Теорія неймовірності

Квантовий комп'ютер

Закон Мура більше не виконується: ми давно не чуємо про подвоєння потужностей комп’ютерних мікросхем що півтора року. По суті, розробники апаратних засобів уперлися в стелю, і схоже на те, що всій галузі загрожує застій. Оптимісти очікують на прорив, подібний до винайдення напівпровідникового кристала пів століття тому, і пов’язують його з розробленням квантового комп’ютера. Песимісти ж заявляють, що цього не станеться й навряд чи в найближчому майбутньому варто сподіватися на появу квантової обчислювальної системи, спроможної виконувати практичні завдання. Спробуймо розібратися, хто з них має слушність.

Почнімо з того, що таке квантовий комп’ютер і чим він відрізняється від комп’ютера звичайного.

Квантовий комп’ютер — це обчислювальна машина, яка для оброблення даних застосовує квантово-механічні ефекти. Звичайний комп’ютер оперує бітами, які можуть набувати лише одного з двох значень: нуля або одиниці. Тобто під час обчислень традиційні комп’ютери перекодовують усі величини у двійкову систему й далі працюють тільки з нулями й одиницями. Квантовий комп’ютер натомість оперує кубітами, квантовими аналогами звичайного біта, і на відміну від останнього кубіт може чи бути нулем або одиницею, чи набувати будь-якого значення в проміжку між ними. Кажуть, що кубіт перебуває в суперпозиції двох станів: нуля й одиниці. У чому перевага? Відповідно до математичного опису квантової механіки взаємодія двох квантових об’єктів зумовлює формування проміжних станів з інформацією про всі можливі шляхи її розвитку. Для людей, які не надто цікавляться квантовою механікою, складно уявити, про що йдеться і нащо це взагалі потрібно. Загалом ви маєте розуміти, що за правильного використання квантовий комп’ютер буде значно кращим за традиційні комп’ютери у швидкості й ефективності. Та оскільки ми досі не запропонували жодної робочої моделі, а окремі експерти запевняють, що створення квантового комп’ютера в принципі неможливе, отже є якісь проблеми.

Перша полягає в тім, що квантовий комп’ютер виконуватиме швидше й ефективніше лише ті обчислення, які підготовлені спеціально для нього. Скажімо, він дасть змогу передбачати перебіг складних хімічних реакцій, моделювати тривимірну структуру білків, розв’язувати складні рівняння зі сфери насамперед квантової фізики, проте його поява аж ніяк не означатиме, що традиційні методи обчислень відійдуть у небуття. І далі залишатимуться завдання, які буде простіше виконувати на класичних комп’ютерах.

Друга проблема відчутно серйозніша. Кубіт — не якась абстракція. Його треба реалізовувати фізично. Біт у традиційних комп’ютерах, по суті, відіграє роль перемикача: струм тече — значення біта інтерпретують як одиницю, струму немає — біт дорівнює нулю. З кубітом усе складніше. У квантовому комп’ютері недостатньо вмикати та вимикати струм. Для реалізації кубіту необхідно отримати доступ до елементарних частинок на кшталт фотона чи електрона та контролювати їхні квантові властивості, наприклад спін. Так ось, фізичний кубіт украй нестабільний. Навіть найменша взаємодія з навколишнім середовищем призводить до його колапсу в один із двох дискретних станів: 0 або 1. Цей процес називають декогеренцією. Відтак усі операції з кубітами в обчислювальній машині важливо провести до того, як квантова система сколапсує.

Уникнути декогеренції дають змогу дорогі та громіздкі охолоджувальні камери, всередині яких підтримується температура, що трохи вища за абсолютний нуль. Але навіть за їхньою допомогою максимальний час життя квантової системи, якого досягли розробники, є вкрай малим. Нинішній рекорд становить близько 150 мікросекунд і належить 20-кубітовому квантовому комп’ютеру IBM Q20 Austin. Такий пристрій має тільки одну сьому мілісекунди на розрахунки, після чого видаватиме білий шум замість результатів обчислень.

Сьогодні ІТ-гіганти на кшталт Google, IBM, Microsoft та Intel сукупно виділяють мільярди доларів на розроблення квантових комп’ютерів. Їм вдалося скласти прототипи з кількох десятків кубітів, тоді як для виконання практичних завдань квантові комп’ютери потребують сотень і тисяч кубітів. А що більша квантова система, то проблемніша. В осяжному майбутньому неможливість підтримувати когерентність досить довго для квантових обчислень залишатиметься основною перешкодою на шляху до створення функціонального квантового комп’ютера. І якщо проблему стабільності кубітів не розв’язати (а поки що важко уявити, у який спосіб розробники чипів подолають властиву квантовим системам крихкість), прориву не відбудеться й на цифрову галузь чекатиме тривалий застій.