Как устроен квантовый компьютер и зачем он нужен

Физические принципы работы и понятие кубита

Привычный процессор смартфона или ноутбука оперирует битами. Бит представляет собой микроскопический транзистор, который либо пропускает ток, либо заперт. Соответственно, в любой момент времени он хранит строго одно фиксированное состояние — логический ноль или логическую единицу. Вся современная цифровая техника построена на переключении миллиардов таких переключателей.

Квантовый компьютер устроен принципиально иначе. Его базовый элемент называется квантовым битом, или кубитом. Кубитом может служить отдельный ион в электромагнитной ловушке, спин электрона, фотон или искусственный сверхпроводящий контур, охлажденный почти до абсолютного нуля. Главная особенность кубита заключается в явлении квантовой суперпозиции.

Суперпозиция позволяет кубиту до момента считывания находиться в линейной комбинации обоих базовых состояний одновременно. Математически это описывается волновой функцией с вероятностными коэффициентами, или амплитудами вероятности. Только когда система взаимодействует с измерительным прибором, волновая функция схлопывается, выдавая привычный ноль или единицу с определенным шансом.

Второе фундаментальное явление — квантовая запутанность, или квантовая сцепленность. Когда несколько кубитов запутываются между собой, их квантовые состояния объединяются в неразрывную единую систему. Изменение состояния одного кубита мгновенно отражается на вероятностях состояний остальных, даже если между ними есть расстояние. Классическая физика такого взаимодействия не допускает.

Квантовые вентили и параллелизм вычислений

В обычной микроэлектронике вычисления происходят с помощью логических элементов: «И» (AND), «ИЛИ» (OR), «НЕ» (NOT). Они принимают на вход биты напряжения и необратимо выдают новый результат. Квантовые алгоритмы работают через квантовые вентили, которые на английском языке называют quantum gates. Они представляют собой унитарные преобразования, изменяющие амплитуды вероятностей кубитов.

В отличие от большинства классических элементов, квантовые вентили строго обратимы. Зная выходное состояние и операцию, можно восстановить исходные данные. Самый известный однокубитный вентиль — элемент Адамара (Hadamard gate, H). Если подать на него кубит в базовом состоянии 0, вентиль переведет его в идеальную суперпозицию с равной вероятностью выпадения нуля или единицы.

Для работы с несколькими частицами применяют двухкубитные вентили, базовый из которых — CNOT, или контролируемое «НЕ». Он переворачивает целевой кубит тогда, когда управляющий кубит равен единице. Сочетая вентили Адамара и CNOT, физики запутывают кубиты между собой. Именно через последовательность таких управляющих импульсов лазера или микроволнового излучения программируют квантовые процессоры.

Экспоненциальная мощь системы кроется в масштабировании. Три обычных бита способны одновременно сохранить лишь одну комбинацию из восьми возможных, например 101. Три кубита в состоянии суперпозиции одновременно содержат сразу все восемь комбинаций от 000 до 111. Система из n кубитов описывается вектором из двух в степени n комплексных чисел. Процессор из 300 запутанных кубитов хранит больше чисел одновременно, чем атомов в наблюдаемой Вселенной.

Зачем нужны квантовые процессоры на практике

Квантовые машины разрабатывают вовсе не для того, чтобы запускать видеоигры или ускорять загрузку интернет-страниц. Их строят ради вычислительных задач с экспоненциальной сложностью, где обычный перебор заходит в тупик.

• Моделирование сложных молекул и химических реакций для синтеза лекарств. Классический суперкомпьютер тратит недели на расчет взаимодействия простейших белков, поскольку каждое электронное облако ведет себя по законам квантовой механики. Квантовая машина моделирует такие молекулы естественным путем, экономя десятилетия лабораторных испытаний.
• Решение сложных задач оптимизации логистики и транспорта. Поиск кратчайшего маршрута коммивояжера для тысяч городов или балансировка энергосетей крупных мегаполисов требуют перебора триллионов вариантов, с которыми квантовые алгоритмы справляются во много раз быстрее.
• Материаловедение и создание сверхпроводников. Расчет кристаллической решетки при высоких температурах позволяет создавать новые аккумуляторы сверхвысокой емкости и прочные сплавы для космической индустрии.
• Криптоанализ и цифровая безопасность. Алгоритм Питера Шора, предложенный математиком в 1994 году, теоретически способен разложить гигантское составное число на простые множители за полиномиальное время. Этот факт ставит под угрозу распространенные криптографические протоколы RSA, на которых держится безопасность интернет-банкинга.

Главные препятствия в создании квантовых систем

Главный враг разработчиков квантовых чипов — квантовая декогеренция. Любой тепловой шум, электромагнитное излучение от соседней проводки или малейшая вибрация разрушают хрупкое состояние суперпозиции. Система преждевременно схлопывается в случайные нули и единицы, а вычисление срывается.

Чтобы защитить кубиты от разрушения, их помещают в массивные криостаты растворения, похожие на золотые многоярусные люстры. Внутри этих установок поддерживают температуру около 15 милликельвинов. Это значение ниже температуры открытого космического пространства.

Другая сложность заключается в квантовой коррекции ошибок. Из-за отсутствия возможности скопировать неизвестное квантовое состояние напрямую исследователям приходится тратить сотни и тысячи вспомогательных физических кубитов лишь на то, чтобы поддерживать один надежный логический кубит без шума.