Квантовый компьютер — это устройство для выполнения вычислений, использующее физические возможности квантовой механики для передачи, анализа и обработки данных.
Введение
Всё мировое сообщество живёт в ожидании очередного революционного открытия в сфере квантовой механики. Создание квантового компьютера позволит практически без временных затрат разрешать задачи, на которые сегодняшние наиболее мощные вычислительные системы могут затратить не один год. До появления квантовой механики, использовалась и применялась на практике теория электромагнитного поля. Но в 1900 году Макс Планк обнаружил, что энергетический поток, исходящий от нагретого объекта, идёт отдельными блоками-порциям, то есть квантами. Это подтвердило теоретические выкладки о квантовых потоках энергии. Затем примерно через пять лет гениальный Альберт Эйнштейн примерно так же трактовал явление фотоэффекта, в металле начинал протекать электрический ток при попадании на него светового потока.
Вероятно, ни Планк, ни Эйнштейн не предполагали, что своими экспериментами положили начало новой научной области, квантовой механике, которая со временем внесёт свою лепту в развитие нашего мира. А в сегодняшнем двадцать первом веке научные разработки специалистов вплотную подойдут к реализации идеи квантового компьютера. Но сначала квантовая механика прояснила строение атома и дала понимание происходящим в нём процессам.
Квантовый процессор
Вторая половина двадцатого века ознаменовалась изобретением лазера, квантового источника светового потока, который был сфокусирован в тонкий луч. Параллельно изучались свойства полупроводниковых материалов, способных осуществлять управление электрическим током. Появились транзисторы, а затем и микросхемы, без которых уже и не возможен современный быт. Далее, пришёл черёд электронных вычислительных машин, которые постоянно уменьшались в размерах без потери мощности вычислений.
С возникновением интернета компьютерные технологии проникли практически в каждый дом. Но надо признать, что несмотря на огромные возможности электронных вычислительных машин, они не могут решить все проблемы. Первым на это обратил внимание ещё в 1981 году известный учёный Ричард Фейнман, который сказал, что на общеизвестных всем компьютерах нет принципиальной возможности точного расчёта реальных физических систем, так как они имеют квантовую основу. Явления микроскопического масштаба можно правильно описать средствами квантовой механики, но это невозможно сделать с помощью обычной механики, которая правильно трактует только действия крупных тел и объектов. Поэтому Фейнман нашёл альтернативный вариант, применять для исследования физических систем квантовые компьютеры.
В электронных вычислительных машинах основной единицей информации являются биты (ноль или единица), а в квантовых компьютерах их заменяют квантовые биты, сокращённое название которых кубиты.
Кубит также может принимать два состояния, если выражаться в терминах квантовой механики, то есть тот же ноль или единица. Но существует свойство квантовых систем, которое называется «суперпозиция», и оно означает, что кубит способен принимать любые значения, являющиеся комбинацией основных. То есть квантовая природа кубита даёт ему возможность принимать все эти состояния одновременно. Это и называется параллельностью квантовых расчётов при помощи кубитов. Всё происходит одновременно, то есть не надо выполнять перебор всех возможных вариантов состояния системы, что фактически делает обычная ЭВМ.
Работа с огромными базами информационных данных, прокладка самого выгодного маршрута, проектирование новых лекарственных средств, все эти (и подобные им) задачи квантовые алгоритмы работы могут выполнить быстрее в разы. То есть это такие задачи, где решение ищется перебором большого числа возможных вариантов. И для того, чтобы точно описать состояние системы, не требуются значительные компьютерные мощности и средства оперативной памяти. Например, чтобы рассчитать систему из ста частиц необходимо сто кубитов, а никак не триллионы бит. Кроме того, если растёт число частиц, то это различие существенно возрастает.
Самым распространённым квантовым алгоритмом считается алгоритм английского математика Питера Шора, который он разработал в 1997 году. Он позволяет разложить число на простые множители. На первый взгляд задача кажется простой и не требующей квантового компьютера, и если написать программу для электронной вычислительной машины, то она решит задачу простым перебором вариантов или другим более сложным способом. Но если число будет состоять не из пяти цифр, а, скажем, из ста, то эта задача уже может поставить в тупик самые мощные ЭВМ. Для решения они могут потратить от нескольких десятков до миллионов лет машинного времени (зависит от разрядности числа). А квантовый компьютер, если будет работать по алгоритму Шора, мог бы решить эту задачу буквально за секунды.
Правда пока это лишь теоретические выкладки, практически это возможно будет проверить только после создания полноформатного квантового компьютера, который мог бы оперировать с двумя тысячами кубитов. Но два года тому назад специалисты выполнили алгоритм Шора на квантовом трёхкубитном процессоре. Но чем можно объяснить важность задачи факторизации (разложения в произведение простых сомножителей) чисел? Это объясняется тем, что большинство действующих протоколов, которые обеспечивают защиту данных при их передаче (к примеру, это банковские операции), применяют сложность вычисления этой задачи для формирования секретного кода (ключа), который используется для шифровки и дешифровки информации. Проблема в том, что если будет создан квантовый компьютер, то эта система защиты может потерять свою секретность. Есть и другие квантовые алгоритмы, которые могли бы помочь решить сложные для обычных компьютеров задачи. К примеру, это алгоритм Гровера, с помощью которого можно быстро найти нужную информацию в сложных, не имеющих строгого порядка, информационных базах.
Ещё одним направлением применения сверхпроводящих кубитов считается реализация на их базе квантовых мета материалов, то есть массива «атомов», созданных искусственно. Они способны пропускать через себя электромагнитное излучение, преломляя его без потери энергии. Сверхпроводимость кубитов тоже может быть использована для квантовых измерений высокой точности и реализации «квантовой оптики на чипе». Там кубиты применяются как источники и детекторы единичного фотона. Сегодня повсеместно много специалистов, объединённых в группы и лаборатории, занимаются экспериментами по изучению кубитов и созданию на их основе квантового компьютера. Пришла пора теоретически придуманный кубит довести до его реального воплощения.
