Квантовые компьютеры решают задачи тысячелетия за минуту

Кубит против бита: в чём секрет скорости

Обычный компьютер оперирует битами — переключателями, которые могут находиться только в одном из двух состояний: либо 0, либо 1. Квантовая машина устроена иначе. Её базовая единица — кубит — способна находиться в состоянии 0 и 1 одновременно. Это явление называется суперпозицией.

Проще всего представить подброшенную монету. Пока она летит в воздухе, невозможно сказать, орёл это или решка — она словно является обеими сторонами сразу. Именно так ведёт себя кубит до момента измерения. Благодаря этому квантовая машина обрабатывает множество вариантов решения параллельно, а не перебирает их по очереди, как классический процессор.

Ещё более удивительное свойство — квантовая запутанность. Два запутанных кубита остаются связанными независимо от расстояния между ними: изменение состояния одного мгновенно отражается на другом. Именно сочетание суперпозиции и запутанности превращает квантовые системы в вычислительных монстров.

Технологические гиганты вступили в гонку

Крупнейшие корпорации мира соревнуются за звание создателя самого мощного квантового процессора.

В конце 2024 года специалисты Google представили чип Willow с 105 кубитами. По словам разработчиков, устройству потребовалось менее пяти минут, чтобы выполнить вычисление, на которое у современного суперкомпьютера ушло бы около десяти септиллионов лет — единица с двадцатью четырьмя нулями, срок, несопоставимо превышающий возраст самой Вселенной. Не менее важно и другое достижение: с увеличением числа кубитов количество ошибок в системе не растёт, а сокращается.

IBM выбрала более осторожную стратегию, постепенно наращивая мощность процессоров и открывая к ним доступ через облачные сервисы. Компания готовит новое поколение чипов, способных объединяться в системы с более чем тысячей кубитов.

Microsoft пошла собственным путём, представив чип Majorana 1 на принципиально новом материале — топопроводнике. По расчётам компании, такая архитектура способна приблизить создание практичного квантового компьютера на годы, а не на десятилетия.

Не остаётся в стороне и Россия: в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН испытали первый отечественный 50-кубитный компьютер на основе технологии холодных ионов, а впоследствии планируется создание платформы на 75 кубитов.

Где квантовая мощь изменит повседневность

Квантовый компьютер не заменит домашний ноутбук или смартфон. Его сила проявляется в узкоспециализированных задачах, требующих колоссальных вычислительных ресурсов:

• разработка лекарств — моделирование молекулярных взаимодействий способно сократить путь препарата от лаборатории до аптеки с десяти лет до нескольких месяцев;
• новые материалы — от эффективных солнечных панелей до батарей повышенной ёмкости для электромобилей;
• финансовый сектор — оптимизация инвестиционных портфелей и мгновенное выявление мошеннических операций;
• логистика — расчёт оптимальных маршрутов доставки, способный устранить транспортные заторы в масштабах города;
• кибербезопасность — потенциальная угроза современным методам шифрования и одновременно основа для принципиально новых, защищённых систем связи.

Почему квантовый компьютер пока не купить в магазине

Главное препятствие — хрупкость квантовых состояний. Большинству современных процессоров необходимо охлаждение почти до абсолютного нуля, холоднее, чем в открытом космосе. Любая вибрация или колебание температуры мгновенно разрушает квантовое состояние — это явление называют декогеренцией.

Пока учёным удаётся удерживать в стабильном состоянии лишь несколько десятков кубитов, причём на доли секунды. Для решения реальных практических задач потребуются тысячи, а то и миллионы стабильных кубитов, и увеличение их числа заметно повышает риск ошибок.