Про квант і його похідні шириться багато міфів. У цій статті ми спробуємо розібратися у них і максимально просто пояснити весь хайп навколо квантової революції. Дякуємо MIT Technology Review за публікацію на тему та дослідникам з Google за матеріали, які слугували основними джерелами.

Про нулі та одиниці

Більшість наших щоденних дій можна уявити як обчислення, в результаті якого виходить «так» або «ні», «одиничка» або «нулик». Перевірка їжі в холодильнику, пошук потрібного номера громадського транспорту чи смаження шашличка на подвір’ї – результат ваших дій можна окреслити відповіддю («сталося» чи «не сталося») або числом. Наші гаджети, хоча й без шашличка, теж проводять багато дій, які називаються математичними операціями. По суті комп’ютер, що працює за алгоритмом, є обчислювачем, який обчислює функцію.

З часів Тюрінга вважалося, що усі комп’ютери більш-менш подібні за принципом роботи. Різниця була лише в тому, скільки операцій на секунду вони можуть виконати. І тут – бац! – квантові комп’ютери. Вони вже не погоджуються з однаковістю фізичної природи процесорів.

Уявімо, що нам треба прокласти маршрут від Копиздичів до Печихвостів без заторів. Здавалося б, просто. Але якщо завдання розширити до маршруту Сан-Франциско – Нью-Йорк, кількість вулиць (а, отже, й обчислень) вимагатиме ще більше ресурсів. Зважаючи на зростання складності, рано чи пізно звичайному комп’ютеру забракне потужностей розв’язати таке логістичне завдання.

А от квантовий на те й квантовий, що інформація у ньому зберігається та обробляється геть інакше. Звичайний процесор має стани логічного нуля і логічної одиниці, все чітко: може бути лише два взаємозаперечних значення (біти). Квантовий процесор же оперує кубітами – одиницею інформації, яка працює як дворівнева квантова система, себто до неї застосовується квантова теорія. Єдине, що вам потрібно знати про цю складну царину – принцип суперпозиції. Це коли одинички та нулики можуть мати кілька станів (не дарма це суперпозиція), набагато більше за два стани звичайного процесора.

Найкраща ілюстрація – сфера Блоха. У біті на полюсах є лише значення 1 і 0. Але кубіти враховують ще й іншу поверхню, яка і є суперпозицією.

Щоб перетворити це диво на інформацію, треба провести вимірювання, внаслідок яких суперпозиція колапсує, адже ми можемо працювати з квантовою магією лише приладами, але не напряму. Як результат вимірювань ми отримаємо певну послідовність 0101010010 – дані з суперпозиції. Відповідно, квантовий процесор може проводити ой леле наскільки більше операцій, аніж звичайний комп’ютер.

Квантова лихоманка

Усвідомивши перспективи, компанії розпочали перегони за першим релізом квантового комп’ютера і програмами для нього. Наразі продукція таких пристроїв становить лише науковий інтерес, але перший, хто розпочне серійне виробництво, стане магнатом квантової революції. Приблизно як Intel з їхніми напівпровідниками.

Те, що звичайний процесор вирішуватиме роками, квантовий комп’ютер обчислить за кількадесят секунд.

Квантова революція, звісно, гучне слово, але воно має у собі частку рації. В Google вже брали класичний і квантовий процесори та давали їм однакові за зрозумілістю задачі. Як результат – машина на 53 кубіти розв’язувала певні задачі швидше за будь-який інший процесор нашого часу.

Бачимо, як квантовий комп’ютер передбачає більшу кількість виданої інформації, аніж бітова система.

Втім, перед нами все ще стоїть завдання «перекласти» алгоритми на мову логічних операцій з кубітами, аби квантовий процесор зміг робити обчислювання. Наступний виклик полягає в тому, що квантові системи все одно будуть взаємодіяти з довкіллям, що може призвести до помилок у процесі обчислень. Звідси ще один нюанс – «помилковість» квантових обчислень. Принцип суперпозиції передбачає і певну кількість помилок за замовчуванням, тож якість квантової машини вирізнятиметься ще і ймовірністю помилок.

Здавалося б, такі байки мають гарний вигляд, але практичної користі наразі мало. Суперзавдання для квантового процесора, яке б змінило світ назавжди, немає. Хіба сьогодні процесор планують застосовувати у молекулярній динаміці: в розрахунках і передбаченнях властивостей мікроскопічних молекул. Кубітів, щоправда, досі не вистачає.

Квант чи гібрид?

Завершуючи огляд квантової революції, зазначимо, що така машина вимагає складних лабораторних умов для функціонування. А отже, ми навряд триматимемо квантові системні блоки під столом. Сила квантових обчислень буде (і деінде вже є) доступна у хмарі. Такі системи досі не виконують реальних задач, але тренувальні експерименти вдаються на ура.

Можемо зробити висновок, що майбутнє (принаймні, найближче) – за гібридними рішеннями, де основна частина буде класичною бітовою системою, а найскладніші алгоритми залучатимуть квантовий мікропроцесор. Так, до речі, працює ваша відеокарта – певні задачі графіки вона робить швидше за процесор, і навпаки. Можливо, хоча б гібридні компи приберуть лаги в Cyberpunk 2077.

Гібридні рішення зможуть будувати складні нейромережі, де враховуватимуться мільярди параметрів.

З огляду на надії, покладені на квантовий комп’ютер, перед нами або реальна революція, або чергова бульбашка.

P.S. Пам’ятаєте, ми писали про таку саму бульбашку зі штучним інтелектом?

Коменти
Павло

хороша стаття, дякую! трохи бракує деталей, я так і не зрозумів як це все працює, як інформація попадає в кубіти шо далі відбувається з набором бінарних даних, тобто це є швидка генерація випадкових чисел з подальшою фільтрацією? хочеться більш детальний огляд