4 головних питання про квантових комп’ютерах

Що таке квантовий комп’ютер і навіщо він потрібен?

Звичайні комп’ютери працюють за принципом обчислювальних машин Тюрінга – ньому з битами, які знаходяться в одному з двох станів: 0 або 1. У квантових комп’ютерів таких обмежень немає: інформація в них зашифрована в квантових бітах (кубітах), які можуть містити суперпозиції обох станів. Наприклад, 20% – 1, 80% -0. Завдяки цій властивості, квантовий комп’ютер може виконувати кілька обчислень одночасно, в той час як машина Тьюринга – тільки одне. 300 звичайних бітів дає 600 (2*300) можливих станів, у той час як 300 кубітів – 2300. Носіями інформації виступають елементарні частинки: атоми, іони, фотони або електрони, що мають два квантових стану. Під час вимірювань ці стани можуть змінюватися непередбачуваним чином: ми можемо отримати як 0, так і 1. Необхідно провести десятки тисяч вимірювань, щоб зрозуміти, що співвідношення справді 20% і 80%. Але квантова механіка знає способи обійти ці вимірювання і передати інформацію відразу.

Квантові системи потрібні для роботи з великими даними. Вони можуть спростити розрахунки властивостей окремих молекул, а також пошук нових ліків і матеріалів. Поступово з’являються квантові нейромережі. А фізики з Російського квантового центру вперше запустили квантовий блокчейн — інструмент для створення розподіленої бази даних, в якій практично неможливо підробити запису.

Як відбувається передача інформації?

Використовується явище квантової заплутаності. Дві частки, електрон або фотон, які одночасно випускає один і той же джерело, знаходяться в так званому заплутаному (або зчепленому стані. Вони несуть одночасно праву і ліву поляризації, але у момент вимірювання вони беруть певну поляризацію – причому завжди будуть протилежні один одному. Тобто, якщо ми дивимося на один фотон, і він приймає ліву поляризацію, то в іншого фотона буде права поляризація – і навпаки. Передбачити, яку поляризацію візьме та чи інша частинка, неможливо.

Альберт Ейнштейн вважав квантова заплутаність безглуздою вигадкою і називав її «моторошним дією на відстані». Він запропонував рознести ці частинки на велику відстань. Якщо ми спостерігаємо за одним з фотонів, то другий фотон повинен отримати інформацію про факт вимірювання, щоб змінити свою поляризацію. В теорії відносності це відбувається не відразу, а після деякого часу, інакше порушиться головне правило — швидкість передачі інформації перевищить швидкість світла. Але в квантовій механіці другий фотон повинен отримати інформацію моментально — інакше в якийсь момент поляризація частинок буде однакова. Це протиріччя назвали парадоксом Ейнштейна — Подільського — Розена (ЕПР-парадокс). Фізики довго сперечалися, як його вирішити. У підсумку вирішили, що зміна поляризації — це випадковий процес, і ніякої передачі інформації не відбувається, тому принципи відносності формально не порушуються.

У 1993 році в IBM Research був проведений експеримент, відомий як квантова телепортація. Вчені з IBM показали, що квантова заплутаність не тільки є реальним явищем, але і може бути перетворена в щось набагато більш корисне, ніж хто-небудь насмілювався припустити. Для передачі інформації доводиться вимірювати стан частинок — але за законами квантової фізики вимірювання руйнує цей стан, і відновити його неможливо. Телепортація використовує явище квантової заплутаності і дає можливість перенести певний стан, володіючи мінімальною інформацією про нього — не «заглядаючи» у нього і тим самим не порушуючи його.

Припустимо, нам потрібно передати стан фотона А одержувачу — тобто зробити так, щоб у одержувача опинилася в розпорядженні частинка B в тому ж самому стані. Як це зробити? Народжуються два “заплутаних” фотона, В і С. Один (С) направляється до передавача, а інший (В) — до приймача. Нагадаємо, стан фотонів не визначено, і спостережуване значення дійсно тільки в момент вимірювання. У передавача, таким чином, є система частинок А і С. Вимірюючи цю систему, він може отримати один з чотирьох можливих результатів.

Ми пам’ятаємо, що при вимірюванні стан фотонів змінюється. І, коли ми отримали дані про частинках А і З, ми змінили стан всієї системи — адже B “сплутана” з С. Таким чином, стан B пов’язується з А — але одержувач поки не знає, що конкретно сталося. Як це з’ясувати? Справа в тому, що у квантовій телепортації використовуються два канали зв’язку, класичний і квантовий. Квантовий зв’язує частинки A і B, між якими йде передача інформації. А за допомогою класичного передавач відправляє частці B дані про вимірювання AC — 2 біти інформації. З їх допомогою одержувач може відновити дані про вихідний стан частинки А.

Чи існують квантові комп’ютери?

Так. D-Wave, який використовує спрощену форму квантових обчислень (квантова нормалізація або відпал), продає комерційну версію своєї машини. Відомі дрібні квантові комп’ютери Google і IBM, причому IBM дозволяє людям отримувати доступ до свого комп’ютера через хмару (проект Quantum Experience для комп’ютера з п’ятьма кубітами). Також зараз ведеться робота над першим комерційним сервісом квантових хмарних обчислень — IBM Q. Для нього розробили 17-кубитное пристрій з низьким рівнем помилок. Пізніше роботу сервісу буде забезпечувати універсальний квантовий комп’ютер з приблизно 50 кубітами.

У липні 2017 року російсько-американська група фізиків під керівництвом Михайла Лукіна, співзасновник Російського квантового центру і професора Гарвардського університету, оголосила про створення програмованого 51-кубитного квантового комп’ютера. На сьогодні це найбільш складна подібна система з існуючих.

Однак поки квантові комп’ютери знаходяться лише на перших стадіях свого розвитку. Пятикубитные системи може моделювати і звичайний настільний комп’ютер. Крім того, для надійної роботи квантового комп’ютера потрібно дуже низький рівень помилок. Ці помилки виникають через декогеренции (розпаду суперпозиції), або з-за взаємодії кубітів один з одним. З-за цього нарощувати число кубітів дуже складно. Лише нещодавно вчені навчилися виявляти такі помилки автоматично: у 2015 році IBM розробила четырехкубитный квантовий чіп спеціально для цієї задачі.

Чи небезпечні вони?

Криптологи використовують обмеження нашої нинішньої технології, щоб забезпечити безпеку нашій інформації і транзакцій. Поява квантових алгоритмів обчислень може зробити наші нинішні стандарти шифрування неефективними.

Однак ця проблема виглядає надуманою. Квантова криптографія існує ще з початку 90-х. Агентство національної безпеки Сполучених Штатів почала переходити на квантово-безпечну криптографію. Існує також ряд приватних компаній, які впроваджують квантові системи безпеки. Quantique розробляє такі системи з 2007 року. В цьому році вона планує встановити більше 200 систем в 15 різних організаціях.

Свої побажання та побоювання, свої найщиріші вітання та обурення Ви можете надсилати безпосередньо до Столиці Світу на [email protected]. Ми раді допомогти всім, хто радий допомогти нам. Щира подяка, пані та панове!

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *