Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [51]

Если множество кубитов оказываются запутанными, они способны начать действовать согласованно и одновременно обрабатывать множество опций, что дает результат гораздо более мощный, чем в случае с битами. Однако с реализацией такого устройства могут возникнуть проблемы. Квантовые запутанные состояния – штука чрезвычайно нежная; такое состояние можно поддерживать только в течение очень короткого времени и при наличии определенных условий. Проблема не только в том, чтобы изолировать и защитить их от влияния окружающей среды, которая нарушает квантовую согласованность, но и в способности контролировать входящую и выходящую информацию, обрабатываемую кубитами. А эта задача усложняется по мере роста числа запутанных кубитов. Когда вычислительная операция закончена, выбирается одно из возможных финальных состояний в суперпозиции кубитов, которое надо затем усилить, чтобы считать с помощью какого-нибудь макроскопического (классического) прибора. И это далеко не единственная проблема при разработке квантовых компьютеров, которую нам еще предстоит решить.

Несмотря на все эти сложности, многие исследовательские лаборатории в мире сегодня борются за первенство в создании квантового компьютера. Не так давно еще вообще не было ясно, можно ли в принципе создать такое устройство; теперь ученые говорят о том, что их мечта может исполниться в следующие пару десятилетий, а простейшие прототипы уже существуют. Сейчас известно множество различных подходов к созданию квантового компьютера, и пока не совсем понятно, какой из них удастся осуществить на практике. Как правило, кубиты можно получить на основе любых субатомных частиц, которые ведут себя по законам квантового мира и способны запутываться, – таких частиц, как электроны, или фотоны, или ионы, зависшие в электромагнитном поле, или атомы, пойманные в лазерную ловушку, или специальные жидкие и твердые вещества, квантовый спин атомных ядер которых можно контролировать с использованием ядерного магнитного резонанса.

Такие компьютерные гиганты, как IBM и Google, в настоящее время конкурируют в создании первого квантового компьютера, однако пока никто из них не смог создать стабильную мультикубитную систему, которая могла бы продержаться достаточно долго, чтобы сделать квантовые вычисления практически осуществимыми. Есть еще много более мелких компаний-стартапов, которые работают над этой проблемой. Некоторые уделяют основное внимание вопросу стабильности, а другие пытаются повысить количество запутанных кубитов. Однако дело движется, и я убежден, что доживу до того момента, когда квантовые вычисления станут повседневной реальностью.

Важно подчеркнуть, что трудность представляет не только разработка матчасти. Для квантовых компьютеров также понадобится собственное программное обеспечение, а квантовых алгоритмов еще маловато. Самые известные примеры – это алгоритм факторизации Шора и алгоритм Гровера. Уже доказано, что они позволят квантовым компьютерам работать эффективнее классических в некоторых неожиданных направлениях. Они никоим образом не могут заменить наши обычные компьютеры в решении всех задач, но очень хорошо приспособлены для решения математических задач. В нашей повседневной жизни мы продолжим использовать все более мощные и быстрые классические компьютеры, особенно когда нам покорятся рубежи искусственного интеллекта, облачных технологий и интернета вещей (в том смысле, что многие приборы у нас дома будут связаны и смогут разговаривать друг с другом). А еще классические компьютеры продолжат обрабатывать терриконы накапливаемых нами данных.

Однако существуют проблемы, которые невозможно решить даже с помощью самых мощных классических компьютеров будущего. Прелесть квантовых компьютеров в том, что скорость обработки ими данных возрастает экспоненциально с ростом количества кубитов. Рассмотрим информационное содержание трех неквантовых переключателей. Каждый может представлять собой либо 0, либо 1, так что в результате возможно восемь различных комбинаций: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Однако три запутанных кубита дают нам возможность сохранять сразу все восемь комбинаций. Каждая из трех цифр одновременно представляет собой и 0, и 1. На классическом компьютере количество информации экспоненциально растет с увеличением количества битов. Поэтому N битов означает 2^N различных состояний. Квантовый компьютер с N кубитами использует все 2^N состояний сразу – уровень параллельной обработки, которого классический компьютер просто не способен достичь.

Квантовые компьютеры будут когда-нибудь использоваться для решения задач в широком диапазоне дисциплин – в математике, химии, медицине и в создании искусственного интеллекта. Химики с нетерпением ждут, когда можно будет использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных химических реакций. В 2016 году Google разработала примитивное квантовое устройство, с помощью которого удалось впервые смоделировать молекулу водорода, а после этого IBM удалось исследовать поведение более сложных молекул. Кажется логичным, что для понимания квантового мира нужно пользоваться квантовым моделированием. В конце концов, рыбак рыбака видит издалека. Исследователи надеются, что квантовое моделирование позволит создавать синтетические молекулы и разрабатывать новые лекарства. В сельском хозяйстве химики могли бы пользоваться квантовыми компьютерами для получения новых катализаторов для удобрений, которые дадут возможность уменьшить выбросы парниковых газов и усовершенствовать производство пищевых продуктов.