Як влаштований квантовий комп’ютер

Збільшення обчислювальної потужності техніки – одне з головних завдань вчених та інженерів. Квантовий комп’ютер здатний її вирішити. Розробками пристрою займаються Google, IBM, Intel і інші компанії. Теоретично квантовий ПК буде працювати в 100 млн разів швидше звичайного.

Що таке квантовий комп’ютер

Таке обчислювальний пристрій працює не з бітами, а кубітами. З-за цього квантовий ПК здатний обробляти одночасно всі можливі стани об’єкта. Але на практиці суперкомп’ютери виконують таку ж кількість логічних операцій на хвилину.

Переваги

Головне достоїнство нової технології – квантове перевагу. Це здатність обчислювальних пристроїв вирішувати задачі, недоступні потужним суперкомпьютерам. Не всі вчені підтримують ідею створення такого ПК. Головний аргумент проти – неможливість перевірки правильності отриманого рішення. При обчисленнях пристрій може зробити помилку, переплутавши 0 і 1, а виявити проблему не вдасться.

Зараз головна проблема на шляху створення квантового переваги – стабільність кубітів. Ці елементи потребують обережного поводження: випадковий шум або вібрація призводять до втрати даних, які вдалося обчислити комп’ютера. Для стабільної роботи техніки температура навколишнього середовища повинна бути не більше 20 мК.

Як працює кубіт

У стандартних комп’ютерах інформація представлена двійковим кодом. Біти для зберігання та обробки даних, що приймають значення 0 або 1. Транзистори виконують математичні операції, а на екрані виникає результат перетворення двійкового коду.

Кубіт – одиниця зберігання інформації в квантовому комп’ютері. Крім 0 і 1, він може перебувати в невизначеному прикордонному стані, який називається суперпозицією. Для отримання кубіта потрібно взяти один атом, зафіксувати і стабілізувати його, захистивши від сторонніх випромінювань, зв’язати з іншим атомом.

Чим більше таких елементів з’єднане між собою, тим стабільніше працює система. Щоб перевершити класичний суперкомп’ютер, потрібно зв’язати 49 кубітів. Зробити це дуже складно: атоми, незалежно від використовуваних матеріалів, завжди нестабільні.

Квантові обчислення

Теорія свідчить, що без взаємодії з іншими частинками електрон не має однозначних координат на атомній орбіті. Тільки при вимірі невизначеність зникає, а місце розташування частинки стає відомим.

Імовірнісний характер змін дозволяє використовувати квантові обчислення для пошуку в неструктурованих баз даних.

Суперпозиція і заплутування

Робота комп’ютера базується на двох механічних явищах:

Заплутаність. Явище, при якому стан двох і більше об’єктів взаємозалежне. Наприклад, у 2 фотонів в заплутаному стані спиральность виявиться негативною і позитивною. Взаємозв’язок збережеться, якщо прибрати об’єкти один від одного в просторі.
Когерентна суперпозиція. Одночасний вплив на частку альтернативних (взаємовиключних) станів.

Декогеренції

Це процес, при якому стан квантової системи стає неконтрольованим. Декогеренції виникає, коли багато кубітів залежать один від одного. Проблема з’являється при взаємодії комп’ютера з радіацією, космічними променями або магнітним полем.

Для захисту комп’ютерів від «скочування» до звичайних обчислювальних процесів застосовують різні методи. Компанія D-Wave Systems охолоджує атоми до нуля, щоб захистити їх від зовнішніх впливів. Квантовий процесор поміщають в захисні оболонки, тому готові пристрої дуже громіздкі.

Вірогідність створення квантового ПК

Кубіт не побудувати з декількох частинок, а в потрібному стані можуть знаходитися тільки атоми. За замовчуванням ці множинні частинки неврегульовані. Китайські і канадські вчені намагалися використовувати для розробки комп’ютера чіпи на фотонах, але дослідження не увінчалися успіхом.

Існуючі типи квантових ПК:

у напівпровідникових кремнієвих кристалах;
на електронах у напівпровідникових квантових точках;
у микрорезонаторах на окремих атомах;
на лінійних оптичних елементах;
на іонах в одновимірному кристалі в пастці Пауля.

Квантові обчислення передбачають послідовність операцій, які відбуваються з одним або кількома кубітами, що викликає зміни всієї системи. Завдання – вибрати з всіх її станів правильне, що дає результат обчислень. Може бути скільки завгодно багато станів, максимально наближених до істинного.

Точність цих обчислень майже завжди відрізняється від одиниці.

Для повноцінного квантового ПК потрібні значні досягнення у фізиці. Програмування має відрізнятися від існуючого зараз. Квантові обчислювальні пристрої не зможуть вирішити завдання, які не під силу звичайним, але прискорять вирішення тих, з якими справляються.

Останнім по часу проривом стало створення процесора Bristlecone корпорацією Google. Навесні 2018 року компанія опублікувала заяву про отримання 72-кубитного процесора, але його принципи роботи не проафишировала. Вважається, що для досягнення «квантового переваги», коли ПК починає перевершувати звичайний, потрібно 49 кубітів. Google домоглася виконання умови, але ймовірність похибки обчислень (0,6 %) залишилася вище необхідного.

Де можуть застосовуватися квантові комп’ютери

Сучасна криптографія базується на тому, що неможливо швидко розкласти число на 40-50 знаків. У класичних комп’ютерів на це піде 1-2 млрд років. Квантовий ПК зробить ці математичні обчислення за 25 секунд. Це означає, що будь-які алгоритми шифрування можна буде миттєво зламати.

Інші сфери застосування квантових обчислювальних пристроїв: