Квантовый компьютер

Руслан Галифанов
Реджеп Карлиев
Геннадий Галифанов

Говоря о квантовом компьютере, необходимо отметить, что по своей функциональности он отличается от обычного компьютера неизмеримо больше, чем  обычный компьютер от счетов на костяшках. Квантовый компьютер состоит из трех частей, самая верхняя часть которого представляет собой пользовательский интерфейс, взаимодействующий с пользователем, средняя часть содержит драйверы квантовых устройств и общую программу управления вычислением, а в самой нижней части находится квантовый процессор.

Назначением квантового компьютера является экспоненциальное увеличение  скорости вычислений за счет проникновения в глубинные тайны атомных и субатомных частиц посредством разработки соответствующих алгоритмов, в том числе в отношении обладающей огромной сложностью живой материи. Алгоритм это инструкция по последовательности вычислительных действий для получения математического образа изучаемого объекта, соответствующего его реальному состоянию в природе. Над таким образом можно производить необходимые аналитические действия, не вмешиваясь физически в реальные объекты окружающего мира.

В данное время квантовые вычисления вступают в эпоху физики нового времени, а сам квантовый компьютер находится пока в состоянии младенчества. На пути его становления в полноценно устойчиво работающее устройство предстоит решить еще множество технических проблем. Но уже первые испытания пока маломощных с небольшим количеством кубитов образцов квантового компьютера для решения специальных задач показали его необычайной силы вычислительную способность. В частности, если для решения отдельных задач, обычному компьютеру потребуется сотни лет, то квантовый компьютер способен решить их за минуту. Так, например, разложение какого-либо числа на простые множители (факторизация) не под силу обычному компьютеру, а квантовый компьютер может с легкостью решить эту задачу.

Однако описанные возможности использования быстродействия квантового компьютера существуют большей частью в теории. На практике до полноценной разработки эффективно работающего, особенно универсального квантового компьютера, способного решать любые поставленные задачи пока еще много нерешенных проблем. Самой большой из них является время когерентности (время выполнения компьютером вычислений), которое для сверхпроводящих кубитов составляет от сотни микросекунд до одной секунды, если используются одиночные атомы и ионы. За это время нужно успеть сделать как можно больше операций и получить ответ. Другой проблемой является, хрупкость квантовых состояний. Дело в том, что кубиты очень чувствительны к окружающей среде и быстро теряют свои квантовые свойства из-за декогеренции (нарушение взаимосвязи между кубитами под влиянием внешних факторов), что приводит к ошибкам в квантовых вычислениях и ограничению глубины вычислений.

Так, например, если атом испускает фотон, и он улетает, находясь в запутанном состоянии с атомом, то это приведет к возникновению декогеренции. Возврат посредством использования системы зеркал никем не измеренного фотона  к испустившему его атому позволит вернуть систему «атом-фотон» в прежнее чистое (неизмеренное состояние). Если же прилетит другой фотон, тогда система будет оставаться в состоянии декогеренции. Вообще утверждение, что посредством системы зеркал возможен возврат улетевшего фотона и восстановление чистого состояния квантовой системы является сомнительным, поскольку отраженный от зеркала фотон вряд-ли может стать тем же самым улетевшим фотоном, хотя бы потому, что направление вращения его спина изменится на противоположное. И, кроме того, зеркальное отражение объекта является лишь его виртуальным оптическим отражением, но не самим реальным объектом.

Особенностью квантового компьютера является то, что используемые в качестве единиц информации в обычном персональном компьютере классические биты  (чипы) всегда находятся в положении либо «1» (включено) либо «0» (выключено) и потому компьютер способен лишь на последовательные вычисления. Кубиты же квантового компьютера в качестве единиц информации используют фотоны, электроны, ионы, атомы, кремниевые квантовые точки (с одним электроном, спином), сверхпроводящие проводники и т.д. Упомянутые кубиты могут принимать любые значения от «1» до «0» и находиться в связанном (запутанном) между собой состоянии, именуемом суперпозицией. Вследствие суперпозиции кубиты в процессе вычислений находятся во всех вероятных состояниях одновременно, что позволяет обработать гораздо больше информации, по сравнению с классическими битами. В итоге появляется возможность получить при измерении один из вероятных результатов вычисления из соотношения множества вероятностей пребывания одного из случайных кубитов в состоянии между «0» и «1» равном в сумме единице. При этом все значения вероятностей состояния кубитов запутаны (связаны) между собой и производят одновременно параллельные вычисления во всем диапазоне значений между «1» и «0», благодаря чему быстродействие квантового компьютера в миллионы раз выше, чем у обычного персонального компьютера.

Важно отметить, что с увеличением количества кубитов пространство их состояний, растет экспоненциально. В частности, для системы из любого количества  кубитов пространство состояний является 2^n-мерным, причем в реальных измерениях, учитывая, что пространство остается комплексным это число должно быть удвоено. Для двух кубитов базисный набор пространства состояний в комплексных измерениях будет четырехмерным (2^2), а именно |00, |01, |10 и |11|. Трехкубитная система будет иметь восемь (2^3)  базисных состояний (фундаментальные состояния в квантовой механике, которые служат строительными блоками для построения более сложных квантовых состояний), а именно: |000, |001, |010, |011, |100, |101, |110 и |111| с восемью комплексными элементами  и 16-мерными  реальными измерениями. Если же учесть, что пространство состояний квантовой системы подвержено ограничениям из-за условия нормализации, требующего, чтобы сумма квадратов амплитуд вероятности была равна единице, реальное пространственное состояние трехкубитной системы будет на самом деле на одно измерение меньше, то есть состоять из  15 реальных измерений.

Если говорить о ближайшем будущем, то из вышеперечисленных кубитов использование фотонов в качестве единиц информации в реальных квантовых компьютерах является пока сложной задачей. Так, например, несмотря на все усилия, пока удалось запутать не более 10 фотонов. Наиболее перспективными на сегодняшний день считаются, устроенные по принципу колебательного контура в виде электрической цепи сверхпроводящие квантовые кубиты (трансмоны). Однако они очень уязвимы к декогеренции, в связи с чем в отдаленном будущем им на смену, возможно, придут устойчивые к шумам квантовые компьютеры на фотонах, линейных оптических элементах, электронах, атомах и ионах, позволяющие создать десятки и сотни тысяч запутанных кубитов. Эксперименты по разработке способов замедления скорости света, посредством использования так называемого «жидкого света» внутри  полупроводниковых систем, может в отдаленной перспективе привести к созданию квантовых компьютеров размером с ноутбук или обычным стационарным компьютером. Изобретательская пытливая мысль не стоит на месте поэтому, то, что было немыслимо еще вчера сегодня может стать явью.
 
Запутанность кубитов это такое их состояние, при котором их невозможно разделить на две независимые части, вследствие чего имеют место сильные корреляции квантовых частиц, даже в случае если они достаточно далеко пространственно удалены друг от друга. Состояние запутанности можно сравнить с расходящимися от брошенных в воду камней концентрическими волнами, некоторые из которых, набегая друг на друга гасят (интерференция) или увеличивают высоту волн друг друга в результате резонанса. Запутанность также можно представить в виде бесконечной радуги с плавным переходом градиентов цветов. Порожденную же запутанностью суперпозицию кубитов правильнее представлять в виде двумерной сферы Блоха, каждая пара диаметрально противоположных точек которой соответствует взаимно ортогональным векторам состояния. При этом южный полюс соответствует «1», северный – «0», а стрелка-радиус указывает на любую точку поверхности сферы соответствующей чистому состоянию квантовой системы (состояние, в котором все частицы в системе находятся в одном и том же квантовом состоянии), а точки внутри сферы представляют смешанные (запутанные) состояния. Запутанность начинается с двух и более кубитов. Одиночный кубит может существовать в суперпозиции |0>; и |1>;, но не может быть запутан. Квантовая обработка информации, квантовое выполнение вычислений, квантовая криптография и квантовые телепортации возможны только в состоянии запутанности кубитов. 

Для создания квантовой запутанности на квантовый компьютер посылаются микроволновые импульсы, которые модулируются по фазе и амплитуде с косекундной точностью. Благодаря этому кубиты настраивают подобно настройке радиоприемника, каждый на свою частоту. Для ясного понимания сущности понятия «косекунда» отметим, что самолет, летящий со скоростью 1000 км в час пролетит за косекунду расстояние равное сотым долям миллиметра.

Известно также, что небольшое колебание температуры или магнитного поля, а также электромагнитное поле работающих приборов могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям вследствие коллапса. Если, например, на точность измерения времени хронометром не могут повлиять шумы, степень освещенности, погодные условия, то аналогичное воздействие на субатомную частицу приведет к ее взаимодействию с окружающей средой и может изменить ее поведение. Из-за этого возникает проблема измерения состояний квантовых объектов, поскольку сам факт измерения, способен из-за декогеренции повлиять на результат. В результате такого, именуемого сильным, измерения (проекционное измерение) можно получить информацию лишь об одном из возможных состояний системы. Есть еще слабые измерения, при которых измерительный прибор слабо влияет на кубиты, вследствие чего система не коллапсирует полностью, а немного меняется, что позволяет получить ограниченные сведения о состоянии частиц.

Упомянутая проблема разрушения квантового состояния является одной из фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения. В связи с этим во всем мире учеными ведутся поиски физических систем и способов, посредством которых можно снизить воздействие факторов внешней среды на работу квантового компьютера (использование близких к абсолютному нулю температур, вакуума, поиск устойчивых к факторам внешней среды кубитов) и продлить срок жизни кубита путем удержания его в состоянии суперпозиции.

Перспективным вариантом является объединение посредством технологически сложных приемов отдельных физических кубитов в один логический кубит с программированием на него протокола коррекции ошибок, что позволит существенно дать более высокий показатель точности при вычислениях. Данный прием известный, как создание избыточности основан на том, что физические кубиты разрушаются, теряя информацию в разное время, поэтому если одна пара кубитов прекратит вычисления, другие кубиты их продолжат.

Другим вариантом является сосредоточение сил ученых и инженеров на разработке эффективной технологии использования фотонных кубитов, которые хотя и требуют  для своей работы громоздкого оптического оборудования, но зато могут работать до нескольких часов при комнатной температуре, вследствие чего имеют большие перспективы. Задача на современном этапе состоит в том, чтобы добиться безотказной работы квантового компьютера на фотонных кубитах в течение неограниченного срока времени.

В квантовых компьютерах, работающих с использованием полупроводниковых материалов требуется перевод кубитов на низкий энергетический уровень, посредством понижения температуры процессора до близких к абсолютному нулю значений. В этом случае появляется возможность управлять квантовым компьютером и значительно снизить возможность его когеренции от внешних воздействий. В этой связи полезным может оказаться вариант выноса квантового компьютера в низкотемпературное космическое пространство с обеспечением его защиты от теплового излучения Солнца. Управление таким космическим квантовым компьютером и передача оператору результатов вычислительных операций может быть осуществлено дистанционно по каналам радиосвязи. 

Еще одна серьезная проблема — масштабирование. По мере того как в квантовый процессор добавляется больше кубитов, становится сложнее контролировать взаимодействие между ними и реализовывать квантовые вентили (базовый элемент квантового компьютера, преобразующий входные состояния кубитов на выходные по определённому закону, с возможностью возврата в исходное состояние). Это связано с возрастанием перекрестных помех между кубитами по мере увеличения их количества. В результате, чем больше кубитов, тем сложнее системы управления ими. Для решения же ряда задач, например, оптимизационных задач необходимы тысячи кубитов.  Для дешифровки криптографических ключей Bitcoin в течение часа с использованием поверхностного кода потребуется 317 х 10^6 физических кубитов, а в течение 12 часов 13 Х 10^6 физических кубитов. По отношению же к живым организмам, сверхбыстрым ядерным процессам и гравитации, то ввиду крайней сложности этих объектов, применение квантовых технологий в этой сфере является делом очень отдаленного будущего.

Кроме того результат какого-либо вычисления при помощи квантового компьютера имеет всегда вероятностный характер, точность которого тем выше, чем больше повторность вычислений, причем измерение необратимо меняет состояние частицы, что исключает ее повторное использование. В частности, при измерении координаты частицы, ей будет придан такой импульс, что она унесется далеко за пределы места измерения, вследствие чего повторно измерить координаты придется уже у другой частицы. Таким образом, измерение результата вычислений посредством квантового компьютера это процесс перевода частицы находящейся во многих состояниях в одно случайное непредсказуемое состояние.

Согласно классической (копенгагенской) интерпретации факт измерения изменяет конечное состояние квантовой системы в результате коллапса волновой функции в одно из состояний, при котором волновая функция продолжает эволюцию в качестве ее изначальной одной части. При этом не важно, кто и каким прибором производит измерение. В двухщелевых опытах, например, достаточно было разместить у двух щелей максимально пассивный измерительный прибор – термометр, чтобы в результате коллапса интерференционная картина из 5-15 черно-белых полос сменилась на две полосы. Почему так происходит квантовая физика объяснить не может, вследствие чего можно сделать вывод, что на квантовом уровне реальность вокруг нас субъективна и индетерминистична.  Можно лишь сказать, что субатомная частица находится во всех возможных состояниях, пока не измерена, до измерения же у частицы нет никакого конкретного состояния.  После же измерения объект уже не находится в состоянии суперпозиции и не может интерферировать, как в опыте с двумя щелями. В результате эффекты квантовой запутанности при переходе объекта от всех возможных состояний к одному конкретному полностью пропадают. Условием возникновения запутанности, не дающей волновой функции коллапсировать на корпускулы является суперпозиция, причем абсолютная корреляция между субатомными частицами при измерении наблюдается лишь тогда, когда они находятся в запутанном состоянии.

Таким образом, Копенгагенская интерпретация квантовой механики является как бы неким обобщением теории вероятностей с тем отличием, что здесь нет, как, например, при игре в кости, скрытых механизмов или параметров, посредством которых можно было бы предсказать результат измерения в результате коллапса волновой функции. Это означает, что в квантовой механике результат измерения принципиально недетерминирован, поскольку представляет собой случайный выбор одного из состояний волновой функции, после которого происходит ее коллапс.

Вместе  с тем, если система окажется запутанной со всем окружающим миром субатомных частиц, тогда разные части волновой функции окажутся без какого-либо коллапса полностью изолированными друг от друга, как бы находясь в разных мирах, при условии описания Вселенной одной волновой функцией.  В этом и состоит суть второй по значимости многомировой интерпретации трактующей коллапс, как процесс декогеренции, исключающий возможность восстановить первоначальное состояние системы. Причем при каждом ее коллапсе в результате декогеренции ветви волновой функции порождают не взаимодействующие с нашим миром новые миры, в каждом из которых выполняется свое вычисление, чем и объясняется квантовый параллелизм. Необходимо, однако отметить, что в серьезных исследованиях гипотеза о множестве миров почти не затрагивается или затрагивается с большой долей скептицизма. И для этого имеются серьезные основания, если учесть, что при отсутствии измерения субатомная частица в двухщелевом эксперименте  ведет себя, как волна, способная пройти  через обе щели и интерферировать сама с собой, а при измерении, как неспособная к интерференции корпускулярная частица, способная пройти лишь через одну из щелей.

В данное время, по настоящему, устойчиво работающего квантового компьютера пока нет. Имеются какие-то прототипы, варианты, но они очень далеки от реальных возможностей полноценного квантового компьютера. Это ребенок, который родился, но еще не умеющий ходить и говорить. Ситуация чем-то напоминает 1939 год, когда мир стоял на пороге создания атомной бомбы, и лишь ограниченный круг ядерных физиков  понимали разрушительную силу этого оружия. Сейчас тоже лишь небольшой процент общества понимает возможности квантового компьютера, которые могут радикально изменить нашу жизнь. 

В частности, использование квантового компьютера в изобретательском творчестве позволит ускорить создание изобретений в сфере устройств по распознаванию голоса, разработки новых эффективных материалов и медикаментов, создания роботизированных устройств, устройств навигации и распознавания формы объектов, моделирования изменения климата, и контроля трафика. Благодаря квантовому компьютеру открывается возможность использования нейронной технологии передачи данных, которое позволит напрямую связать наш мозг с Интернетом и облачным хранилищем информации. Это означает, что Интернет в будущем будет и квантовым и нейронным. В исследовательских лабораториях, где требуется обработка большого объема данных, криптографических и оптимизационных задач, квантовый компьютер будет незаменимым устройством. Его использование может привести к радикальному изменению какой-либо отрасли производства или технологии. Особенно сильно квантовый компьютер ускорит совершенствование искусственного интеллекта на основе машинного обучения. В данное время насчитывается более 150 научно-производственных сфер, в которых квантовый компьютер найдет успешное применение. Однако на самом деле по мере совершенствования квантового компьютера  возможности его использования будут неизмеримо больше.

                Использованная литература

1. Ожигов Ю.И. Квантовый компьютер. // Издательство московского университета, 2023.
2.  Коробченко Е.В. Квантовый Компьютер: Основные Понятия, Класс Решаемых Задач, Перспективы Развития // Экономическая безопасность и качество // № 3 (32), 2018.С. 48-51
3.  Сколько измерений имеет пространство из 3 кубитов? // компьютерный ресурс // https://ru.eitca.org/ Дата обращения 23.12.2024
4.  Dionisdimetor. Квантовый компьютер: его превосходство, несходство и недосходство в сравнении с классическим // Электронный ресурс // 16 сен 2023 // https://habr.com/ru/articles/761440/
5.  Кротов М. Квантовый компьютер за 13 минут.  Проблемы, как они устроены // Дата обращения: 21.12.2024 
6. Квантовый компьютер. Электронный ресурс // https://postnauka.org/themes/kvantovyiy-kompyuter // Дата обращения: 21.12.2024 
7. AVS Quantum Science (doi: 10.1116/5.0073075) // 25.01.2022. https://habr.com/ru/companies/itsumma/news/650761/
8.  Копенгагенская интерпретация квантовой физики и объективная реальность // Электронный ресурс //  https://dzen.ru/a/ZNOSW4_thRTc9tbU Дата обращения 08.12.2024
9. Коробко М. Многомировая интерпретация квантовой механики // Электронный ресурс //  https://habr.com/ru/articles/444880/ Дата обращения 07.12.2024