Что такое квантовый компьютер?

С квантовыми компьютерами сейчас связано много надежд и ожиданий. Рассказываем, что это за технология и почему она может изменить будущее.

Квантовыми называют технологии, способные управлять отдельными атомами и даже отдельными элементарными частицами – фотонами или электронами. Реальность столь мелких масштабов подчиняется совсем другим физическим законам! В ней все не как у нас, а неопределенно и двойственно, - этим миром управляем не обычная механика, а квантовая. Благодаря ее законам квантовые технологии и оказались такими нужными.

Технологии, использующие квантовые эффекты, появились еще в ХХ веке. Без понимания законов квантовой механики не сделать ни гаджетов с полупроводниками внутри, ни атомную бомбу, ни лазер, ни ядерный реактор. Но в двадцать первом веке началась «квантовая революция», - стали возникать настоящие квантовые технологии, основанные на свойствах индивидуальных квантовых объектов – отдельного атома, электрона или фотона. Например, на одном из квантовых компьютеров Российского квантового центра логические элементы – это подвешенные в вакууме ядра атомов. Их удерживают в магнитных ловушках и  управляют свойствами этих ядер (то есть вычислениями)  с помощью лазера, пучка света.

Чем же такие «детали» лучше транзисторов, из которых состоит обычный электронный компьютер? Все классические компьютеры (ноутбуки, смартфоны, серверы, игровые приставки и так далее) хранят и обрабатывают информацию в виде в виде нулей и единиц. Это называется двоичный код, а минимальная единица такой информации — бит, который может быть равен либо 0, либо 1. 

Квантовый компьютер — это не просто более мощный вариант обычного компьютера. Это совершенно другой способ обработки информации, ведь частицы, подчиняющиеся законам квантовой физики, могут быть одновременно в нескольких состояниях, а еще мгновенно влиять друг на друга на любом расстоянии.

Вместо битов информация в квантовом компьютере кодируется кубитами. В отличие от бита, кубит может находиться не только в состоянии 0 или 1, но и в суперпозиции — то есть одновременно в обоих состояниях. Это похоже на вращающийся волчок, который не просто лежит на боку (0) или стоит вертикально (1), а крутится, находясь как бы в промежуточном состоянии. Благодаря этому квантовый компьютер может обрабатывать множество вариантов сразу, а не по одному, как обычный.

Еще одно необычное свойство кубитов — перепутанность (или квантовая запутанность). Это означает, что если у нас есть два связанных кубита, изменение одного моментально влияет на другой, независимо от расстояния между ними. Это даёт квантовым компьютерам огромные преимущества при решении сложных задач.

Но как это выглядит на практике? Представь задачу, где нужно подобрать правильный код из миллиона комбинаций. Обычный компьютер будет проверять их по одной. Квантовый — сразу все варианты одновременно. Он не обязательно даст ответ мгновенно, но может найти его гораздо быстрее.

Где это может быть полезно? Квантовые компьютеры могут изменить такие области, как медицина (например, моделирование молекул для новых лекарств), криптография (взлом и защита шифров), логистика (оптимизация маршрутов и процессов), искусственный интеллект и многое другое.

Пока квантовые компьютеры — это в основном научные прототипы. Они очень чувствительны: для работы их нужно охлаждать почти до абсолютного нуля, защищать от внешних помех и использовать сложные системы коррекции ошибок. Создать устойчивый и мощный квантовый компьютер — одна из самых амбициозных задач современной науки.

Но развитие этой технологии идёт быстро! Крупнейшие компании мира уже работают над созданием рабочих квантовых устройств, а многие университеты открывают программы по изучению квантовых технологий.