Поняття «квантовий біт» або «кубіт» з’явилося більше сорока років тому. Комп’ютери, засновані на принципах квантової механіки, повинні прийти на зміну сучасним ЕОМ.
Розмір має значення
Завдяки комп’ютерам, все навколо поумнело на очах: у нас є «розумні» годинник, «розумні» телефони, ноутбуки, бортові комп’ютери в автомобілях і ще сотні приладів, в основі яких знаходяться процесори – невеликі обчислювальні пристрої, що виробляють всі необхідні операції.
Для більш серйозних завдань застосовуються комп’ютери іншого масштабу: кластери і суперкомп’ютери. Це звичайні обчислювальні машини, але з величезним числом процесорів, які виконують безліч завдань одночасно. Вони вже не помістяться у вас на долоні: найпотужніший суперкомп’ютер, Sunway TaihuLight, розташований в Китаї, займає простір в 605 квадратних метрів.
Перші комп’ютери, які працювали на лампочках, займали цілі спортивні зали. Потім, з розвитком технологій, їх розміри зменшилися в сотні разів – а тепер вони знову стали величезними. Виходить, ми повернулися назад в «кам’яний вік»?
Нам не вистачає потужності
І так, і ні. Розмір стандартного процесора – 4-5 сантиметрів, але в складі того ж Sunway TaihuLight процесор займає 40 960 див. Також необхідна система зберігання даних і громіздка система вентиляції. З-за цього суперкомп’ютери займають величезні простори і споживають величезну кількість електрики.
Навіщо нам потрібно так багато обчислювальних потужностей? Вся справа в сучасних завданнях, які сильно змінилися з часів перших комп’ютерів. Ми хочемо передбачати погоду, проводити найточніші моделювання фізичних процесів для розвитку технологій, використовувати системи машинного навчання у медицині. Всі ці проблеми потребують вирішення величезної кількості математично складних рівнянь, і звичайний комп’ютер з таким навантаженням не впорається. Чим більше процесорів, тим більше операцій може одночасно виконувати комп’ютер, і тим точніше можуть бути його передбачення.
Кількість і розміри комп’ютерів ростуть одночасно з кількістю завдань. Згідно з дослідженнями, до 2040 року в світі буде так багато ЕОМ, що у нас просто не вистачить електрики для їх харчування. Тим не менше вчені знають, як розв’язати проблему, і вже змінюють принцип роботи обчислювальних пристроїв.
Скільки потрібно лампочок, щоб записати слово
Звичні нам, «класичні» комп’ютери працюють у двійковій системі числення: будь-яка інформація записується у вигляді нулів і одиниць. У перших ЕОМ цей принцип був реалізований за допомогою звичайних лампочок: лампочка працює – «одиниця», не працює – «нуль». У сучасних комп’ютерах ту ж саму роль виконує електричний струм: або він є («1»), або його немає («0»). Число, слово або об’єкт записується у вигляді послідовності нулів та одиниць, з якими можна проводити різні операції.
У двійковому коді слово «futurist» представляється у вигляді: 11001101110101111010011101011110010110100111100111110100.
Виглядає переконливо, і подібні ланцюжка комп’ютер повинен запам’ятовувати і вміти відрізняти один від одного. Та ж сама послідовність буде означати, наприклад, ще й число: 57939484068182516.
Виходить, система досить «громіздка»: в елементарному об’ємі інформації, який називається «біт», ми можемо зберігати лише два числа, для чого нам потрібні мільйони і мільярди біт. Забагато.
Від біта до кубиту
Тут на допомогу вченим прийшла квантова механіка. Один з найбільш знаменитих уявних експериментів, «кіт Шредінгера», описує основна властивість субатомних частинок: вони вміють перебувати одночасно в декількох станах. Звичайний кіт може бути або живий, або мертвий. А квантовий кіт вміє перебувати ще й десь посередині. Він може бути живий на 90% і мертвий на 10%, або 50 на 50. Змішані квантові стани описують ймовірність виявити квантового кота в тому чи іншому вигляді.
Це дозволило ввести поняття «кубіт» (від англійського «quantum bit» – «qubit»). На відміну від звичайного біта, який приймає лише значення «0» або «1», кубіт може знаходитися в будь-якому стані від «0» до «1», у так званій суперпозиції станів. Чим більше можливих станів – тим більше інформації може зберігати в собі одна клітинка.
Квантова заплутаність і телепортація інформації
Інша особливість квантової механіки, знайшла застосування в розробці комп’ютерів, – явище заплутаності. Два заплутаних кубіта можуть якимось чином «дізнаватися» про станах одне одного, навіть будучи поділеними на велику відстань. Змінивши стан одного, ми змінимо і стан іншого.
Заплутаність лежить в основі механізмів передачі інформації на великі відстані, квантової телепортації. Оскільки об’єкти виявляються зв’язані між собою, для передачі інформації про всій системі достатньо відправити одержувачу тільки її частину.
Перші кроки
В результаті, маючи зовсім невелике число кубітів, ми можемо зберігати величезні обсяги інформації і значно прискорити обчислення. Однак створити реальний кубіт виявилося непросто. Основна проблема полягає в тому, як контролювати стан настільки складного об’єкта.
Правда, певні успіхи вже досягнуті. Китайським вченим вдалося передати заплутане стан на відстань близько 1400 кілометрів (попередній рекорд становить 100 кілометрів). В лабораторії на Землі створювалася система з двох квантово-зв’язаних частинок світла, чи фотонів. Пов’язану пару поділяли, і один з фотонів транслювали на супутник. Згідно з принципами квантової заплутаності, отримувач, маючи тільки один фотон, може відновити інформацію про всю систему. Дані з супутника порівняли з даними про вихідному стані, і результат збігся: навіть при передачі в космос квантова інформація не спотворюється.
Експеримент китайських вчених – один з початкових кроків у справі створення квантових комп’ютерів. Зараз вони працюють над реалізацією першої квантової мережі між Пекіном і Шанхаєм. У той же час вчені з МФТІ і Російського квантового центру досліджують різні способи створення систем кубітів. Їм вже вдалося провести перші квантові обчислення, і за оцінками, їх майбутні комп’ютери стануть в 100 000 разів потужніший сучасних.