Что такое квантовый компьютер и как он взломает ваши пароли. Объясняем простыми словами

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, которое для обработки информации использует законы квантовой механики, то есть науки о том, как ведут себя очень маленькие объекты: атомы, электроны и другие частицы.

Основные источники

• learn.microsoft.com;
• thecode.media;
• postnauka.org;
• nplus1.ru;
• sk.ru;
• lenta.ru;
• kommersant.ru;
• forbes.ru;
• ria.ru.

Проще говоря, есть обычные компьютеры и есть суперкомпьютеры — тысячи классических процессоров, работающих параллельно. А есть квантовые компьютеры — вычислительная машина качественно иного уровня, которая не подчиняется законам классической физики.

Пока квантовые компьютеры — дорогие лабораторные установки, но их развитие угрожает всей цифровой безопасности. Зато они же помогут создавать новые лекарства или материалы, которые изменят мир.

Как работают квантовые компьютеры

В обычном компьютере информация кодируется в битах. Бит — это простейшая единица информации, которая может быть либо 0, либо 1. Биты можно сравнить с лампочкой, которая либо горит, либо нет. Миллиарды транзисторов в микросхемах каждую секунду по команде «включено-выключено» складывают и вычитают, чтобы выполнять наши задачи — от сложения чисел до запуска компьютерных игр.

В основе работы квантового компьютера лежат два базовых принципа квантовой механики — суперпозиция и запутанность.

В квантовых компьютерах вместо битов — кубиты (сокращение от «квантовый бит»). Это квантовые объекты (например, электроны, фотоны или сверхпроводящие цепи). Кубит может одновременно быть и нулём, и единицей, и всем между ними. То есть кубит подобен чудо-лампочке, которая может гореть и не гореть в одно и то же время. Это и называется суперпозиция.

Более того, кубиты могут быть «запутаны»: изменение состояния одного мгновенно влияет на другой (в обычных компьютерах биты независимы — каждый обрабатывается отдельно). Взаимодействие десятков и сотен «запутанных» кубитов даёт невообразимое количество вариантов состояний системы. Благодаря этому квантовый компьютер может параллельно производить колоссальное количество вычислений.

Как это работает

Алгоритм квантовых вычислений можно представить как последовательность элементарных операций, называемых квантовыми гейтами, которые изменяют состояния отдельных кубитов.

Квантовый гейт — это что-то вроде микросхемы, которая получает один или несколько кубитов на входе, выполняет над ними определённое действие и выдаёт их на выходе. Программирование квантового компьютера — это составление цепочки различных гейтов.

В конце вычислений нужно считать информацию с кубитов, чтобы получить ответ. Но любое измерение квантовой системы разрушает суперпозицию и даёт лишь один из возможных вариантов состояния. Поэтому квантовый компьютер работает вероятностным образом: он с высокой вероятностью даёт правильный результат, но никогда с 100%-ной гарантией.

Чтобы повысить точность, вычисления проводят многократно, и правильный ответ выдаётся с большей вероятностью. Так, перебирая возможные варианты, квантовый компьютер находит нужное решение.

Представьте, что вам нужно найти выигрышный билет в огромной коробке с лотерейными билетами. Обычный компьютер будет проверять их по очереди один за другим — быстро, но последовательно. Квантовый подходит иначе: он словно бы проверяет сразу все билеты одновременно и тут же получает ответ.

За счёт этого параллелизма квантовые компьютеры обещают справляться с такими задачами, которые для обычной техники попросту непосильны.

Зачем нужны квантовые компьютеры

Квантовые вычисления ценны прежде всего там, где классические компьютеры начинают «буксовать» перед сложностью мира. Например, в химии — для моделирования сложных молекул. Даже суперкомпьютеры просто не справляются с такой вычислительной нагрузкой. А квантовый компьютер способен рассчитать поведение молекул, предусмотреть, как сложатся атомные связи. Благодаря этому можно создавать новые лекарства или материалы.

Квантовые вычисления пригодятся и для поиска оптимальных решений в большом объёме данных. Например, в логистике, когда нужно мгновенно рассчитать лучшие маршруты доставки для тысяч машин, или определить, как лучше распределить ресурсы на заводе.

Использование квантовых вычислений может привести к прорыву в сфере искусственного интеллекта и машинного обучения, позволив обрабатывать огромные массивы данных, с которыми не справляются обычные компьютеры. Проще говоря, квантовые алгоритмы в разы ускорят обучение нейросетей.

Одно из самых многообещающих и в то же время тревожных применений квантовых компьютеров — взлом современных систем шифрования.

Большинство криптографических алгоритмов, используемых сейчас для защиты данных (например, банковских транзакций), основаны на разложении больших чисел на простые множители. Считается, что сделать это за разумное время невозможно. На этом строится безопасность систем. Но квантовый компьютер может решить эту задачу за минуты и часы вместо многих лет.

Но есть и обратная сторона: те же квантовые алгоритмы способны создавать новые типы шифрования — куда более устойчивые, чем нынешние.

В общем, квантовые компьютеры сулят огромные выгоды, но в то же время создают новые риски. Контроль над этими технологиями может дать экономическое превосходство. Неудивительно, что крупнейшие корпорации и ведущие державы инвестируют огромные средства в квантовые исследования — каждый стремится первым получить «квантовый джекпот».

Но, чтобы извлечь практическую пользу из квантовых вычислений, предстоит решить ещё множество фундаментальных и технических проблем.

Почему мы ещё не пользуемся квантовыми компьютерами

Квантовые компьютеры пока остаются экзотическими устройствами, которые есть лишь в нескольких лабораториях мира, в том числе в России (об этом подробнее ниже).

Даже самые продвинутые прототипы пока насчитывают около 1000 кубитов, тогда как для практических приложений нужны десятки тысяч и даже миллионы.

Почему так? Главная проблема — «капризность» кубитов. Они должны поддерживать состояние суперпозиции достаточно долго, чтобы провести вычисления. Но любое случайное воздействие извне может разрушить это состояние. Кубиты теряют свои свойства буквально за доли секунды — это называется декогеренцией.

Поэтому приходится создавать им условия: изолировать от внешней среды, защитать от вибраций и радиопомех, а в некоторых случаях даже охлаждать до −273 (!) градусов Цельсия.

Другой серьёзный вызов — увеличение числа кубитов в системе. Каждый добавленный кубит даёт экспоненциальный рост производительности, но при этом усложняет управление всей системой и снижает её стабильность.

Кроме того, написание квантовых программ потребует совершенно нового подхода и специальных языков программирования, которые ещё предстоит создать.

Есть и фундаментальные сомнения в отношении квантовых компьютеров. Ведь задачи, для которых квантовые алгоритмы эффективны, могут оказаться слишком узкими, чтобы оправдать огромные инвестиции в эту сферу. Кроме того, для большинства задач даже самые продвинутые квантовые прототипы пока не могут превзойти классические суперкомпьютеры — эта точка называется «квантовое превосходство».

Но, несмотря на все трудности и сомнения, «квантовую лихорадку» уже не остановить. Google, IBM, Intel и другие компании вместе с учёными усиленно работают над совершенствованием квантового «железа» и пытаются победить декогеренцию.

История квантовой гонки

Идея квантовых вычислений появилась в начале 1980-х годов в работах физиков Юрия Манина и Ричарда Фейнмана.

В 1980 году советский математик Юрий Манин предположил, что компьютер, работающий по законам квантовой механики, сможет эффективно моделировать другие квантовые системы, например молекулы. Через год американский физик Ричард Фейнман пришёл к похожей идее. Он показал, что моделирование квантовых процессов на обычных компьютерах требует экспоненциально больших ресурсов и предложил концепцию квантового компьютера для решения этой проблемы.

В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета разработал первую теоретическую модель универсального квантового компьютера. Он же предложил первый квантовый алгоритм, который показал превосходство квантовых вычислений над классическими для одной конкретной задачи.

Хотя квантовый компьютер Дойча был чисто гипотетическим, его работа дала старт новой области исследований.

Следующая важная веха — 1994 год, когда американский математик Питер Шор разработал квантовый алгоритм, позволяющий быстро разлагать большие числа на множители. Это открыло глаза научному сообществу на потенциал квантовых вычислений — оказалось, они могут решать практические задачи, недоступные классическим компьютерам.

В конце 1990-х учёные создали первые прототипы квантовых компьютеров на основе ядерного магнитного резонанса. Они оперировали всего 2–3 кубитами и были скорее «физическими игрушками», чем практическими устройствами.

Прорыв произошел в 2000-х годах, когда исследовательские группы IBM, MIT и другие впервые реализовали элементы квантовых схем на основе сверхпроводников, ионов в ловушках и фотонов.

В последние годы технологии быстро развиваются. В 2011-м компания D-Wave Systems даже объявила о создании первого коммерческого квантового компьютера, хотя он был ограниченно программируемым и вызвал много споров.

В 2019 Google заявила о достижении «квантового превосходства», продемонстрировав решение на своем 53-кубитном компьютере Sycamore задачи, которая неподвластна самым мощным суперкомпьютерам.

С тех пор Google, IBM, Intel, Microsoft и другие компании, а также лаборатории по всему миру развернули настоящую гонку за создание все более мощных квантовых систем.

Квантовые компьютеры в России

У России тоже есть собственные квантовые компьютеры мощностью 50 кубитов.

Особых успехов российские учёные добились в ионных технологиях. Группа под руководством Ильи Семерикова и Александра Борисенко из Российского квантового центра и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН разработала уникальную архитектуру. В отличие от традиционных подходов, где одна частица кодирует один кубит, в их системе один ион иттербия может хранить информацию сразу двух кубитов. Это позволило создать 50-кубитный компьютер при меньшем количестве физических частиц, что значительно снижает сложность управления системой.

При этом отечественная разработка отличается не только оригинальной архитектурой, но и ускоренными темпами создания: аналогичные проекты в мире обычно занимают 15 лет, а российские учёные справились за 4 года.

Эксперименты с квантовыми вычислениями учёные ведут на деньги государства и «Росатома». К 2030 году они планируют достигнуть 300 кубитов.

Эта статья — одна из тысяч в «Энциклопедии "Секрета фирмы"». В этом проекте мы простыми словами рассказываем о сложных терминах и явлениях. Посмотрите другие статьи «Энциклопедии», чтобы лучше понимать мир, в котором мы живём.