Що таке квантові комп’ютери?

Квантові комп’ютери мають потенціал значно розширити різноманітність та точність обчислень, відкриваючи нові сфери застосування для комп’ютерів та покращуючи наші моделі фізичних явищ. Однак, незважаючи на зростаюче висвітлення квантових комп’ютерів у медіа, багато хто досі не впевнений, чим вони відрізняються від звичайних комп’ютерів. Давайте розглянемо, як працюють квантові комп’ютери, деякі їхні застосування та їхнє майбутнє.

Що таке квантовий комп’ютер?

Перш ніж ми зможемо змістовно дослідити, як квантові комп’ютери працюють, нам потрібно спочатку визначити, що таке квантові комп’ютери. Коротке визначення квантового комп’ютера таке: це комп’ютер, заснований на законах квантової механіки, здатний виконувати певні складні обчислення набагато ефективніше, ніж традиційні комп’ютери. Це швидке визначення, але ми хочемо приділити час, щоб справді зрозуміти, що відрізняє квантові комп’ютери від традиційних. Звичайні комп’ютери кодують інформацію за допомогою двійкової системи: представляючи кожен біт даних як одиницю або нуль. Послідовності одиниць і нулів об’єднуються, щоб представляти складні блоки інформації, такі як текст, зображення та аудіо. Однак у цих двійкових системах інформація може зберігатися лише як одиниці та нулі, що означає жорстке обмеження на те, як дані представлені та інтерпретовані, і що зі зростанням складності даних вони обов’язково стають все довшими рядками одиниць і нулів. Причина, чому квантові комп’ютери можуть ефективніше зберігати та інтерпретувати дані, полягає в тому, що вони не використовують біти для представлення даних, а використовують “кубіти“. Кубіти — це субатомні частинки, такі як фотони та електрони. Кубіти мають кілька цікавих властивостей, які роблять їх корисними для нових методів обчислень. Кубіти мають дві властивості, якими інженери-комп’ютерники можуть скористатися: суперпозиція та заплутаність. Квантова суперпозиція дозволяє кубітам існувати не лише в стані “одиниці” чи “нуля”, але й у континуумі між цими станами, що означає можливість зберігати більше інформації за допомогою кубітів. Тим часом квантова заплутаність відноситься до явища, коли пари кубітів можуть бути створені, і якщо один кубіт змінюється, інший кубіт також змінюється передбачуваним чином. Ці квантові властивості можна використовувати для більш ефективного представлення та структурування складних даних.

Як працюють квантові комп’ютери

Квантові “суперпозиції” отримали свою назву через те, що вони можуть перебувати в більш ніж одному положенні одночасно. У той час як біти можуть бути лише в двох положеннях, кубіти можуть існувати в кількох станах одночасно. Частково завдяки існуванню квантових суперпозицій квантовий комп’ютер здатний обчислювати багато різних потенційних результатів одночасно. Після завершення обчислень кубіти вимірюються, що створює кінцевий результат через колапс квантового стану до 0 або 1, а це означає, що результат потім може бути інтерпретований традиційними комп’ютерами. Дослідники та інженери квантових обчислень можуть змінювати положення кубітів, використовуючи мікрохвильові печі або прецизійні лазери. Інженери-комп’ютерники можуть скористатися квантовою заплутаністю, щоб значно покращити обчислювальну потужність комп’ютерів. Квантова заплутаність означає, що два кубіти можуть бути пов’язані між собою таким чином, що зміна одного з кубітів надійним чином змінює інший кубіт. Не до кінця зрозуміло, чому кубіти можуть встановлювати такий зв’язок або як саме працює це явище, але вчені розуміють його достатньо добре, щоб потенційно використовувати його для квантових комп’ютерів. Завдяки квантовій заплутаності додавання додаткових кубітів до квантової машини не просто подвоює обчислювальну потужність комп’ютера, а може збільшувати її експоненційно. Якщо все це здається трохи занадто абстрактним, ми можемо описати корисність суперпозицій, уявивши лабіринт. Щоб звичайний комп’ютер спробував вирішити лабіринт, він повинен перепробувати кожен шлях лабіринту, поки не знайде успішний маршрут. Однак квантовий комп’ютер міг би, по суті, досліджувати всі різні шляхи одночасно, оскільки він не прив’язаний до жодного конкретного стану. Все це говорить про те, що властивості заплутаності та суперпозиції роблять квантові комп’ютери корисними, оскільки вони можуть працювати з невизначеністю, вони здатні досліджувати більше можливих станів і результатів. Квантові комп’ютери допоможуть вченим та інженерам краще моделювати та розуміти ситуації, які є багатоаспектними та мають багато змінних.

Для чого використовують квантові комп’ютери?

Тепер, коли ми краще розуміємо, як працюють квантові комп’ютери, давайте дослідимо можливі сфери застосування квантових комп’ютерів. Ми вже натякали на те, що квантові комп’ютери можна використовувати для виконання традиційних обчислень набагато швидше. Однак технологію квантових комп’ютерів можна використовувати для досягнення речей, які можуть бути навіть неможливими або вкрай непрактичними з традиційними комп’ютерами. Одним із найперспективніших та найцікавіших застосувань квантових комп’ютерів є сфера штучного інтелекту. Квантові комп’ютери мають потужність покращувати моделі, створені нейронними мережами, а також програмне забезпечення, що їх підтримує. Google зараз використовує свої квантові комп’ютери, щоб допомогти у створенні автономних транспортних засобів. Квантові комп’ютери також відіграють роль у аналізі хімічних взаємодій та реакцій. Навіть найбільш просунуті звичайні комп’ютери можуть моделювати реакції лише між відносно простими молекулами, що вони роблять шляхом симуляції властивостей цих молекул. Однак квантові комп’ютери дозволяють дослідникам створювати моделі, які мають точно такі ж квантові властивості, як і молекули, що вони досліджують. Швидше та точніше моделювання молекул сприяло б створенню нових лікарських препаратів та нових матеріалів для використання в енергетичних технологіях, таких як ефективніші сонячні панелі. Квантові комп’ютери також можна використовувати для кращого прогнозування погоди. Погода — це збіг багатьох подій, а формули, що використовуються для прогнозування погодних умов, є складними та містять багато змінних. Може знадобитися надзвичайно багато часу для виконання всіх обчислень, необхідних для прогнозування погоди, протягом якого самі погодні умови можуть змінюватися. На щастя, рівняння, що використовуються для прогнозування погоди, мають хвильову природу, якою може скористатися квантовий комп’ютер. Квантові комп’ютери можуть допомогти дослідникам будувати точніші кліматичні моделі, що необхідно в світі, де клімат змінюється. Квантові комп’ютери та алгоритми також можна використовувати для забезпечення конфіденційності даних людей. Квантова криптографія використовує принцип квантової невизначеності, де будь-яка спроба виміряти об’єкт призводить до змін у цьому об’єкті. Спроби перехопити комунікації впливали б на отримане повідомлення та показували б ознаки втручання.

Майбутнє квантових обчислень

Більшість застосувань квантових комп’ютерів будуть обмежені академічними колами та бізнесом. Навряд чи споживачі/широка громадськість отримають квантові смартфони, принаймні, не найближчим часом. Це тому, що для роботи квантового комп’ютера потрібне спеціалізоване обладнання. Квантові комп’ютери вкрай чутливі до зовнішніх впливів, оскільки навіть найменші зміни в навколишньому середовищі можуть спричинити зміну положення кубітів та вихід із стану суперпозиції. Це називається декогеренцією, і це одна з причин, чому прогрес у квантових комп’ютерах здається таким повільним порівняно зі звичайними комп’ютерами. Квантові комп’ютери зазвичай потребують роботи в умовах екстремально низьких температур, ізольовано від іншого електричного обладнання. Навіть з усіма запобіжними заходами шум все ж таки спричиняє помилки в обчисленнях, і дослідники шукають способи зробити кубіти надійнішими. Для досягнення квантової супрематії, коли квантовий комп’ютер повністю затьмарює потужність сучасного суперкомп’ютера, кубіти потрібно зв’язати між собою. Справді квантово супрематичний комп’ютер може вимагати тисячі кубітів, але найкращі сучасні квантові комп’ютери зазвичай можуть працювати лише з приблизно 50 кубітами. Дослідники постійно роблять кроки у створенні стабільніших та надійніших кубітів. Експерти в галузі квантових комп’ютерів прогнозують, що потужні та надійні квантові пристрої можуть з’явитися протягом десятиліття.