Koмпьютep, пapaдокcoв дpуг
Квантовый мир полон странных парадоксов, и это свойство отражается даже в область современных технологий. До сих пор в мире нет ни одного настоящего мощного квантового компьютера. Однако даже в России можно найти несколько таких систем, и мы это сделали. Как такое возможно? Сейчас расскажем
«Через 400 метров поверните налево», — сообщил навигатор. Чтобы построить маршрут до Российского квантового центра (РКЦ) в подмосковном Сколково, приложение использовало сложные алгоритмы и обращалось к мощным серверам, работающим в облаке, но все равно нашло лишь более-менее оптимальный вариант. Если бы нам потребовалось обнаружить гарантированно самый лучший путь, то пришлось бы перебрать их все, а это требует огромных вычислительных ресурсов.
До сих пор остается немало задач, решить которые можно лишь приблизительно. Поиск идеального маршрута, формирование портфеля ценных бумаг, плотная упаковка багажа, моделирование новых материалов… Сложность таких расчетов растет экспоненциально: если мы хотим смоделировать поведение вдвое большего числа объектов, нам может понадобиться в десять раз больше вычислений. А вот производительность процессоров увеличивается линейно. Даже в идеальном случае два миллиарда транзисторов всего лишь в два раза производительнее, чем один. Неудивительно, что при решении многих задач компьютеры быстро упираются в предел своих возможностей.
Перемахнуть через эту стену обещают компьютеры, работающие на других физических принципах, — не полупроводниковые, а квантовые. Созданием таких систем занимаются ведущие технологические корпорации мира, включая IBM и Google. В России эти работы курирует «Росатом», который координирует исследования и проекты десятков вузов и компаний по всей стране. «Мощность квантового компьютера может увеличиваться по экспоненте, — рассказал нам Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям ГК «Росатом». — С добавлением каждого нового элемента она удваивается и нарастает очень быстро».
Квантовые компьютеры используют принципы микромира, которые не проявляются на масштабах нашего обычного существования. Первый из них — это суперпозиция, наложение разных состояний элементарной частицы одно на другое. Например, электрон обладает спином, моментом вращения, но невозможно в точности сказать, каким именно: спин направлен одновременно во все стороны, просто с разной вероятностью. Благодаря этому квантовая частица находится во всех возможных состояниях сразу. Если обычный бит может принимать значения только 0 или 1, то квантовый бит, кубит, несет одновременно и 0, и 1, и все промежуточные варианты между ними.
Объединить кубиты в систему можно благодаря другому квантовому явлению — спутанности. Она помогает связать частицы так, что их свойства будут коррелировать друг с другом. Запутанность и суперпозиция позволяют не перебирать комбинации одну за другой, а работать со всеми вариантами одновременно. Например, не перебирать по очереди маршруты движения к цели, а увидеть их все сразу. «Если мы возьмем восемь обычных битов, то в каждый момент времени они будут соответствовать какому-то конкретному числу от 0 до 255, их можно перебирать пошагово, — объясняет Руслан Юнусов. — Но восемь кубитов уже содержат все эти возможные состояния. Система может двигаться всеми путями одновременно, и на выходе получить вариант с самой высокой вероятностью».