Как работают квантовые процессоры. Объяснили простыми словами

Intel представила новый процессор Tunnel Falls. Это первый квантовый процессор Intel с кремниевыми кубитами. Примечательно, что он предназначается для массового выпуска, а использовать его должны учёные, которые занимаются квантовыми вычислениями.

Tunnel Falls не такой мощный, как квантовые компьютеры технологических гигантов: у процессора от Intel всего 12 кубитов, когда у Google Sycamore — 53 кубита. Свою разработку Google уже назвали достижением квантового превосходства.

Также утверждается, что 12 кубитов — это меньшая мощность, чем у современного ноутбука, скорость которого равно приблизительно 15 кубитам.

Несмотря на относительно малую мощность, создание Tunnel Falls — важный шаг к увеличению доступности квантовых компьютеров.

В этой статье мы попытаемся объяснить, как работают квантовые процессоры и зачем компании занимаются их развитием, даже если те порой слабее современного железа.

Мы не будем приводить в качестве примеров сложные физические формулы или математические расчёты. Вместо этого мы расскажем о сложном принципе работы квантовых компьютеров самым простым языком с помощью понятных аналогий. Словом, мы постараемся объяснить сложные вещи так, чтобы их смог понять даже школьник.

Принцип работы квантового процессора в общих чертах

Квантовые процессоры работают на основе принципов квантовой механики, которая описывает поведение частиц на очень малых масштабах, таких как атомы и элементарные частицы.

Основной единицей информации в квантовых процессорах является кубит — аналог классического бита. В то время как классический бит может принимать значения 0 или 1, кубит может находиться в состоянии, называемом “суперпозицией”, где он равен как 0, так и 1 одновременно.

Наглядное представление кубита. Источник: https://mtdata.ru/

Квантовые процессоры используют такие явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность, чтобы обработать и хранить информацию эффективнее, чем классические процессоры.

Однако у квантовых процессоров есть особенности, которые нужно учитывать при разработке и использовании. Например, они подвержены феномену, называемому квантовым декогеренцированием, которое может приводить к потере информации.

Исходя из этого определения, нам предстоит разобраться в таких понятиях, как:

1. Кубит.
2. Квантовая суперпозиция.
3. Квантовая запутанность. 
4. Квантовое декогеренцирование.

Что такое кубит

Кубит (от англ. quantum bit) — это основная единица информации в квантовых процессорах и квантовых вычислениях.

Кубит — это система, которая может быть представлена квантовой точкой, атомом, молекулой, сверхпроводником, частицой света. Если в обычном компьютере значение бита — 0 или 1 — определяется отсутствием или наличием электричества, то в квантовом компьютере всё зависит от поведения частиц.

Главное отличие кубита от обычного бита в том, что значение первого может быть одновременно и 0, и 1. Это одновременное существование двух полярных значений и есть суперпозиция.

Если представить, что частицей была бы Земля, то Северный полюс мог бы быть нулём, а Южный полюс — единицей. Использование полярности здесь — это условность, которая помогает нам использовать кубиты для вычислений.

UPD: в комментариях к статье пользователь Дэн Кондратьев справедливо отметил, что кубит — это двухуровневая квантовая система, где эти два уровня обычно являются состояниями одной частицы (например, фотона, электрона или атома).

Например, если использовать в качестве квантовой системы электрон, то кубитом может быть:

• спин электрона;
• его присутствие/отсутствие. 

Если использовать в качестве квантовой системы переход Джозефсона (Josephson junction), то кубитом может являться:

• направление тока;
• энергетический уровень.

Кубит — это двухуровневые состояния какой-либо системы, и абсолютно необязательно, чтобы система была одной частицей. Далее в статье описываются квантовые эффекты на примере одной частицы, потому что так легче представить квантовую систему.

Что такое квантовая суперпозиция

Как открыли суперпозицию

Феномен суперпозиции открыл учёный Томас Юнг в начале XIX века. Он провёл эксперимент, в ходе которого пропускал частицы света сквозь непрозрачную доску, в которой находились две крохотные щели. Юнг пытался проверить, как будут вести себя частицы, для чего установил экран позади доски с щелями, который показывал поведение частиц.

Схематичное описание двухщелевого опыта Томаса Юнга. Источник: wikimedia.org

Сперва Юнг поочередно закрывал щели так, чтобы частицы проходили только через одну из них. Как и следовало ожидать, частицы проходили через одну доступную щель и оставляли следы на экране в виде одной тонкой полоски.

После этого Юнг открыл для частиц света обе щели. Он ожидал, что частицы станут проходить через них, а на экране появится две полоски. Внезапно учёный обнаружил, что на экране появилось целое множество полосок. Увидев это, Юнг предположил: одна частица света проходит через две щели одновременно.

Примерно такую картину интерференции волн наблюдал Томас Юнг. Источник: wikimedia.org

Подобные эксперименты проводили в течение всего ХХ века и продолжают проводить даже сегодня, но уже не со светом, а с электронами и плазмонами.

Свойство частиц находиться одновременно во всех состояниях и называется суперпозицией. Оно активно используется в квантовых вычислениях, которые основаны на кубитах с частицами.

Чем полезна суперпозиция в квантовых процессорах

Особенность суперпозиции квантовых частиц принимать все доступные значения в один момент времени позволяет значительно ускорить работу процессоров.

Теперь им не нужно раз за разом перебирать последовательности нулей и единиц, чтобы найти верное решение поставленной задачи. Эти последовательности уже существуют здесь и сейчас.

Именно поэтому квантовые компьютеры работают быстрее обычных. Выше мы писали о Google Sycamore — она справилась со сложнейшими вычислениями за 200 секунд. На выполнение той же задачи у суперкомпьютера IBM ушло бы 10 000 лет.

Суперкомпьютер Google. Фото: Rocco Ceselin/Google. 

Как кубит может принимать все значения разом

Вы можете спросить: как так вышло, что в предыдущем параграфе кубит принимает значения 0 и 1 одновременно, а в этом — одновременно все возможные состояния, которые могут находиться и на промежутке от 0 до 1?

Это справедливое замечание. Дело в том, что у частиц есть ещё одно примечательное свойство: они находятся в состоянии суперпозиции до тех пор, пока не окажутся под наблюдением, но как только кто-то начинает наблюдать их, они принимают полярное значение в множестве возможных — либо 0, либо 1.

Всё зависит от того, к какому полярному значению частица находится ближе до того момента, как к ней обратились.

Что такое квантовая запутанность

Квантовая запутанность (quantum entanglement) — это фундаментальное явление в квантовой механике, когда два или более кубита (или другие квантовые системы) становятся так плотно связанными, что состояние одного кубита немедленно влияет на состояние другого, независимо от расстояния между ними.

Грубо говоря, это большой часовой механизм, который состоит из кубитов, как из шестерёнок. Если повернуть одну шестерёнку, неизменно повернётся другая. Если изменить состояние одного кубита, это непременно повлияет на состояние другого.

В квантовых процессорах находятся несколько кубитов. К примеру, в 2022 году IBM представила компьютер с 433 кубитами. Поскольку они взаимодействуют между собой, возникает эффект совместной суперпозиции.

Каждая частица в квантовом процессоре находится в суперпозиции, но теперь её значение в момент наблюдения зависит ещё и от другой частицы, с которой она взаимодействует.

Это — огромный калейдоскоп, в котором до того момента, как в него посмотрит человек, одновременно выстраиваются все возможные узоры во всех вероятных положениях цветных стёклышек.

Соответственно, вычислить, существует ли узор Х из многочисленных последовательностей стёкол, теперь можно гораздо быстрее и проще, чем если крутить футляр калейдоскопа до тех пор, пока не найдётся искомый результат.

Что такое квантовое декогеренцирование

Итак, мы знаем, что кубит находится в суперпозиции до тех пор, пока не измерить его значение. Во время наблюдения кубит принимает полярные значения — условные 0 или 1. При этом частицы изменяют своё поведение в зависимости от других частиц.

Но ведь мир состоит из этих частиц, верно? К примеру, на состояние кубита могут повлиять частицы света вокруг него, а также окружающие его молекулы и атомы.

Именно эта проблема и называется декогеренцированием. Она актуальна, и учёные ещё не нашли простого способа снизить её эффект на кубиты.

У неё есть два самых известных решения: снизить температуру кубита до абсолютного нуля и окружить кубит суперпроводником, который защищает частицу от внешнего влияния.

Именно из-за декогеренцирования квантовые компьютеры ещё не стали повсеместными: кубиты требуют “сверхстерильных” условий, которые нельзя поддерживать в домашнем квантовом ПК. Во всяком случае, пока что.

Зачем разрабатывать квантовые процессоры

Несмотря на то, что квантовые вычисления могут быть ошибочными, а поддерживать кубиты стабильными — непростая задача, которую ещё предстоит решить, есть несколько причин, по которым технологию не оставили:

1. Современные компьютеры ограничены в возможностях, а квантовые — нет. Даже сегодня суперкомпьютеры могут тратить десятки тысяч лет на решение сложнейших задач, когда квантовый компьютер может решить её за секунды. Некоторые из таких задач включают факторизацию больших чисел, оптимизацию, моделирование сложных систем и анализ больших данных.
2. Квантовые компьютеры помогают лучше понимать мир. Хотя нам кажется, что человечество достигло небывалых высот за последние 50 лет, в действительности мы мало знаем о частицах, их природе и физике. Как бы это ни было парадоксально, строительство квантовых компьютеров помогает изучить квантовую физику.
3. Квантовые алгоритмы могут изменить существующие методы шифрования и дешифровки данных. С одной стороны, они могут предложить криптографические методы, устойчивые к взлому с использованием квантовых алгоритмов. С другой стороны, квантовые процессоры могут быть использованы для взлома существующих классических криптографических методов.

Заключение

Квантовая физика — довольно неизвестная человечеству область, а квантовые ПК читатели этой статьи вряд ли застанут: скорее, работать с ними будут наши правнуки. Однако мы надеемся, что после прочтения вы стали лучше понимать, как будет устроено будущее.

Конечно, в этой статье опущена масса важных деталей, но её цель — объяснить принцип работы квантовых компьютеров в общих чертах тем, кто давно хотел разобраться в теме, но та казалась слишком сложной.

Если в статье упущено что-либо, что на ваш взгляд непременно стоило в неё включить, напишите об в комментариях. Также пишите, если вам кажется, что некоторые аспекты можно было объяснить ещё проще. ?