Що таке квантові комп'ютери?
Робота будь-якого сучасного обчислювального пристрою заснована на обробці інформації. Інформація в комп'ютерах представляється у вигляді набору нулів та одиниць - так званих бітів. Якщо, наприклад, ви хочете скласти два числа, комп'ютер спочатку представляє кожне з них у вигляді унікальної послідовності нулів і одиниць, а потім пропускає через спеціальний пристрій, який виробляє операцію складання. Якщо вам потрібно скласти два інших числа, то комп'ютер створює два нових набору бітів і знову пропускає їх через той же пристрій.
Комп'ютери, які були б здатні використовувати квантові властивості речовини, могли б працювати значно швидше. Справа в тому, що мікрооб'єкти, наприклад окремі атоми, можуть перебувати в особливому стані квантової суперпозиції, що не зустрічається в нашому світі великих предметів. При квантової суперпозиції об'єкт в певному сенсі знаходиться відразу в двох станах. Інакше кажучи, якби атом поводився як звичайний об'єкт, то він міг би перебувати або в стані спокою, або в стані збудження (наприклад, трохи коливатися). Але атом може перебувати і в деякому проміжному стані, в якому він одночасно і спочиває, і коливається. Цей стан і називається квантовою суперпозицией станів спокою і збудження.
Якщо ми позначимо стан спокою як 0, а стан збудження - як 1, то атом в квантової суперпозиції виявляється здатним зберігати відразу два значення замість одного. А значить, якщо ми будемо проводити з ним якісь операції, то ці операції будуть проводитися одночасно і з нулем, і з одиницею. У такій системі за один раз можна, наприклад, обчислити відразу три суми: 0 + 0, 0 + 1 і 1 + 1. Якщо ж таких атомів багато, то з ними можна за раз зробити стільки однотипних обчислень, скільки потрібно.
За рахунок цієї особливості квантові комп'ютери повинні набагато ефективніше звичайних справлятися із завданнями, в яких потрібно перебір великої кількості значень. Прикладом такого завдання є, наприклад, злом невідомого коду. Це зробило б вкрай уразливими всі існуючі захисту від несанкціонованого доступу.
Наприклад, зловмисник, що володіє квантовим комп'ютером, з легкістю зміг би отримати доступ до будь-якої банківської карти або рахунку.
Саме тому багато банків зараз активно досліджують можливості квантової криптографії, яка повинна прийти на зміну звичайній криптографії і за рахунок законів квантової фізики гарантує, що в разі спроби злому ви як мінімум тут же про неї дізнаєтесь і зможете оперативно запобігти можливий збиток.
Але, на жаль, на даний момент існує не так багато завдань, для вирішення яких квантові комп'ютери могли б дійсно бути більш ефективними, ніж комп'ютери звичайні. Щоб задіяти квантові ефекти в повній мірі, потрібні спеціальні алгоритми, а в переважній більшості випадків такі алгоритми або неможливі в принципі, або настільки складні, що поки не розроблені. Тому, навіть якщо квантовий комп'ютер вдасться створити в найближчому майбутньому, він буде або вузьконаправленим, як знаменитий D-Wave, або буде працювати набагато швидше звичайного комп'ютера. Існує, однак, одна область, в якій прихід квантових обчислень може зробити міні-революцію. Ця область - хімія.
квантові симулятори
Поглиблення нашого розуміння того, як світ влаштований на рівні атомів і молекул, і виникнення на початку XX століття квантової механіки привели до корінної зміни хімії як науки. До цього хімія була здебільшого емпіричною наукою, що грунтувалася не на строгих теоретичних моделях, а на численних досвідчених даних. Існували певні правила, за якими можна було намагатися передбачати результат нових хімічних реакцій, але ці правила були далекі від досконалості і в кращому випадку давали тільки грубе наближення, а часто передбачали зовсім невірний результат. Єдиним способом перевірити, чи буде та чи інша потенційно корисна реакція працювати, було безпосереднє проведення експерименту. І якщо в неорганічної хімії в силу її більшої простоти це ще якось працювало, то в хімії органічних речовин більшість відкриттів відбувалося або випадково, або в результаті довгої кропіткої роботи по перебору великої кількості реагентів.
У 1920-ті роки вчені створили квантову фізику - інструмент, який в принципі дозволяє розраховувати результати хімічних реакцій на папері. Проблема, однак, полягає в тому, що точний розрахунок навіть в найпростіших випадках вимагає абсолютно немислимих тимчасових витрат. І навіть розвиток комп'ютерних технологій не дозволило в повній мірі вирішити цю проблему. Завдання квантового розрахунку того, як рухаються молекули, - а саме це потрібно для хімічних реакцій - відносять до класу експоненціально складних. На практиці це означає, що такі завдання не можуть бути вирішені ні зараз, ні в будь-якому доступному для огляду майбутньому при поступальному розвитку технологій обчислень.
Тому для розрахунку хімічних реакцій застосовуються наближені методи. Спочатку вони були відносно простими і не дуже точними, але з часом їх точність підвищувалася, а складність росла. Їх вивченням і розвитком займається обчислювальна квантова хімія. Зараз щороку збираються величезні конференції, на яких тисячі вчених діляться останніми досягненнями в цій галузі. І хоча комп'ютери можуть вже дуже багато - аж до передбачення ефективності дії інноваційного ліки - останнє слово, як і 100 років тому, залишається за експериментами.
Однак в останні роки то тут, то там в співтоваристві вчених, що займаються квантової хімією, чуються фрази: «Пройде кілька років, і ми втратимо роботу. Всі обчислення будуть робити квантові симулятори, і будуть робити їх точніше і швидше, ніж ми ». Чого ж так бояться квантові хіміки?
І дійсно, як показали подальші дослідження, це можливо. І більш того, такі обчислення зможуть повною мірою задіяти унікальні можливості квантових комп'ютерів, тобто вони будуть виконуватися значно швидше, ніж на комп'ютерах звичайних. Це дозволить вирішувати завдання точного розрахунку хімічних реакцій за розумний час і замінити дорогі прямі експерименти на більш дешеві обчислення.
Більш того, одна з проблем квантових комп'ютерів - руйнівну дію навколишнього середовища, що не дозволяє довго зберігати квантову суперпозицію, - в квантових симуляторах може бути використано для користі справи. Адже реальні квантові системи теж знаходяться в оточенні інших тіл, які точно так же руйнують квантові ефекти в них. Цю дію можна імітувати за допомогою дії оточення на кубіти квантового симулятора.
Застосування квантових симуляторів
Кожна з цих реалізацій має свої особливості. Наприклад, системи на охолоджених атомах вимагають великих і відносно дорогих установок, хоча і зручні з точки зору управління станом кубітів. Системи на основі ядер, керованих за допомогою ефекту ядерного магнітного резонансу, відносно прості, але, навпаки, не володіють достатньою гнучкістю управління. Цієї проблеми позбавлені системи, засновані на електронах, спійманих в так звані квантові ями в напівпровідниках. Саме вони є зараз одним з найбільш перспективних напрямків з точки зору технологічності і дешевизни виробництва. У деяких додатках більш зручні системи на основі надпровідних кілець, які, проте, мають відносно великий розмір, і тому навряд чи вдасться створити їх з великою кількістю кубітів.
Інший напрямок, в якому розвиваються сучасні дослідження квантових симуляторів, - розробка більш ефективних алгоритмів, в тому числі алгоритмів, здатних виправляти або як мінімум пригнічувати неминучі в подібних системах помилки. Ну і, звичайно, поліпшуються методи роботи з кубитами: збільшується час їх роботи, зростає гнучкість настройки квантової системи та кількість контрольованих параметрів.
Все це вже незабаром призведе до того, що квантові симулятори почнуть застосовувати до реальних складних ситуацій, до хімічних речовин і реакцій, які в даний момент непідвладні навіть найточнішим нашими розрахунками. І хоча передбачити, наскільки масштабною виявиться ця революція, неможливо, навряд чи можуть бути сумніви в тому, що сучасна хімія зазнає серйозні зміни, а багатьом вченим доведеться радикально поміняти тематику своїх досліджень.
Читайте віртуальні журнали RT російською в Flipboard