Квантовите компютри най-накрая са тук. Но какво всъщност са те?

Едно от притесненията, свързани с квантовите компютри, е потенциалът им за разбиване на класически системи за криптиране

18:00 | 24 декември 2023

Автор: Изабела Уорд, Ейми Томсън

Квантовият компютър D-Wave Systems Advantage. Изследователският център Julich открива първия в Европа квантов компютър с над 5 000 кубита. Снимка: Лукас Шулце/Getty Images

Преди четири десетилетия компютърните инженери теоретизираха, че умопомрачителната механика на квантовата физика може да бъде използвана за създаването на нов вид компютър, който да е експоненциално по-мощен от конвенционалните машини. Поредица от пробиви вече доближиха "квантовата полезност", като инженерите демонстрираха компютри, способни да извършват изчисления със сложност, която би затруднила и най-мощните суперкомпютри. Започва надпревара за разработване на по-големи машини, които да могат точно да моделират поведението на сложни явления в реалния свят и да осигурят скок напред в най-различни области като разработването на лекарства, финансовото моделиране и изкуствения интелект.

1. В какво се състои привлекателността на квантовите компютри?
Те могат да правят неща, които класическите компютри не могат. През април Google разкри, че един от нейните квантови компютри е решил за секунди задача, която би отнела на най-мощния суперкомпютър в света 47 години. На експерименталните квантови компютри обикновено се възлагат задачи, които биха отнели твърде много време на конвенционалните компютри, като например симулиране на взаимодействието на сложни молекули за откриване на лекарства. Най-големият им потенциал е за моделиране на сложни системи, включващи голям брой движещи се части, чието поведение се променя при взаимодействието им - като например прогнозиране на поведението на финансовите пазари, оптимизиране на веригите за доставки и работа с големи езикови модели, използвани в генеративния изкуствен интелект. Не се очаква те да бъдат много полезни в трудоемката, но по-проста работа, изпълнявана от повечето от днешните компютри - обработване на по-ограничен брой изолирани входни данни последователно в масов мащаб.

2. Кой ги създава?
Канадската компания D-Wave Systems Inc. стана първата, която през 2011 г. продаде квантови компютри за решаване на оптимизационни задачи. International Business Machines Corp., Google на Alphabet Inc., Amazon Web Services и множество стартиращи компании са създали работещи квантови компютри. Неотдавна компании като Microsoft Corp. постигнаха напредък в изграждането на мащабируеми и практически приложими квантови суперкомпютри. Intel Corp. започна да доставя на изследователите силициев квантов чип с транзистори, известни като кюбити (квантови битове), които са до 1 милион пъти по-малки от другите видове. Microsoft и други компании, включително стартиращата Universal Quantum, очакват да създадат квантов суперкомпютър в рамките на следващите десет години. Китай изгражда Национална лаборатория за квантови информационни науки на стойност 10 млрд. долара като част от големите усилия в тази област.

3. Как работят квантовите компютри?
Те използват миниатюрни вериги за извършване на изчисления, както и традиционните компютри. Но те извършват тези изчисления паралелно, а не последователно, което ги прави толкова бързи. Обикновените компютри обработват информацията в единици, наречени битове, които могат да представляват едно от двете възможни състояния - 0 или 1 - които съответстват на това дали част от компютърния чип, наречена логически шлюз, е отворена или затворена. Преди традиционният компютър да премине към обработка на следващата част от информацията, той трябва да е определил стойност на предишната част. За разлика от това, благодарение на вероятностния аспект на квантовата механика, на кюбитите в квантовите компютри не е необходимо да се присвоява стойност, докато компютърът не завърши цялото изчисление. Това е известно като "суперпозиция". Така че, докато три бита в конвенционален компютър биха могли да представят само една от осемте възможности - 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111 - квантовият компютър от три кюбита може да обработва всички тях едновременно. Квантовият компютър с 4 кюбита теоретично може да обработва 16 пъти повече информация от конвенционален компютър със същия размер и ще продължава да удвоява мощността си с всеки добавен кюбит. Ето защо един квантов компютър може да обработва експоненциално повече информация от класически компютър.

Защо квантовият компютър ще бъде по-бърз

4. Как се връща резултат?
При проектирането на стандартен компютър инженерите прекарват много време в опити да гарантират, че състоянието на всеки бит е независимо от това на всички останали битове. Но кюбитите са заплетени, което означава, че свойствата на един от тях зависят от свойствата на кюбитите около него. Това е предимство, тъй като информацията може да се предава по-бързо между кюбитите, когато те работят заедно, за да стигнат до решение. При изпълнението на квантовия алгоритъм противоречивите (и следователно неправилни) резултати от кюбитите се анулират взаимно, докато съвместимите (и следователно вероятни) резултати се усилват. Това явление, наречено кохерентност, позволява на компютъра да изведе отговора, който смята за най-вероятно правилен.

5. Как се прави кюбит?
Теоретично всичко, което проявява квантовомеханични свойства и може да бъде контролирано, може да се използва за създаване на кюбити. IBM, D-Wave и Google използват миниатюрни примки от свръхпроводима тел. Други използват полупроводници, а някои използват комбинация от двете. Някои учени са създали кюбити чрез манипулиране на хванати в капан йони, импулси от фотони или спина на електрони. Много от тези подходи изискват много специални условия, като например температури, по-ниски от тези в дълбокия космос.

6. Колко кюбита са необходими?
Части. Въпреки че кюбитите могат да обработват експоненциално повече информация от класическите битове, тяхната несигурност ги прави силно податливи на грешки. Грешките се промъкват в изчисленията на кюбитите, когато те не са съгласувани помежду си. Извън лабораторията учените са успели да поддържат кюбитите в кохерентност само за части от секундата - в много случаи това е твърде кратък период от време, за да се изпълни цял алгоритъм. Теоретиците работят върху разработването на алгоритми, които могат да коригират някои от тези грешки. Но неизбежна част от това решение е добавянето на още кюбити. Учените смятат, че един компютър се нуждае от милиони, ако не и милиарди кюбити, за да може надеждно да изпълнява програми, подходящи за търговска употреба. Основното предизвикателство е да се съберат достатъчно от тях. С увеличаването на размера на компютъра той отделя повече топлина, което увеличава вероятността кюбитите да излязат от кохерентност. Настоящият рекорд за свързани кюбити е 1180, постигнат от калифорнийския стартъп Atom Computing през октомври 2023 г. - повече от два пъти над предишния рекорд от 433, поставен от IBM през ноември 2022 г.

7. Кога ще получа своя квантов компютър?
Това зависи от това за какво искате да го използвате. Академичните среди вече решават задачи на 100-силни кюбитови машини чрез базираната в облака платформа IBM Quantum Platform, която широката общественост може да изпробва (ако знаете как да разработвате квантов код). Учените се стремят да създадат така наречения "универсален" квантов компютър, подходящ за търговски приложения, през следващото десетилетие. Една от уговорките за огромната сила на квантовите компютри за решаване на проблеми е потенциалът им за разбиване на класически системи за криптиране. Може би най-добрият показател за това колко близо сме до квантовите компютри е, че правителствата подписват директиви, а предприятията влагат милиони долари за защита на старите компютърни системи срещу разбиване от квантови машини.