Можна пояснити простими словами, що таке квантовий компʼютер?
Ми спробуємо. Сучасні компʼютери розмовляють мовою бітів. Біт — це одиниця виміру інформації, яка може мати лише два значення — так або ні, 1 або 0 у двійковій системі числення. Наприклад, струм або йде через транзистор процесора цієї миті, або ні. Квантовий компʼютер оперує не бітами, а кубітами, які теж можуть мати значення 1 або 0, але не обмежуються ними, адже можуть мати комбінацію нуля та одиниці одночасно.
Простіше всього це пояснити на прикладі. Послідовність із трьох бітів проста — 101. Три кубіти можуть набувати восьми різних послідовностей — 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.
Грубо кажучи, квантові компʼютери зможуть виконувати задачі значно швидше, оскільки одночасно обчислюватимуть багато різних варіантів. Звичайний компʼютер виконує задачу послідовно: перевіряє один варіант рішення, відкидає його та починає наново, хоч і дуже швидко. Квантовий зможе перевіряти багато варіантів рішення одночасно. Це називається квантовою перевагою. У сенсі — над звичайними компʼютерами.
А чому вони мають таку можливість? Що означає бути нулем та одиницею одночасно?
Щоб пояснити це, треба розповісти про джерела квантової механіки. Класична фізика формулює закони природи для умовно великих обʼєктів. Квантова — досліджує природу в масштабах атомів і субатомних частинок: електронів, нейтронів, кварків тощо. Виявилося, що елементарні частинки живуть за іншими законами. Найпростіший приклад: у «великому» світі діють закони гравітації, а в субатомному їх немає — частинки рухаються за іншими принципами, які фізики тільки намагаються зрозуміти.
Зліва направо: Вальтер Нернст, Альберт Ейнштейн, Макс Планк, Робетр Ендрюс Міллікен і Макс фон Лауе на обіді, який влаштував фон Лауе в Берліні 11 листопада 1931 року.
Wikimedia / «Бабель»
Головним відкриттям в цій сфері стало те, що елементарні частинки можуть за одних умов мати властивості хвиль, а за інших — властивості частинок, що помітив ще фізик Макс Планк у 1900 році, а остаточно сформулював Луї де Бройль у 1924-му. Подальші досліди призвели до появи принципу суперпозиції — припущення, що частинки перебувають у різних станах одночасно. І «конкретизують» свій стан лише тоді, коли науковець починає їх вимірювати, а до того їх можна лише описувати у вигляді вірогідностей. Багато хто чув про цей принцип у вигляді уявного експерименту про кота, запропонованого фізиком Ервіном Шредінгером.
Далі у гру вступив Альберт Ейнштейн. Він критикував положення квантової механіки за бездоказовість і сформулював ще один уявний експеримент. Якщо всі положення квантової механіки вірні, міркував Ейнштейн, має існувати можливість створити дві повʼязані частинки, що змінюватимуть свій стан скоординовано — якщо науковець буде вимірювати стан однієї, то друга буде змінювати свій стан на протилежний. Причому ці дві частинки можуть перебувати на будь-якій відстані одна від одної та передавати інформацію швидше за швидкість світла.
Як це?
Пояснюємо просто. Уявіть, що ви з другом одночасно підкинули монетки та накрили їх долонями. І магічним чином, якщо ви подивитеся на свою монетку та побачите, що вона випала «орлом», то монетка вашого друга автоматично стане «решкою». Ейнштейн справедливо вважав, що у «великому» світі це неможливо. Але виявилося, що в субатомному світі все інакше.
Джон Клаузер. Річард Філліпс Фейнман.
Getty Images / «Бабель»; cdn.futura-sciences.com / «Бабель»
У 1967 році аспірант Колумбійського університету Джон Клаузер вирішив довести правоту Ейнштейна експериментом. Він створив два повʼязані фотони та з подивом виявив, що спостереження за станом одного фотона справді миттєво призводило до протилежних результатів іншого. Це явище назвали квантовою заплутаністю. Виявилося, що справа не у швидкості передачі інформації — «заплутані» між собою частинки переставали бути окремими обʼєктами і ставали системою.
У 1980-х фізик Річард Фейнман запропонував ідею квантового компʼютера, тобто використання явищ субатомного світу для обчислення реальних задач «великого» світу. У 2022 році Джон Клаузер разом із колегами Аленом Аспектом і Антоном Цайлінгером отримали Нобелівську премію саме за дослідження квантової заплутаності.
Зліва направо: Ален Аспект, Джон Клаузер, Антон Цайлінгер.
static.scientificamerican.com / «Бабель»
Кубіти квантового компʼютера — це і є повʼязані між собою елементарні частинки, які набувають різних значень залежно від зовнішнього впливу на них. Саме так науковці досягають згаданої вище великої варіативності комбінацій та можливості управляти цим процесом.
Тут немає магії, технологія ядерної зброї так само використовує унікальні для мікроскопічного світу процеси, щоб створювати великий вибух у нашому світі. Це все досить складно, але не журіться. У фізиків пішло 100 років лише на те, щоб побачити й описати ці явища. Фундаментальних законів, за якими живе світ субатомних часток, ми не знаємо досі.
Ого. То квантовий компʼютер вже існує?
Лише на рівні експериментальних зразків. Розробляють їх одразу багато лабораторій різних компаній. Свої проєкти квантового компʼютера є у Google, Amazon, IBM, Microsoft та Intel. У Китаї чотири проєкти такого компʼютера, що мають конкурувати між собою, розробляють учені Університету науки і техніки в Хефеї. Крім того, цим займаються сотні стартапів по всьому світу.
Профільне видання Quantum Insider нарахувало понад 600 компаній, дотичних до цієї сфери. У розробки квантового компʼютера в усьому світі вже інвестували $30 мільярдів. Цікавиться ними й американський уряд, який теж активно інвестує в цей напрям.
А як це виглядає? Що я побачу, коли подивлюся на квантовий компʼютер?
Різне. Залежить від того, в якій саме лабораторії. Один з найперспективніших проєктів має Google. У лабораторії Google AI Quantum, якою керує німець Хартмут Невен, стоїть компʼютер із процесором Sycamore з 54 кубітів. Ззовні це виглядає як великий циліндричний бокс із безліччю кабелів, а сам процесор — мікросхема з надпровідників, яку тримають у наднизьких температурах.
Квантовий комп'ютер від Google. Квантовий коп'ютер від IBM.
flickr.com / «Бабель»
Досить схожий проєкт в IBM, їхній компʼютер теж нагадує люстру з кабелями. Між цими двома компаніями вже відбулася перша «битва». У 2019 році Google заявила, що Sycamore досяг квантової переваги — виконав за 200 секунд завдання, на яке найшвидшому звичайному компʼютеру знадобилося б 10 тисяч років. В IBM відповіли, що Google маніпулює і навмисно ставить процесору завдання, прості для квантових компʼютерів і складні для звичайних, тому немає чистоти експерименту.
Також є інші проєкти. Компанія IonQ розробляє технологію, яка дозволить використовувати як кубіти атоми рідкісноземельного елемента ітербію, впливаючи на них за допомогою лазера. Компанія PsiQuantum зосереджена на фотонах.
А в чому проблема? Чому це досі експерименти, якщо фізично квантові компʼютери вже існують?
Проблема в тому, що квантові компʼютері досі ненадійні, вони помиляються. Наприклад, у процесора Sycamore у середньому одна помилка на кожну тисячу кроків розвʼязання задачі. Проте обчислення складних задач, для яких і створюють квантові компʼютери, — це десятки тисяч кроків, тому накопичуючи помилки, кубіти поступово перестають виконувати свої функції.
На системи, побудовані на основі кубітів, сильно впливає увесь зовнішній світ — температура, освітлення, повітря, аж до випромінювання з-поза меж нашої Сонячної системи.
Проблема витікає також із самої суті квантової заплутаності — якщо науковець почне перевіряти стан кубітів під час роботи процесора, вони почнуть змінювати свої значення.
З одного боку, компанії створюють дедалі потужніші квантові процесори: після Osprey компанія IBM обіцяє процесори Condor на 1 121 кубіт і Flamingo на 1 386 кубітів. А з іншого — зробити їхню роботу стабільною досі не вдається. Вони поки неспроможні вирішувати практичні завдання. Саме це мали на увазі в IBM, коли звинувачували Google у маніпуляції. Процесор від Google справді виконав складну операцію швидко, але ця операція не мала ніякого прикладного сенсу, бо полягала в генеруванні чисел. Просте збільшення кількості кубітів не робить процесор кориснішим чи проривним.
Професор Цзен демонструє роботу квантового пристрою Gemini на виставці в HKUST.
news.hkust / «Бабель»
Утім, у грудні минулого року на ринку вже зʼявилися комерційні двокубітні квантові пристрої Gemini від китайської компанії SpinQ Technology. Але потужність цих компʼютерів замала, щоб назвати їх проривом. Існують набагато потужніші за них звичайні компʼютери, а ці скоріше «квантові калькулятори» для розвʼязання специфічних задач. Причому технологію таких пристроїв неможливо масштабувати, вона працює лише із 2—3 кубітами. Про квантову перевагу не йдеться.
Якщо такі компʼютери нарешті зʼявляться, то як вони змінять світ?
Докорінно. Вони зможуть буквально зламати інтернет. Сучасні онлайн-комунікації — від текстових месенджерів до фінансових транзакцій — захищені шифруванням. Звичайні компʼютери не здатні зламати таке шифрування — на це пішли б мільйони років. Але квантовий компʼютер міг би зробити це в мільйони разів швидше. Поява такого компʼютера означатиме, що всі протоколи безпеки, які захищають інформацію в інтернеті, потрібно змінювати, робити складнішими. Причому заздалегідь — ще до його появи.
На початку 2022 року адміністрація Джо Байдена офіційно заявила, що розробка квантового захисту вже почалася, але триватиме близько десяти років. Саме тому американський уряд допомагає приватним компаніям у розробках — якщо робочий квантовий компʼютер першими створять у Китаї, це буде найбільший крах кібербезпеки, який тільки можна уявити.
Надійний квантовий компʼютер зможе значно спростити будь-який процес, що потребує обчислення. Наприклад, хімічну промисловість. Ліки, вакцини, побутову хімію більше взагалі не треба буде тестувати — квантовий процесор змоделює всі варіанти поведінки хімікатів в різних умовах, визначить, чи можуть вони бути небезпечними та як можуть вплинути на людський організм.
Коли ж експерименти закінчаться і станеться науковий прорив?
Хартмут Невен обіцяє представити перший стабільний кубіт уже цього року. Але потрібні тисячі кубітів, які не будуть помилятися, щоб розвʼязувати, наприклад, задачі хімічної промисловості. Для «зламу інтернету» — у рази більше. Отже, сьогодні можна не переживати через можливий крах кібербезпеки.
Хартмут Невен.
flickr.com / «Бабель»
Фізик Олексій Китаєв із Каліфорнійського технологічного інституту, який консультує квантовий проєкт Google, у 1998 році припускав, що прорив у квантових дослідженнях станеться за 30 років. Однак зараз він вважає, що 2028 рік не стане проривним, адже потрібно більше часу. Тому будь-які карколомні результати розробок переносяться щонайменше на 2030-ті.
Ми не пояснюємо читачам складні наукові теми як суворі лектори, а розбираємося разом з ними. Підтримайте «Бабель»: 🔸 у гривні, 🔸 у криптовалюті, 🔸 Patreon, 🔸 PayPal: [email protected].