Обозримое будущее: что из себя представляют квантовые компьютеры и когда они принесут человечеству реальную пользу

В середине ноября американская компания IBM показала новый квантовый компьютер с рекордным числом квантовых битов (кубитов) – 127. В пресс-релизе говорится, что работу этого квантового чипа нельзя смоделировать на обычном компьютере. Число битов, которые потребовалось бы для этого классической ЭВМ, превышает суммарное количество атомов во всех людях, которые населяют нашу планету. Чтобы это сравнение стало более наглядным, нужно вспомнить физику: в одном только стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане или галактик в видимой Вселенной. 

При этом на следующий день после этого заявления стартап QuEra Computing Inc. объявил, что закончил работу над квантовым компьютером из 256 кубитов (статья была опубликована в журнале Nature еще в июле этого года). Инженеры QuEra хотят в течение 2-х лет довести количество кубитов до 1 тысячи, а в перспективе — до сотен тысяч, и все это без особых изменений в архитектуре. Стартап привлек 17 миллионов инвестиций.

Сотрудники QuEra эффектно показали работу своего компьютера. Они заставили кубиты, которые были выстроены в виде прямоугольника, воспроизводить анимацию с Марио — легендарным персонажем компьютерных игр. Однако, конечно же, квантовые компьютеры — это не игрушка, а вычислительная техника завтрашнего дня. Или на самом деле все не так?

Сложно представить современную экономику без мощных компьютеров. При этом даже лучшие из них очень часто пасуют перед задачами, которые ставит им жизнь. Выходом могут стать квантовые компьютеры, которые гораздо мощнее обычных. Это их свойство — пока, правда, больше в перспективе, чем на практике — называют квантовым превосходством (quantum supremacy) или квантовым преимуществом (quantum advantage).

Дело в том, что квантовые компьютеры хранят и обрабатывают информацию не так, как это делают обычные ПК. Классический компьютер работает с битами. Бит имеет всего два возможных состояния: 0 и 1, и переходит скачком из одного в другое. Бит чем-то напоминает рубильник, который или включен, или выключен, а третьего ему не дано. Квантовый бит (кубит) может находиться в любом из бесконечного множества промежуточных состояний и плавно переключаться между ними. Такой подход позволяет ему хранить гораздо больше информации в отличие от бита. Проще говоря, кубит – это стакан, в котором может быть любой уровень воды между двумя состояниями – «пуст» и «полон».

Идея квантовых вычислений возникла еще в 80-х годах прошлого столетия. Однако настоящий интерес к ней проявили только в 1990-е, когда инженеры узнали, что квантовый компьютер мог бы взламывать самые надежные шифры. Речь здесь идет о RSA-шифровании, которое широко применяется для обмена финансовыми и прочими конфиденциальными данными.

Почему так сложно создавать квантовые компьютеры с большим числом кубитов? Проблема в том, что с точки зрения физики кубит – это объект, который живет по законам квантовой механики. Например, отдельный атом, ион или микроскопическое кольцо из сверхпроводника. Такие объекты очень хрупки и уязвимы. Поэтому кубиты требуют изоляции от внешнего мира, своеобразного вакуума и охлаждения почти до абсолютного нуля.

Специалисты из компании QuEra заявили, что они создали практически полезное устройство, а не обычный просто прототип. По их словам, новый компьютер может стать настоящим подспорьем для физиков в моделировании квантовых систем. Еще одно возможное поле для деятельности — квантовая оптимизация.

При этом сейчас индустрия квантовых вычислений находится в странной промежуточной зоне. На бумаге инженеры оперируют миллионами кубитов, разрабатывая масштабные вычислительные схемы. А вот на практике ученые едва смогли освоить производство устройств с сотнями кубитов. Эксперты называют данный этап эпохой шумных квантовых процессоров среднего масштаба (Noisy Intermediate-Scale Quantum, или NISQ).

Средний масштаб — это десятки или сотни кубитов. А слово «шумный» отражает тот факт, что системы еще работают неустойчиво из-за внешних помех, которые переключают кубиты в тот момент, когда им самим вздумается.

Если отбросить все многообещающие новости и взглянуть трезвым взглядом, получается, что квантовые компьютеры пока что не сделали ничего практически полезного. Может быть, они и войдут в нашу жизнь через несколько лет или хотя бы десятилетия. А быть может, данный «квантовый шум» так и не принесет плодов, по крайне мере, в обозримом будущем.

До сих пор самыми надежными системами шифрования считаются квантовые. Однако они помимо своей надежности еще и очень дорого стоят. Специалисты из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге разработали систему КРК с компактным детектором когерентного излучения. Это должно помочь решить проблему дороговизны квантового шифрования.