Квантовый компьютер: как он работает и что умеет

Бит и кубит

Обычный компьютер хранит всё в битах. Бит это 0 или 1, как выключатель: свет либо горит, либо нет. Из миллиардов таких выключателей состоят текст, фото и игры. Подробнее о битах и байтах в статье о килобайте.

Кубит, квантовый бит, тоже при измерении даёт 0 или 1. Но до измерения он находится в суперпозиции: в нём одновременно «есть» и 0, и 1 с определёнными весами. Похоже на монету, которая крутится на столе: пока она крутится, нельзя сказать, орёл это или решка. Остановите её, и получите один ответ.

Второе свойство запутанность. Два кубита можно связать так, что их результаты будут зависеть друг от друга, как бы далеко их ни развели. Из-за этого описание системы растёт очень быстро: чтобы полностью описать 300 запутанных кубитов, обычному компьютеру понадобилось бы больше чисел, чем атомов в видимой Вселенной.

Он не перебирает всё сразу

Часто пишут: квантовый компьютер проверяет все варианты одновременно. Это неправда. При измерении мы получаем только один случайный ответ, и если просто «запустить всё сразу», ответ будет мусорным.

Хорошо это видно на сравнении с лабиринтом. Обычный компьютер проходит лабиринт, пробуя повороты один за другим. Квантовый не может «пройти все пути сразу и сказать, где выход»: если в конце просто посмотреть, он покажет случайный тупик. Ему нужен особый приём, при котором тупиковые пути взаимно уничтожаются, а путь к выходу становится самым вероятным. Для лабиринтов такого приёма в общем виде нет, а для некоторых математических задач есть.

Хитрость квантовых алгоритмов в интерференции. Как волны на воде: где гребень встречается с гребнем, волна растёт, где гребень с впадиной, гаснет. Алгоритм устроен так, что неправильные варианты гасят друг друга, а правильный усиливается. Придумать такой алгоритм очень трудно, поэтому полезных квантовых алгоритмов пока немного.

Какие задачи он решает быстрее

Самое ожидаемое применение в химии: рассчитать новые лекарства, катализаторы и аккумуляторы. Обычные компьютеры с такими расчётами справляются плохо, потому что электроны в молекулах подчиняются квантовым законам.

Почему волнуются про шифры

Защита сайтов и банков во многом держится на том, что перемножить два больших простых числа легко, а разложить результат обратно на множители невероятно долго. Об этом подробно в статье о шифровании.

В 1994 году Питер Шор придумал квантовый алгоритм, который раскладывает числа на множители быстро. Чтобы взломать настоящий ключ, нужны тысячи надёжных кубитов, а сейчас их нет. Но данные, перехваченные сегодня, могут расшифровать через десять-пятнадцать лет. Поэтому в 2024 году в США утвердили первые стандарты постквантового шифрования, устойчивого к таким атакам, и крупные компании уже переходят на них.

Где мы сейчас

Главная проблема квантовых компьютеров ошибки. Кубиты очень хрупкие: их сбивает тепло, вибрация, случайное излучение. Сверхпроводящие кубиты держат в холодильниках при температуре в сотые доли градуса выше абсолютного нуля, это холоднее открытого космоса.

• 2019: процессор Google из 53 кубитов выполнил специальное задание за 200 секунд, на которое, по оценке компании, суперкомпьютеру понадобились бы тысячи лет.
• 2024: чип Google Willow из 105 кубитов показал, что с ростом числа кубитов ошибки можно уменьшать, а не увеличивать. Это важный шаг к надёжным машинам.
• 2024: в России сообщили о 50-кубитных прототипах на ионах и нейтральных атомах.

Пока это лабораторные машины для узких задач. Полезный квантовый компьютер, который взломает шифр или рассчитает лекарство, по разным оценкам, появится через годы, а то и десятилетия.

Из чего делают кубиты

Кубит не деталь определённого вида, а любая квантовая система с двумя состояниями. Поэтому разные компании идут разными путями, и пока неизвестно, какой победит.

Сверхпроводящие кубиты прямо выросли из опыта, за который дали Нобелевскую премию по физике 2025 года. Об этом в статье о Нобелевской премии 2025.

Что выучить, чтобы в этом разбираться

Хорошая новость: квантовые вычисления выросли из того же, что вы учите сейчас. Кубит описывают двумя числами-весами, а действия над кубитами записывают таблицами чисел, матрицами. Это продолжение школьной алгебры, только в вузе. Программы для квантовых компьютеров пишут на Python, тот же язык, который многие сдают на ЕГЭ по информатике.

Для начала хватит школьной программы: двоичная система и логические операции из информатики, вероятность из математики, волны и интерференция из физики 9 и 11 классов. Квантовые вычисления сейчас изучают в вузах на направлениях физики, математики и информатики, а для поступления туда нужен ЕГЭ по профильной математике и физике или информатике.

Частые вопросы