Квантовые вычисления. Существует ли квантовый компьютер на самом деле.

Андрей Анненков,
кандидат технических наук
"Коммерсантъ Наука" №55, ноябрь 2019

В конце октября со слов  Google  (формально - материнской компании  Alphabet ), где построен 54-кубитовый квантовый вычислитель, многие вслед за WSJ опубликовали новость, что задача, для которой традиционному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 тыс. лет, решена этим вычислителем за минуты.

Кандидат технических наук Андрей Анненков

Утверждение  Google  опротестовали конкуренты из IBM: никакие не 10 тыс. лет, суперкомпьютер справится за пару дней. WSJ добавила, опираясь на собственных экспертов, что практического значения (читай: перспективы продажи технологии) событие не имеет вне зависимости от того, правду или нет сообщает миру  Google .

У  Google  есть оппоненты и в России. Директор по технологиям IBM в России и СНГ, кандидат технических наук Николай Марин объясняет: "Распространено мнение, будто квантовые компьютеры - новое явление в индустрии, но ученые уже более 100 лет изучают и тестируют практические свойства и принципы, лежащие в основе квантовых вычислений. IBM разрабатывает универсальный квантовый компьютер с 1981 года. Когда мы три года назад впервые предоставили открытый доступ к квантовому компьютеру через публичное облако, мы не знали точно, каких результатов ожидать. Для чего его будут использовать? Для развлечений? Для научных исследований? Возможно, для чего-то еще, о чем мы вообще не думали? Теперь мы точно знаем, что для всего сразу. Бесплатный сервис IBM  Q Experience  быстро собрал более 150 тыс. активных пользователей по всему миру, уже две сотни научных статей опубликованы благодаря его использованию. Видно, что квантовые компьютеры открывают бескрайние возможности для поиска и применения креативных решений. Человечество скоро сможет по-новому взглянуть на проблемы, которые раньше казались нам неприступными. Вот тогда и наступит время удивительных свершений".

Это тоже квантовая пропаганда. Квантовые вычисления ни в  Google , ни в IBM не вылупились из лабораторной стадии. Теоретически ясно, что обработку данных действительно можно вести иначе, чем это происходит в обычных компьютерах, и что квантовые вычисления для нескольких - буквально нескольких - задач несопоставимо эффективнее возможностей традиционных компьютеров.

Задачи эти, однако, настолько важны для государств, что сомневаться в концентрации ресурсов, достаточных для практической реализации квантовых вычислений, не приходится. Оценить необходимое для практических результатов время, правда, нельзя. Не исключено, что они уже и достигнуты, но используются спецслужбами тайно.

Теория

Квантовый компьютер использует привычную вычислительным машинам двоичную систему счисления, "внутри" у него только нули и единицы. Однако термин "кубит" ( q-bit , "бит" квантового компьютера) обозначает принципиальное отличие от бита: про состояние кубита в каждый момент времени нельзя сказать, что у него внутри - ноль или единица. Чтобы выяснить это, надо "снять" данные - открыть коробку с котом Шредингера и понять, жив кубит ("1") или мертв ("0").

Аналогию "кубит как кот Шредингера" можно (и нужно) заменить несколько более сложной (хотя тоже примитивной) аналогией "кубит как электронное облако", то есть сфера, в каждой точке которой  может  находиться размазанный по орбите электрон. Эту сферу мысленно разрезаем (как пилой, пополам), чтобы "выловить" электрон в одной из двух получившихся полусфер. Практический смысл для конструктора квантового компьютера: если электрон в одной полусфере, значит, кубит на момент измерения находится в состоянии "1", если в другой - "0". До измерения кубит находится в так называемой суперпозиции: оба его возможных состояния смешаны (однако сумма вероятностей состояний равна 1). Едва измерение состояние кубита произошло - все кончено, как в детской игре "Замри!". Информация о предыдущей "жизни" кубита разрушается, как коробка, в которой сидел кот.

Квантовые вычисления обеспечиваются возможностью зафиксировать взаимосвязь совокупности (регистра) кубитов, находящихся в суперпозиции. Кубиты можно ввести в так называемое запутанное (общее, единое) состояние, когда измерение одного кубита фиксирует не только его состояние, но и состояние всех  N -кубитов в регистре. Если  N -кубиты в регистре запутаны, тогда одной операцией квантовый компьютер может сразу, одновременно, обработать 2 ^N  бит данных.

Это дает, во-первых, грандиозный рост размерности обрабатываемых данных: при  N  = 50 регистр запутанных кубитов эквивалентен по объему хранимых данных 10 в 18-й степени бит. Во-вторых, позволяет решать упомянутые выше задачи, недостижимые для классических компьютеров.

Практика

К числу таких задач, в частности, относятся:

• поиск в массивах неструктурированных данных (радикальное ускорение обработки больших данных);
• разложение чисел на простые множители (алгоритм Шора, важен для преодоления криптозащиты данных - квантовый компьютер за секунды способен сделать то, на что у суперкомпьютера уйдут миллиарды лет);
• быстрое генерирование последовательности подлинно случайных чисел (практическое применение - одноразовые ключи для гарантированно защищенной передачи данных по открытому каналу связи; очевидно, о решении именно этой задачи и сообщил  Google );
• моделирование квантовых систем - молекул и материалов (практическое применение - фармакология, средства защиты от биологического оружия), причем для решения таких задач достаточен "маломощный" квантовый компьютер с регистром до 100 кубит.

Но пока это лишь теоретические возможности. Физическая реализация квантовых компьютеров находится в стадии исследований и экспериментов, а развитие алгоритмов квантовых вычислений обеспечивается имитацией квантовых компьютеров с помощью устройств, лишенных квантовой природы.

Программное обеспечение квантовых вычислений - системы программирования и отладки программ - только предстоит создать. Это нетривиальная задача. Она не решена даже для традиционных суперкомпьютеров, мощность которых эффективно используется только для ограниченного круга задач.