Digital Age: Практичните квантови компютри са близо – ето за какво ще бъдат използвани

През 1981 г. американският физик и нобелов лауреат Ричард Файнман изнася лекция в Масачузетския технологичен институт (MIT) край Бостън, в която излага революционна идея. Файнман предлага странната физика на квантовата механика да се използва за извършване на изчисления.

Така се ражда областта на квантовите изчисления. През изминалите повече от 40 години тя се превърна в интензивна зона на изследване в компютърните науки. Въпреки годините на трескаво развитие физиците все още не са създали практически квантови компютри, които да са подходящи за ежедневна употреба и нормални условия (например много квантови компютри работят при доста ниски температури). Все още остават въпроси и неясноти относно най-добрите начини за постигане на този важен етап.

Какво точно представляват квантовите компютри и колко близо сме до навлизането им в широка употреба? Нека първо разгледаме класическите компютри - видът компютри, на които разчитаме днес, като например настолното РС, което използвам, за да напиша тази статия.

Класическите компютри обработват информация, използвайки комбинации от „битове“ - техните най-малки единици данни. Тези битове имат стойности 0 или 1. Всичко, което правите на вашия компютър, от писане на имейли до сърфиране в интернет, става възможно чрез обработка на комбинации от тези битове в низове от нули и единици.

Квантовите компютри, от друга страна, използват квантови битове или кюбити. За разлика от класическите битове, кюбитите не представляват само 0 или 1. Благодарение на свойство, наречено квантова суперпозиция, кюбитите могат да бъдат в множество състояния едновременно. Това означава, че кюбитът може да бъде 0, 1 или и двете едновременно. Това е, което дава на квантовите компютри способността да обработват огромни количества данни и информация едновременно.

Повече информация за по-кратко време

Представете си, че можете да изследвате всяко възможно решение на проблем наведнъж, вместо веднъж по едно. Това би ви позволило да вървите по пътя си през лабиринт, като едновременно изпробвате всички възможни пътища едновременно, за да намерите правилния. Следователно квантовите компютри са невероятно бързи в намирането на оптимални решения, като идентифициране на най-краткия път по най-бързия начин.

Вземете например изключително сложния проблем с пренасрочването на полетите на авиокомпании след закъснение или неочакван инцидент. Това се случва редовно в реалния свят, но приложените решения може да не са най-добрите или оптимални. За да изработят оптималните отговори, стандартните компютри ще трябва да обмислят една по една всички възможни комбинации от преместване, пренасочване, забавяне, отмяна или групиране на полети. Всеки ден по света има повече от 45 000 полета, организирани от над 500 авиокомпании, свързващи повече от 4000 летища. Решаването на този проблем ще отнеме години за класически компютър.

От друга страна, един квантов компютър би могъл да изпробва всички тези възможности наведнъж и да позволи органично да се появи най-добрата конфигурация. Кюбитите също имат физическо свойство, известно като заплитане. Когато кюбитите са заплетени, състоянието на един кюбит може да зависи от състоянието на друг, без значение колко далеч са един от друг. Това е нещо, което отново няма аналог в класическите компютри. Заплитането позволява на квантовите компютри да решават определени проблеми експоненциално по-бързо от традиционните компютри.

Дали квантовите компютри ще заменят напълно класическите

Краткият отговор е „не“, поне не в обозримо бъдеще. Квантовите компютри са невероятно мощни за решаване на специфични проблеми - например симулиране на взаимодействията между различни молекули, намиране на най-доброто решение от много варианти или справяне с криптиране и декриптиране. Те обаче не са подходящи за всеки вид задачи.

Класическите компютри обработват по едно изчисление в линейна последователност и следват алгоритми (набори от математически правила за изпълнение на конкретни изчислителни задачи), предназначени за използване с класически битове, които са 0 или 1. Това ги прави изключително предсказуеми, стабилни и по-малко податливи на грешки от квантовите машини. Класическите компютри ще продължат да играят доминираща роля за ежедневните компютърни нужди, като например обработка на текст или сърфиране в интернет.

Има поне две причини за това. Първата е практическа. Създаването на квантов компютър, който може да извършва надеждни изчисления, е изключително трудно. Квантовият свят е изключително променлив и кюбитите лесно се нарушават от неща в тяхната среда, като например смущения от електромагнитно излъчване, което ги прави податливи на грешки.

Втората причина се крие в несигурността, присъща на работата с кюбити. Тъй като кюбитите са в суперпозиция (не са нито 0, нито 1), те не са толкова предсказуеми, колкото битовете, използвани в класическите компютри. Затова физиците описват кюбитите и техните изчисления с вероятности. Това означава, че една и съща задача, използваща един и същ квантов алгоритъм, изпълнена многократно на един и същ квантов компютър, може всеки път да дава различно решение.

За да се справят с тази несигурност, квантовите алгоритми обикновено се изпълняват многократно. След това резултатите се анализират статистически, за да се определи най-вероятното решение. Този подход позволява на изследователите да извличат значима информация от вероятностните по своята същност квантови изчисления.

Пазарът започва да придобива облик

От търговска гледна точка развитието на квантовите изчисления все още е в начален етап, но пейзажът е много разнообразен, като всяка година се появяват много нови компании. Интересно е да се види, че освен големите, утвърдени компании като IBM и Google, към играчите в областта се присъединяват и нови, като IQM, Pasqal и стартиращи компании като Alice and Bob. Всички те работят за повишаване на надеждността, мащабируемостта и достъпността на квантовите компютри.

В миналото производителите на такива устройства привличаха вниманието към броя на кубитите в техните квантови компютри като мярка за това колко мощна е машината. Днес те все повече дават приоритет на начините за коригиране на грешките, към които са склонни квантовите компютри. Тази промяна е от решаващо значение за разработването на широкомащабни квантови компютри, устойчиви на грешки, тъй като тези техники са от съществено значение за подобряване на тяхната използваемост.

Най-новият квантов чип на Google, наречен Willow, наскоро демонстрира забележителен напредък в тази област. Колкото повече кюбити Google използва в Willow, толкова повече намалява грешките. Това постижение бележи значителна стъпка към изграждането на комерсиално приложими квантови компютри, които могат да революционизират области като медицина, енергетика и изкуствения интелект.

След повече от 40 години квантовите компютри все още са в начален стадий, но през следващото десетилетие се очаква значителен напредък. Вероятностният характер на тези машини представлява фундаментална разлика между квантовите и класическите изчисления. Това ги прави крехки и трудни за развитие и мащабиране.

В същото време това ги прави много мощен инструмент за решаване на проблеми с оптимизацията, изследване на множество решения едновременно, по-бързо и по-ефективно от класическите компютри.