить классический в принципе — по крайней мере, исходя из того, что мы знаем о квантовых вычислениях сегодня. У него принципиально другая логика, которую нельзя использовать, например, для того, чтобы поиграть в CS:GO на максимальном разрешении. Да, квантовые компьютеры уделают всех в сфере обработки больших (на самом деле супермегапупербольших) данных. Но на этом все. Мы обладаем ограниченным набором алгоритмов для квантовых компьютеров. Возможно, со временем их количество увеличится, но пока что они ограничивают наши способности использовать квантовые вычисления.

Однако этого уже не мало, и даже такая ограниченная область употребления все равно перевернет наш мир. В молекулярной биологии и генетике она позволит предсказать, как изменение отдельного гена повлияет на организм в целом. Новые лекарства будут создаваться в цифровом мире, ведь квантовый компьютер позволит моделировать новые химические соединения и предсказывать их свойства. Уже сейчас ученые моделируют жизненный цикл вирусов для того, чтобы лучше понять механизм их воздействия на организм, а следовательно, разработать способы лечения. Однако это требует огромных вычислительных мощностей, которые доступны только суперкомпьютерам или распределенным вычислениям (да и то на создание достоверной компьютерной модели даже простого микроорганизма могут уйти годы, что в условиях пандемии стоит тысяч жизней).

Сложности с моделированием биологических систем связаны с тем, что в них очень много переменных факторов, которые нужно учитывать для создания адекватного прогноза. Точно так же и в социальной сфере, где любые прогнозы носят вероятностный характер именно из-за большого количества переменных. Учесть их все не под силу классическому компьютеру, а вот квантовому — запросто. Так что маркетологи получат мощнейший инструмент для прогнозирования эффективности рекламных кампаний, а политологи предскажут результаты выборов еще до голосования.

Без квантового компьютера невозможно создать Скайнет, вернее, истинный искусственный интеллект, полностью имитирующий человеческий. Наш мозг — это, пожалуй, самый мощный вычислитель из тех, что мы знаем. Возможно даже, что он в чем-то действует как квантовый компьютер, ведь физиология центральной нервной системы — это по-прежнему довольно темный лес чудес. Поэтому, возможно, именно квантовые вычисления — путь к построению ИИ, который самостоятельно думает и принимает решения, а не только складывает ответы из готовых данных.

Наконец, одна из самых будоражащих общество сфер применения квантовых компьютеров — шифрование. Дело в том, что безопасность всех наших паролей, секретных кодов и девичьих фамилий матери основана на том, что у классического компьютера на их подбор уйдет больше времени, чем прожила Вселенная. А вот квантовый справится с задачей за считанные секунды. Однако квантовое шифрование — это тема для отдельного большого разбора, который мы уже готовим.

Что такое квантовый компьютер и как он работает?
Квантовый компьютер IBM System One. Фото: flickr.com / IBM Research

Мы только в начале пути, поэтому предсказать, когда квантовые компьютеры станут обыденностью, невозможно. Пока что это скорее опытная технология, но не будем забывать, что от создания первой программируемой ЭВМ ЭНИАК до первого персонального компьютера IBM прошло всего 40 лет. Любо желающий уже сейчас может попробовать квантовые вычисления от той же IBM. Так что вполне вероятно, что уже к 2051 году мы увидим квантовый компьютер, применяющийся для решения различных повседневных задач. А вот каким образом он изменит наш мир — это вопрос открытый.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь