От битов к кубитам: как работают квантовые компьютеры и что они могут поменять?

Это устройства, использующие принципы квантовой механики для обработки данных с невероятной скоростью. Они работают с кубитами (квантовыми битами), которые могут находиться сразу в нескольких состояниях, в отличие от обычных битов, которые могут принимать лишь два значения — 0 или 1. Это позволяет таким машинам обрабатывать сложные задачи значительно быстрее, чем классические компьютеры.

В основе основе работы квантовых технологий лежат четыре фундаментальных принципа квантовой физики:

• суперпозиция: позволяет системе быть одновременно в нескольких состояниях, что повышает возможности параллельной обработки информации;
• запутанность: описывает соотношение между системами, при котором состояние одной напрямую связано с другой, независимо от расстояния между ними;
• декогеренция: это процесс, когда квантовая система теряет свои свойства, переходя в измеряемое классической физикой состояние, что может повлиять на стабильность вычислений;
• интерференция: помогает усиливать вероятности нужных результатов, благодаря взаимодействию квантовых состояний.

Кубиты можно создавать на основе различных систем: это могут быть атомы, ионы, фотоны или сверхпроводящие цепи. Благодаря использованию принципов суперпозиции и квантовой запутанности такой компьютер способен одновременно обрабатывать множество вариантов решения задачи, что ощутимо ускоряет вычисления. Например, если классический компьютер последовательно проверяет все возможные пути в лабиринте, то квантовый «видит» все варианты одновременно и определяет наилучший маршрут с помощью интерференции.

В ближайшем будущем такие устройства могут стать источником революционных решений в сферах, где требуются огромные вычислительные мощности. Они будут полезны в таких областях, как моделирование молекулярных структур, разработка новых материалов, оптимизация сложных систем, например, в логистике, а также в криптографии, где квантовые компьютеры смогут предложить более совершенные и безопасные алгоритмы. Однако их точность пока остается ниже, чем у обычных компьютеров, что требует дополнительных исследований и разработки новых алгоритмов. И все же квантовые устройства уже внедряются в различные сферы.

Так, они уже умеют моделировать поведение материи на молекулярном уровне, что стало важнейшим инструментом для таких отраслей, как автомобилестроение и фармацевтика. Например, компании Volkswagen и Daimler применяют квантовые компьютеры для моделирования химического состава аккумуляторов машин, что позволяет находить новые материалы и улучшать характеристики батарей. В фармацевтике их используют для анализа молекулярных соединений, что ускоряет разработку новых лекарств и их тестирование, открывая доступ к новым методам лечения заболеваний.

Кроме того, квантовые компьютеры научились эффективно обрабатывать большие объемы данных и находить оптимальные решения среди множества вариантов. Например, Airbus использует их для расчета наиболее экономичных траекторий для самолетов, что сокращает затраты на топливо. В транспортных системах квантовые алгоритмы, разработанные Volkswagen, помогают находить оптимальные маршруты для автобусов и такси, снижая количество заторов и улучшая экологическую ситуацию в городах.

На данный момент квантовые компьютеры все еще находятся в стадии разработки. Для раскрытия их полного потенциала потребуется время. Тем не менее при успешной реализации они обещают изменить целые отрасли и создать условия для глобальных инноваций, предоставляя человечеству новые возможности и инструменты для решения сложнейших задач.

Некоторые специалисты сомневаются в эффективности таких вычислительных машин, так как их потенциал и возможности остаются в значительной мере теоретическими и недостаточно подтвержденными на практике. Основная критика заключается в следующих аспектах:

• ограниченность доказанных применений: часто методы использования квантовых компьютеров либо остаются спекулятивными, либо не демонстрируют явного преимущества;
• технические сложности создания оборудования: квантовые компьютеры требуют специфических условий для работы с кубитами, например, охлаждения до сверхнизких температур для поддержания стабильности системы. Разные технологии, такие как сверхпроводящие кольца и оптические ловушки, пока не доказали своей эффективности в массовом производстве, и даже среди ученых нет консенсуса по вопросу, как лучше измерять производительность таких устройств;
• необходимость большого количества кубитов для вычислений: их требуется намного больше, чем в современных системах. И даже в значительно больших объемах их недостаточно для выполнения сложных вычислений, например, взлома современной криптографии или решения задач квантовой химии;
• проблема устойчивости к ошибкам и декогеренция: кубиты очень чувствительны к внешним воздействиям, таким как тепловые колебания и электромагнитные помехи, которые нарушают вычислительные процессы. Декогеренция вызывает потерю информации и требует специальных процедур для исправления ошибок, которые занимают большое количество ресурсов, что снижает эффективность квантовых вычислений.

Российские ученые активно развивают технологии квантовых вычислений. Так, в 2024 научная группа Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН создала 50-кубитный ионный компьютер. Проект стал частью дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координируемой госкорпорацией «Росатом».

Созданный в России компьютер базируется на кубитной технологии, которая используется на ионной платформе, — ее российские ученые освоили третьими в мире, после австрийских и американских коллег. Помимо прочего, устройство доступно для использования через облачные сервисы, что позволяет запускать базовые квантовые алгоритмы. Это открывает возможности для различных научных и коммерческих исследований в различных отраслях.

Генеральный директор госкорпорации «Росатом» Алексей Лихачев отметил, что Россия с успехом развивает все четыре приоритетные платформы квантовых вычислений — сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы и фотоны. По его словам, это достижение позволяет России войти в топ-5 стран по разработке квантовых технологий, что подчеркивает ее конкурентоспособность в этой области.

Им станет Advantage 2 канадской компании D-Wave, имеющий более 1 200 кубитов. Это устройство представляет собой следующее поколение квантовых систем, ориентированных на задачи оптимизации. Advantage 2 отличается рядом усовершенствований, которые позволяют ему превосходить предшественников в вычислительной мощности.

Кроме того, в июне 2024 года стало известно, что к 2029 году планируется создание устройства на 10 тыс. кубитов, разработка которого ведется IBM совместно с Национальным институтом передовых промышленных наук и технологий Японии (AIST). Основная цель этой коллаборации — создание мощного квантового компьютера, способного выполнять сложные вычисления без необходимости резервного использования традиционных суперкомпьютеров для исправления ошибок и проверки результатов.