Комп’ютери та смартфони сьогодні стали дуже швидкими завдяки тому, що їхні процесори працюють на частотах у декілька гігагерц. Проте подальшого значного росту швидкості очікувати не варто: кремнієва електроніка наблизилась до своєї межі. На заміну їй можуть прийти квантові комп’ютери – машини нового покоління, які поки що знаходяться на початковому етапі розвитку. Однак вони вже обіцяють значний виграш у продуктивності. Як їм вдалося цього досягнути та за якими принципами працюють квантові комп’ютери – читайте нижче.
Одним з місць, де сьогодні розробляють квантову обчислювальну машину, є лабораторія Station Q при Університеті Каліфорнії. Її очолює Майкл Фрідман (Michael Freedman), який вважає подібну технологію наступним проривом у комп’ютерній галузі. Адже квантові машини зможуть швидко вирішувати важкі задачі у сфері машинного навчання, медицини, хімії, криптографії, матеріалознавстві та інженерії.
«Це може бути настільки радикальним, наскільки можна уявити, – каже Фрідман. – Вона може мати неймовірні наслідки в обчисленнях. Правда в тому, що ми не знаємо, які».
Особливості квантів
Квантові комп’ютери стали можливими завдяки ефектам, які спостерігаються на рівні атомів. Наприклад, на ньому інформація миттєво телепортується від одного кванта до іншого незалежно від відстані. Ось п’ять головних особливостей квантів, які роблять їх швидшими за звичайні транзистори з кремнію:
1) у квантовому стані частинки можуть знаходитися в суперпозиції – це існування в декількох формах одночасно (одномоментно вони є і нулем, і одиницею);
2) завдяки цьому квантовий комп’ютер може швидше вирішувати задачі, на які звичайним машинам знадобляться століття;
3) на мікроскопічному рівні частинки матерії можуть поводити себе, як хвиля;
4) квантовий комп’ютер працює на основі кубітів – найменший елемент, який може приймати стан «1», «0» або обидва одночасно;
5) квантові частинки можуть бути зв’язані одна з одною незалежно від відстані.
Кванти замість транзисторів
Подібні ефекти дозволяють відійти від логічного принципу роботи машин Тьюрінга, за яким побудовані всі сучасні комп’ютери, що оперують логічними поняттями нуля та одиниці.
«Усі наші машини незалежно від їхньої складності та можливостей паралельної роботи фактично є надбудовою над оригінальною машиною Тьюрінга, – говорить Фрідман. – Це класична модель, а є квантова модель, в якій перескочити з одного стану на інший – це ніби зазирнути в основи всесвіту за його куліси».
Квантовий комп’ютер – це дуже складна машина, проте вони дозволять вирішувати багато важливих задач. Їхнє розв’язання на звичайних суперкомп’ютерах потребувало би часу більше, ніж існуватиме всесвіт, каже дослідник та менеджер відділу квантових обчислень Microsoft Research Кріста Свор (Krysta Svore). «Ми думаємо, що квантовий комп’ютер зміг би вирішити подібні проблеми за значно коротший час, можливо декілька років, днів або навіть секунд», – припускає вона.
Проблеми квантових машин
Одна з головних перешкод на шляху впровадження квантових обчислювачів – їхня дуже велика чутливість до перешкод. Найменша зміна температури, зайвий електрон або потрапляння космічного випромінювання викликають зміну квантового стану кубіту, що знищує інформацію в ньому.
Подолати ці проблеми заважає те, що вони потребують не лише нових підходів, але й іншого типу мислення. «Квантова механіка – це фундаментальна мікроскопічна мова всесвіту. Вона нею розмовляє сама із собою, проте ми мислимо інакше. Люди схожі на класичні комп’ютери, – каже Фрідман. – Розвиток квантових машин вимагає змінити стиль мислення з класичної моделі на мову всесвіту».
Квантові комп’ютери намагаються створити в багатьох лабораторіях світу, однак у Microsoft це роблять з таким розрахунком, щоб наприкінці можна було виготовити практичний продукт. Для цього її вчені не намагаються побудувати кубіт на основі фіксування спіну електрона, як інші. Вони розробили новий підхід з корекцією помилок, який активно маніпулює кубітами.
«Усе у світі є квантовою механікою, – каже Санкар Дас Сарма (Sankar Das Sarma). Він викладає фізику конденсованої матерії в Університеті Меріленду та разом із ученими Microsoft займається квантовим комп’ютером. – Ми просто намагаємося відійти від пасивного використання квантових законів до активного для створення чогось революційного».
Підхід, що розробляють учені, дозволить зменшити вплив зовнішніх перешкод на кубіти. Сьогодні квантові комп’ютери нагадують піраміду: достатньо порушити одну цеглину, і зруйнується вся будівля. Через це збережена в кубітах інформація втрачається назавжди. У Microsoft намагаються зробити так, щоб пошкодження одного кубіту не впливало на інші.
Безмежне майбутнє
Квантові комп’ютери обіцяють бути дуже потужними обчислювальними машинами, які допоможуть вирішити багато складних проблем та, можливо, змінити увесь світ. Самі вчені не можуть уявити, які можливості вони нададуть користувачам.
«Свого часу голова IBM сказав, що не уявляє сценарій, у якому звичайній людині знадобиться доступ до комп’ютера, – говорить Дас Сарма. – Сьогодні в моїй сім’ї десять ПК. Квантовий комп’ютер зможе робити неймовірні речі, які ми не можемо передбачити сьогодні».
За матеріалами: Microsoft Daily
