Квантовые компьютеры: чем они отличаются об обычных и какие задачи выполняют?

Наука и жизньНаука

На пороге квантового превосходства

Леонид Федичкин, ведущий научный сотрудник Физико-технологического института им. К. А. Валиева РАН (ФТИАН), доцент кафедры теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ. Беседу ведёт Наталия Лескова

Леонид Евгеньевич, в 2001 году в «Науке и жизни», в первом номере третьего тысячелетия была опубликована ваша статья «Квантовые компьютеры», в которой вы рассказывали о принципах работы этих вычислительных устройств и о том, какие перспективы открывает их использование. Оправдались ли ваши ожидания?

— Развитие квантовых вычислений происходит именно в том направлении, которое ожидалось, но примерно раза в два-три медленнее, чем могло бы. Прогресс в области «железа» (hardware) — элементной базы квантовых компьютеров оказался не таким быстрым, как прогнозировалось, однако это отчасти компенсировано ускоренным развитием в области программного обеспечения (software). Существующие квантовые компьютеры имеют память небольшого размера, подвержены шумам, недостаточно точно исполняют команды и способны выполнить только малое число элементарных шагов в одном цикле вычислений. Но благодаря новым идеям, новым подходам, новым принципам написания программ удаётся на программном уровне уравновесить недостатки физической основы квантовых компьютеров. Разработчики квантовых алгоритмов проявляют всю свою изобретательность, чтобы использовать то, что есть сейчас.

— Чем квантовые алгоритмы отличаются от обычных?

— Чтобы это уяснить, надо понять, чем квантовый компьютер отличается от обычного компьютера классической архитектуры. Полезно рассмотреть его функционирование с разных точек зрения.

С одной стороны, можно считать, что квантовый компьютер — это расширенная версия уже привычного нам обычного компьютера. Если необходимо, он может вести себя как обычный, но при этом у него есть дополнительные возможности: запись не только классических чисел, но и сцепленных состояний в квантовую память и расширенный набор команд, к которому тоже можно прибегать, чтобы сэкономить шаги и ускорить вычисления.

С другой стороны, важно понимать, что квантовый компьютер, чтобы продемонстрировать вычислительное преимущество, должен, по крайней мере иногда, оказываться способным обрабатывать информацию в состоянии квантового параллелизма, когда его квантовая память будет в одно и то же время представлять суперпозицию большого количества совершенно различных битовых последовательностей.

Кроме того, квантовый компьютер можно рассматривать как своего рода чёрный ящик со множеством доступных нам цифровых входов, выходов и рычагов управления. При этом ящик не совсем чёрный: описать, как по отдельности связаны между собой любые его узлы, возможно, но на то, чтобы описать его работу во всей совокупности, не хватит вычислительных возможностей никаких существующих суперкомпьютеров. Однако можно надеяться приспособить его для решения практически полезных задач.

— Какие это задачи?

— Квантовый компьютер себя хорошо показывает, когда для поиска наилучшего решения требуется перебрать много дискретных вариантов. Он на порядки сокращает перебор возникающих комбинаций, значительно ускоряет процесс. Задач только такого плана уже довольно много. Например, задачи в логистике, когда нужно осуществить ряд шагов и на каждом шаге — выбрать одну из нескольких возможностей. Получается, что число комбинаций довольно быстро выходит из-под контроля. Представьте: 100 шагов и на каждом шаге — 100 возможностей. Такие задачи есть в бизнесе, в экономике, там нужно принимать много решений и последовательно получать выгоду. В повседневной жизни оптимально распланировать свой день или уложить рюкзак — тоже сложные задачи, если задуматься об этом серьёзно.

Леонид Евгеньевич Федичкин

— Вы считаете, что со временем квантовые компьютеры станут частью жизни каждого из нас?

— Да, это обязательно произойдёт. Хотя трудно с полной определённостью предсказывать будущее, я бы для примерного прогноза провёл аналогию с обычными компьютерами. Сейчас квантовые компьютеры соответствуют классическим начала — середины 1940-х годов. Они тогда были слишком громоздкие и ещё мало что могли. Прошло сорок лет, и миллионам пользователей стали доступны домашние персональные компьютеры. Думаю, за 40 лет это произойдёт и с квантовыми компьютерами.

— При подготовке к интервью я ввела в поиск «квантовый компьютер», и тут же выскочило предложение его купить. Сначала я подумала, что это случайность, но оказалось действительно предлагают купить китайские квантовые компьютеры! На «Авито» они продаются по цене от 8,5 тысячи долларов. Это настоящие квантовые компьютеры или что-то совсем другое?

— Исходя из того, что я прочёл об этих устройствах (оговорюсь, что сам я их не покупал и не тестировал), это игрушечные модели квантовых компьютеров. Они настоящие, но маленькие, и в области применения похожи на развивающие игрушки для детей, когда надо что-то собрать, какой-нибудь полезный механизм из деталей конструктора. Всё будет работать, всё честно. Но до полноценного квантового компьютера там далеко. Они содержат всего несколько квантовых битов. Такие компьютеры реально существуют, их уже много в мире. Некоторые компании предлагают к ним «облачный» доступ, можно по обычному интернету соединиться с квантовым компьютером, реально запустить на нём программу и получить результат.

Классические компьютеры тоже так использовали — в США в 1970-е годы можно было, включив телефон в тональном режиме, позвонить на большой компьютер, передать код программы для исполнения, он запускался, а затем результат вычислений передавался обратно в том же режиме. На таком уровне уже есть квантовые наработки, но это только начало.

Слабость квантовых устройств — малое число битов, и поэтому их применение не оправдано экономически. Проще на обычном компьютере смоделировать процесс работы такого же квантового, получится быстрее и дешевле. Но если вы хотите квантовый процесс «пощупать руками», то вполне можно попробовать купить.

— Для кого-то это может быть во-просом престижа, как в советские годы иметь хорошую книгу или автомобиль «Волга». «А у меня есть квантовый компьютер!»

— Возможно. Хотя для компьютера из всего нескольких кубитов это слишком лестное сравнение. Автомобиль или хорошая книга представляют бóльшую ценность.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Учёные, стихотворцы и блохи Учёные, стихотворцы и блохи

Кто такой Князев — автор рукописи «Учёные и блохи» и как она появилось?

Наука и жизнь
Жены известных людей, о которых никто ничего не знает Жены известных людей, о которых никто ничего не знает

Многие знаменитости женаты на обычных людях, не имеющих отношения к шоу-бизнесу

Maxim
Новости науки Новости науки

Нестабильность черных дыр, химический состав Солнца и поверхности Харона

Знание – сила
Обет умолчания Обет умолчания

Отчуждение, потерянность и предательство в «московском цикле» Юрия Трифонова

Weekend
Символ на перекрестке современных философий Символ на перекрестке современных философий

Знак — это условность, которая превращает отдельные вещи в их меру

Знание – сила
Человечество производит столько курятины, что кости птиц стали символом новой геологической эпохи Человечество производит столько курятины, что кости птиц стали символом новой геологической эпохи

Почему именно куриные кости будут одними из важных находок археологов будущего?

ТехИнсайдер
5 книг, которые расскажут об истории создания великих изобретений 5 книг, которые расскажут об истории создания великих изобретений

Книги о любознательных изобретателях, которые двигали человечество вперед

СНОБ
Митя Фомин: «Мечтаю полететь в космос!» Митя Фомин: «Мечтаю полететь в космос!»

«Все имеет свою цену. У успеха и признания, безусловно, есть обратная сторона»

Караван историй
Страх родов — это нормально: как настраиваться и не паниковать во время беременности? Страх родов — это нормально: как настраиваться и не паниковать во время беременности?

Нужно ли бороться со страхом родов?

VOICE
Три главных условия для создания гармоничных отношений Три главных условия для создания гармоничных отношений

Когда люди вступают в отношения, они должны учитывать три важных критерия

Psychologies
Небесный дворец Небесный дворец

Чем занимаются китайские космонавты на своей орбитальной станции?

ТехИнсайдер
Под Томском нашли бронзовую модель лука и булаву из рога раннего железного века Под Томском нашли бронзовую модель лука и булаву из рога раннего железного века

Результаты раскопок могильника шеломокской культуры

N+1
8 идей, как повторно использовать старые контейнеры для контактных линз – всем путешественникам на заметку! 8 идей, как повторно использовать старые контейнеры для контактных линз – всем путешественникам на заметку!

Контейнеры для линз — незаменимая вещь для путешественника

ТехИнсайдер
Кровосмешение? История как одни близнецы сыграли свадьбу с парой других! Кровосмешение? История как одни близнецы сыграли свадьбу с парой других!

Свадьбы необычной четы Сальерсов стали известны как «четвертичные браки»

ТехИнсайдер
Очная ставка Очная ставка

Чего нам ждать от возрождения «Оки»

Автопилот
Разум Елены: фантастический роман о нейросети, которая помогает познать Вселенную Разум Елены: фантастический роман о нейросети, которая помогает познать Вселенную

Отрывок из фантастического романа Аллы Горбуновой «Ваша жестянка сломалась»

Forbes
Орден бегинок: как в Средневековой Европе появились независимые женские объединения Орден бегинок: как в Средневековой Европе появились независимые женские объединения

Что делать, если родилась в Европе Средних веков, но к замужеству душа не лежит?

Forbes
Спорт на автомате Спорт на автомате

Eurobot: как проходит европейский турнир по робототехнике

ТехИнсайдер
Промежуточная еда: как перекусить с пользой для здоровья Промежуточная еда: как перекусить с пользой для здоровья

Вместе с экспертами отвечаем на вечный вопрос, что бы еще съесть, чтобы похудеть

Правила жизни
Место в мире Место в мире

Чтобы найти свою планету в огромной Вселенной, нужно знать точный адрес

ТехИнсайдер
Инженеры сделали трехколесный трехсредный трикоптер Инженеры сделали трехколесный трехсредный трикоптер

Трикоптер плавает со скоростью 2 м/с, а скорость на суше составляет 0,5 м/с

N+1
DRACO в космосе: зачем в NASA создают ядерный двигатель DRACO в космосе: зачем в NASA создают ядерный двигатель

Полмиллиарда долларов на создание космического корабля с ядерным двигателем

Forbes
Главред «Таких дел» Евгения Волункова — Forbes: «Происходит катастрофа — не паникуем» Главред «Таких дел» Евгения Волункова — Forbes: «Происходит катастрофа — не паникуем»

Интервью с главредом «Таких дел» Евгенией Волунковой

Forbes
Хотите вернуться к бывшему партнеру? Сначала ответьте на эти 9 вопросов Хотите вернуться к бывшему партнеру? Сначала ответьте на эти 9 вопросов

Вы случайно встретились после расставания и поняли, что чувства не угасли?

Psychologies
Альтернативные факты: почему фейк-ньюс существуют и какие люди в них чаще верят Альтернативные факты: почему фейк-ньюс существуют и какие люди в них чаще верят

Отрывок из книги «Новые боги» психолога Кристиана Монтага

Forbes
Актрисы, модели, балерины — главные женщины в жизни Мика Джаггера Актрисы, модели, балерины — главные женщины в жизни Мика Джаггера

Самые яркие романы Мика Джаггера

Maxim
60 лет в огне: как подземные пожары превратили Сентрейлию в «город-призрак» 60 лет в огне: как подземные пожары превратили Сентрейлию в «город-призрак»

История «город-призрака», который подземные пожары превратили в «Сайлент Хилл»

Forbes
Необыкновенное обыкновенное чудо: что люди, пережившие онкологию, думают о любви Необыкновенное обыкновенное чудо: что люди, пережившие онкологию, думают о любви

Глава из книги «Необыкновенное обыкновенное чудо. О Любви»

Forbes
10 фильмов, в которых главный герой попадает в чистилище 10 фильмов, в которых главный герой попадает в чистилище

Картины, в которых герои проходят сквозь испытания и страдания за свои грехи

Maxim
На юге Италии нашли похороненного ничком мужчину эпохи неолита На юге Италии нашли похороненного ничком мужчину эпохи неолита

Палеогенетики изучили останки мужчины, которого похоронили в эпоху неолита

N+1
Открыть в приложении