У світі технологій, що постійно розвивається, квантові обчислення ― одна з найбільш перспективних і революційних галузей. Використовуючи принципи квантової механіки, вони мають потенціал для розв’язання складних задач з безпрецедентною швидкістю, що значно перевершує можливості класичних комп'ютерів.

В чому особливості квантових обчислень, де вони використовуються та яку «ахілесову п’яту» мають, читайте у статті нижче.

Що таке квантові обчислення

Квантові обчислення ― це новий вид обчислень, який використовує принципи фундаментальної фізики для дуже швидкого вирішення надзвичайно складних завдань.

Спочатку була квантова механіка

Історія квантових обчислень починається з латинського слова квант, що означає «кількість» або «скільки». Це найменша дискретна одиниця явища. Наприклад, квант світла ― це фотон, а квант електрики ― електрон.

Сучасне використання кванта у фізиці запропонував Макс Планк у 1901 році. Він намагався пояснити випромінювання чорного тіла і те, як об'єкти змінюють колір після нагрівання. Фізик припустив, що енергія випромінюється не постійною хвилею, а дискретними пакетами, або пучками. Саме їх і назвали квантами енергії. Це припущення привело до відкриття сталої Планка, яка є фундаментальною універсальною величиною.

Відкриття квантів і квантової природи субатомних частинок призвело до революції у фізиці. З’явився цілий окремий розділ ― квантова теорія або квантова механіка. Субатомні частинки поводяться супереч інтуїції. Один фотонний квант світла може одночасно проходити через дві щілини в шматку матеріалу. «Кішка Шредінгера» ― це відомий уявний експеримент, який описує квантову частинку в суперпозиції, або стані, коли хвильова форма ймовірності не зруйнувалася. Частинки також можуть стати квантово заплутаними, що змушує їх миттєво взаємодіяти на відстані.

Квантовий комп'ютер від IBM допоможе уникнути майбутніх пандемій

Квант в обчисленнях

Квантові обчислення використовують природу субатомних частинок для виконання обчислень замість електричних сигналів, як у класичних обчисленнях. Квантовий комп'ютер використовує кубіти замість двійкових бітів. Програмуючи початкові умови кубіта, вони можуть вирішити проблему, коли стан суперпозиції руйнується.

Дослідження квантових комп'ютерів полягають у зв'язуванні більшої кількості кубітів разом, щоб мати можливість розв'язувати складніші задачі.

Квантові комп'ютери можуть виконувати певні обчислення набагато швидше, ніж класичні. Щоб знайти відповідь на проблему, традиційним комп'ютерам потрібно перебирати кожен варіант по черзі. Для деяких типів задач може знадобитися багато часу, щоб перебрати всі варіанти. Квантовим комп'ютерам не потрібно пробувати кожен варіант, натомість вони знаходять відповідь майже миттєво.

Піднесення до степеня простих чисел і задача комівояжера ― як тільки квантові комп'ютери продемонструють здатність розв'язувати ці задачі швидше, ніж класичні, квантова перевага буде досягнута.

Піднесення до степеня є важливою функцією для сучасних криптографічних систем. Наразі експерти очікують, що квантові комп'ютери зроблять існуючі криптографічні системи незахищеними та застарілими. Тривають зусилля з розробки постквантової криптографії, щоб створити алгоритми, стійкі до квантових атак, але які все ще можуть використовуватися класичними комп'ютерами.

Особливості квантових обчислень

Суперпозиція

У квантовій механіці частинки можуть існувати в декількох станах одночасно. Цей принцип представлений кубітами (квантовими бітами), які можуть бути одночасно і 0, і 1, на відміну від класичних бітів, які є або 0, або 1. Це дозволяє квантовим комп'ютерам обробляти величезні обсяги даних паралельно, експоненціально збільшуючи їхню обчислювальну потужність.

Заплутаність

Явище, коли стан однієї частинки стає залежним від стану іншої, навіть якщо вони перебувають на великій відстані. У квантових обчисленнях заплутані кубіти можуть використовуватися для виконання скоординованих операцій, що забезпечує більш ефективні обчислення та комунікацію.

Хвильово-частинковий дуалізм

За принципами квантової механіки частинки мають як хвильові, так і корпускулярні властивості. Ця концепція відіграє вирішальну роль у розробці квантових алгоритмів, які використовують хвилеподібну природу кубітів для виконання складних обчислень.

Квантовий паралелізм

Завдяки принципам суперпозиції та заплутаності квантові комп'ютери здатні обробляти величезну кількість обчислень одночасно. Ця особливість дозволяє квантовим комп'ютерам вирішувати певні завдання швидше, ніж класичні. Наприклад, факторизація великих чисел, яка є складним завданням для класичних комп'ютерів, може бути виконана значно швидше за допомогою квантових алгоритмів, таких як алгоритм Шора.

Квантова перевага

Цей термін використовується, коли квантовий комп'ютер може розв'язати задачу, яка не під силу традиційному чи коли він виконує її значно швидше. У 2019 році квантовий комп’ютер Sycamore від Google досяг квантової переваги: за 200 секунд виконав обчислення ― доказ випадковості чисел, що генеруються генератором випадкових чисел. Суперкомп'ютеру знадобилося б на це 10 тисяч років. Проте розвиток супер ПК також не стоїть на місці. У 2023 році той же Google розробив інший квантовий ПК, який виконує обчислення за 6,7 секунди. Найпотужніший суперкомп’ютер у світі Frontier виконає їх за 47 років.

Екзафлопсний суперкомп'ютер Frontier названо найкращим винаходом 2023 року за версією Time

Декогеренція або квантова «ахіллесова п'ята»

Принципи квантової механіки надають квантовим комп'ютерам потужність, але водночас створюють одну з найбільших проблем: квантову декогеренцію. Це явище стосується делікатного стану кубітів, які втрачають свої властивості через взаємодію з навколишнім середовищем. Підтримка когерентності кубітів протягом достатнього періоду часу (так званого «часу когерентності») для виконання обчислень є однією з найбільш значних перешкод у квантових обчисленнях.

Квантова телепортація

Це досягається завдяки використанню принципів заплутаності та квантових вимірювань. Але йдеться не про телепортацію в традиційному розумінні, а про миттєву передачу квантової інформації. Дослідники успішно експериментально продемонстрували квантову телепортацію на відстань у кілька кілометрів.

Зворотність

У класичних обчисленнях багато операцій є незворотними. Наприклад, якщо ви видалите файл, він зникне. У квантових обчисленнях операції є оборотними завдяки унітарній природі квантової еволюції. Це означає, що для кожної операції існує зворотна операція, яка може скасувати наслідки першої. Саме це дозволяє здійснювати квантову корекцію помилок, що є вирішальним аспектом для надійних квантових обчислень.

У квантовому світі немає копій

Теорема про неможливість клонування ― фундаментальний принцип квантової механіки, який стверджує, що неможливо створити ідентичну копію довільного невідомого квантового стану. Цей принцип має глибокі наслідки для квантових обчислень і квантової теорії інформації. Він є одним з ключових факторів, що робить квантову комунікацію безпечною, оскільки будь-яка спроба скопіювати квантову інформацію призведе до її знищення.

Принцип невизначеності

Принцип невизначеності Гейзенберга ― фундаментальна концепція квантової механіки, яка стверджує, що неможливо одночасно виміряти точне положення та імпульс квантової частинки. У контексті квантових обчислень принцип невизначеності означає, що завжди існує певний ступінь невизначеності, коли ми працюємо з квантовими станами. Це може зробити квантові системи складними для контролю та управління.

Де використовують квантові обчислення

• Криптографія та безпека. Квантовий алгоритм Шора може швидко факторизувати великі числа, зламуючи широко використовувані криптографічні схеми, такі як RSA та ECC. Щоб протистояти цьому, проводяться дослідження в галузі постквантової криптографії, розробляються квантово-безпечні криптографічні алгоритми для захисту конфіденційних даних від квантових атак.
• Відкриття ліків. Медична галузь може використовувати квантові обчислення для розробки нових ліків і генетично орієнтованої медичної допомоги. Вони також можуть стати основою для більш просунутих досліджень ДНК.
• Оптимізація у фінансах та логістиці. Квантові обчислення можуть ефективно аналізувати величезні обсяги фінансових даних та оптимізувати інвестиційні стратегії для досягнення більшої прибутковості при менших ризиках.
• Штучний інтелект та машинне навчання. Якщо поєднати квантові обчислення та машинне навчання, можна досягти значних проривів у сфері AI. Квантові алгоритми для розпізнавання образів, аналізу даних та оптимізації можуть значно покращити можливості ШІ-моделей.

Обмеження квантових обчислень

Квантові обчислення пропонують величезний потенціал для розробок і вирішення проблем у багатьох галузях. Однак наразі вони мають обмеження.

Стабільність та декодування кубітів
Кубіти дуже чутливі до зовнішніх впливів, що призводить до декодування ― кубіти втрачають свій квантовий стан і стають класичними бітами.

Виправлення помилок і відмовостійкість
Квантові комп'ютери схильні до помилок через притаманну кубітам декогеренцію. Впровадження корекції помилок та відмовостійких квантових схем має важливе значення для забезпечення надійних квантових обчислень.

Обмеження апаратного забезпечення та масштабування
Побудова практичних, великомасштабних квантових комп'ютерів все ще залишається значним викликом. Поточні апаратні реалізації стикаються з обмеженнями в кількості кубітів, зв'язності та частоті помилок. Удосконалення квантового обладнання необхідне для створення потужних і масштабованих квантових систем.

Конкуренція
Сфера квантових обчислень є висококонкурентною, великі технологічні компанії та науково-дослідні інститути змагаються за прорив у цій галузі. Співпраця та відкриті дослідницькі ініціативи мають вирішальне значення для ефективного розвитку квантових технологій.

Майбутнє квантових обчислень

Воно одночасно буде захоплюючим, але невизначеним. Хоча квантові обчислення вже досягли значних успіхів, практичні квантові комп'ютери, які перевершують традиційні у виконанні завдань загального призначення, все ще не створено. Однак постійні дослідження та розробки, а також збільшення інвестицій у цій сфері швидко розширюють межі квантових технологій.

У наступні п’ять-десять років ми можемо стати свідками значного прогресу у квантовому обладнанні, методах корекції помилок та нових квантових алгоритмах. В міру того, як ці досягнення відбуватимуться, квантові обчислення можуть стати більш доступними для дослідників, промисловості і, зрештою, для суспільства в цілому.

Наслідки широкого розповсюдження квантових обчислень є глибокими, вони змінюють індустрії, методи шифрування і наукові дослідження. Розв’язання проблем етики і безпеки матиме першочергове значення для забезпечення відповідального і корисного розвитку квантових обчислень.