Что такое квантовый компьютер и зачем он вообще нужен?

Существуют два совершено разных устройства «универсальный квантовый компьютер» (УКК) и квантовый симулятор. УКК был теоретически разработан еще в 90-е годы ХХ века. Одним из его преимуществ является способность очень быстро выполнять сложные алгоритмы разложения числа на простые множители (так называемый алгоритм факторизации Шора). Такие задачи возникают, например, в криптографии, при шифровании и расшифровке информации. («Чердак»подробно писал, как алгоритм Шора может здорово облегчить реальную жизнь.)

Еще задолго до этого, Ричард Фейнман теоретически обсуждал возможность построения квантовых симуляторов, разработкой которых занялась в последние годы компания D-Wave (недавно многие СМИ сообщили, что ей удалось построить квантовый компьютер – «Чердак»разбирался, так ли это). На квантовом симуляторе нельзя решать те задачи, из-за которых возник такой большой интерес к УКК, например, на нем невозможно выполнять алгоритм Шора.

Зачем вообще нужны УКК, если не могут выполнять «обычные» для квантовых компьютеров задачи?

У квантовых симуляторов есть свои преимущества: они могут решать задачи, недоступные для обычных компьютеров. Например, задачи оптимизации при очень большом числе параметров. Типичный пример – задача коммивояжера) когда необходимо проложить оптимальный маршрут к миллиону покупателей, у каждого из которых есть сложный набор параметров.

Такие задачи возникают, например, при создании новых материалов, когда необходимо найти состояние с минимальной энергией у системы, у которой имеется очень много параметров и связей. Например, компания Microsoft заинтересована в таких проектах для решения задачи искусственного фотосинтеза.

Что вообще такое квантовый симулятор?

Квантовый симулятор представляет собой систему, в которой имеются элементарные блоки, связанные между собой. Cвязи между блоками выполняют роль параметров. Когда система готовится к работе, она сначала «падает» в состояние с минимальной энергией. Затем вычислитель (оператор устройства) начинает менять параметры, и смотрит, в какое состояние приходит вся система.

Такие задачи можно решать, например, методом отжига. Отжиг – это некоторое случайное воздействие на систему, которое переводит ее в состояние с меньшей энергией. Компьютер D-Wave, по словам его создателей, выполняет алгоритм квантового отжига, когда переходы между минимумами функции затрат могут происходить за счет квантово-механических процессов, в частности квантового туннелирования.

Команда Google решила задачу, наиболее удачно приспособленную для того, чтобы продемонстрировать колоссальные преимущества метода квантового отжига. Это не значит, что этот компьютер будет иметь такие же преимущества перед обычным компьютером в решении других задач.

Когда можно ждать появления «полноценных» квантовых компьютеров, которые смогут решать любые вычислительные задачи?

Я недавно еще полагал, что первые полезные эксперименты с квантовыми симуляторами будут осуществлены через пять-десять лет, но они проводятся уже сейчас. При подобных темпах, думаю, что построение квантовых симуляторов это вопрос ближайших лет.
Что касается построения УКК, который будет выполнять алгоритмы Шора, Гровера, Дойча – для этого понадобится намного больше времени. Здесь придется решить очень сложные инженерные задачи. Кубиты (квантовые аналоги бита) живут не вечно, и для того, чтобы выполнять вычисления необходимо корректировать возникающие ошибки. Пройдет еще несколько лет прежде, чем появится путь, по которому можно будет двигаться дальше, увеличивая сложность схем.

Что такое кубит?

Кубит – это абстракция, которая связана с теоретическим описанием на языке квантовой механики. Если у меня есть квантовый объект, который может иметь два состояния энергии, то он может выполнять роль кубита. Фактически, это непрерывно изменяющееся во времени квантовое состояние. Моя задача – создать начало такого процесса и измерить его результат. А в промежутке происходят взаимодействия моего квантового состояния с другими квантовыми состояниями. Это и есть процесс вычисления в квантовом компьютере.

А как вообще выглядит кубит в реальности?

Это может быть электрон со своим спином (магнитным моментом), ядро атома (ядерный спин), фотон, ион (захваченный в ловушку). Сегодня создатели квантовых компьютеров находятся в ситуации выбора «железа» и сегодня сверхпроводники явно вырвались вперед. Но полупроводники отстают от них всего на несколько лет, кроме того, очень много добились люди занимающиеся квантовыми точками (полупроводниковые наночастицы, электрические характеристики которых зависят от их размера и формы – прим. «Чердака»). Есть работы по использованию азотных примесей в алмазе и карбиде кремния.

Читать дальше.