Представьте машину, которая работает при температуре ниже, чем в открытом космосе. Вокруг неё - криостаты, кабели и абсолютная тишина. И эта штука не рисует котиков и не майнит биткоины.

Эта машина - квантовый компьютер. И она уже решила задачу, на которую обычному суперкомпьютеру понадобилось бы… 10 септиллионов лет. Это число с 24 нулями.

Квантовый компьютер — это как ноутбук, только с суперспособностью быть «и включён, и выключен» одновременно.

Что такое квантовый компьютер и как он сломает всё, что мы знали, давайте разбираться!

Компьютер, который холоднее космоса

Представьте машину, которая работает при температуре −273 °C — холоднее, чем в среднем температура в открытом космосе Для справки: открытый космос в среднем имеет температуру 2,7 Кельвина (−270,45 °C).

Стоит она в лаборатории Google, окружена кабелями, криогенными установками и абсолютной тишиной.

Квантовый процессор Google Willow взял и решил сложнейшую математическо-физическую задачу за 5 минут. Ту самую, которая потребовала бы у обычного суперкомпьютера... около 10 септиллионов лет. Это столько, сколько во Вселенной не прожила ни одна молекула. Это и называется квантовое превосходство — когда обычные компьютеры говорят: «Не, мы пас». (про саму задачу - уточнил в конце статьи в сноске)*.

«Что если я скажу вам, что существует компьютер, который работает во всех возможных вселенных одновременно?» — так начал выступление Хартмут Невен, глава квантовой лаборатории Google на технологической конференции TED.

Момент, с которого стало понятно: мы вступили в новую эру. Давайте разберемся, что имел в виду ученый. Для этого нам сперва надо разобраться в устройстве квантового компьютера. Обещаю максимально упростить рассказ об этом, в общем то, весьма сложном и хитроумном устройстве.

Что такое квантовый компьютер простыми словами

Квантовый компьютер — это не апгрейд ноутбука. Это принципиально другое устройство.

В обычном компьютере всё крутится вокруг битов — они либо 0, либо 1, как выключатель. Ток есть - 1, тока нет - 0. Через последовательность единиц и нулей кодируются вся информация.

А в квантовом — кубиты. И вот тут начинается магия.

Кубит может быть 0, 1 и… где-то между. Он как монетка, которую подбросили, и пока она в воздухе — она и орёл, и решка одновременно. Это называется суперпозицией.

А если два кубита «дружат» между собой, то что бы ни случилось с одним — мгновенно отразится на другом. Даже если между ними огромное расстояние.

Если продолжить аналогию с монеткой, представьте, вы подбрасываете ее в Москве, а ваш друг - во Владивостоке. И у вас одновременно выпадает орел. А потом решка и т д. В общем - одинаковый результат, как будто ваши монетки договорились между собой.

Это и есть квантовая запутанность.

Именно поэтому квантовый компьютер может проходить все пути лабиринта одновременно, в отличие от обычного, который плетётся по одному. Вот почему он и быстрее, и мощнее.

В начале вычисления кубиты переводятся в состояние суперпозиции и квантовый компьютер одновременно обрабатывает множество решений. Специальные алгоритмы усиливают вероятность правильного ответа, а амплитуды вероятностей для неверных ответов взаимно уничтожаются. После завершения вычислений суперпозиция "схлопывается", и система выбирает одно конкретное состояние.

Плюс схемы очевиден - мы не проходим последовательно все пути, поэтому и решаем вопрос быстро. Минус схемы - ответ мы получим не 100% точный, а вероятностный. Пусть и с высокой долей верного результата.

Кратко подведу итог главы и поясню фразу про все Вселенные.

Это похоже на то, как если бы вы искали выход из лабиринта не по одной дорожке, а сразу по всем путям одновременно, и сразу находили правильный.

Квантовый компьютер использует законы квантовой физики, чтобы выполнять вычисления сразу во всех возможных вариантах, словно бы «во всех вселенных одновременно».

Любой шум их ломает

Вы когда-нибудь видели компьютер, работающий в холодильнике? А в лаборатории квантовой физики стоят сплошные морозильники. Причина проста: квантовые состояния хрупкие, их легко «сломать» теплом или шумом. Это называется декогеренция. Кубит начинает «глючить» от малейшей вибрации, любой минимальной энергии. Ведь температура - это энергия, и она нам тут мешает.

Поэтому такие машины работают при –273 °C, на грани абсолютного нуля (−273,15 °C - это температура абсолютного нуля, ниже уже не существует в природе).

Иначе квантовый эффект улетучивается за наносекунды.

Но прогресс идёт. Например, конгломерат ученых из Австралии и Германии в компании Quantum Brilliance уже тестирует алмазные кубиты, которые работают при комнатной температуре. А Microsoft делает топологические кубиты, устойчивые к ошибкам и холоду. Холод скоро может уйти в прошлое — ну или стать чуть менее смертельным.

Это важно потому, что заметно упростит создание более мощных квантовых компьютеров. Ведь сверхнизкую температуру поддерживать трудно и дорого.

Кто в квантовой гонке впереди

Если вы думали, что квантовые компьютеры — это про науку и чистую теорию, то… ну, не совсем. Это ещё и гонка между странами, сравнимая с ядерной и космической.

На первом месте американцы - сразу несколько технологических компаний.

Китай не отстаёт. Zuchongzhi 3.0 — 105 кубитов с точностью 99,9%.

Европа и Россия тоже не дремлют: D-Wave уже имеет в строю систему с 5000+ кубитов, а в России «Росатом» тестирует 50-кубитные машины с нестандартным (недвоичным) кодом.

Вот так выглядит текущая технологическая гонка.

К табличке нужно пояснение. Несмотря на лидерство канадско-американской D-Wave, технологически она отстает от IBM. Все потому, что ее квантовый компьютер построен на технологиях, которые позволяют решать лишь узкие задачи. IBM же разработал универсальный квантовый компьютер для решения любых задач.

Россия: в топ-7 по числу рабочих систем. Уже построены ионные и атомные платформы, есть планы по 1000-кубитным системам к 2030 году.

Надо отдать должное - в России про квантовые компьютеры не забывают. Все-таки физика и инженерия у нас остается на высоком уровне, даже когда отечественная наука переживает не лучшие годы.

Есть еще более узкие, локальные варианты. Например, Германия запускает мобильные квантовые компьютеры. Немцы используют технологию D-Wave (которая первая в нашей табличке). В Японии Fujitsu + RIKEN сделали 256-кубитный монстр для бизнеса и науки.

Давайте разберем, как можно на практике применять квантовые компьютеры. С учетом того, что скоро из лабораторий они перейдут в обычную жизнь и начнут решать наши проблемы. Ну или создавать новые.

Медицина будущего: лечить не догадками, а уравнениями

Помните, как раньше лекарства разрабатывали десятилетиями — методом проб и ошибок? Это действительно занимает много времени. Нужно найти химическую формулу. Потом придумать, как это доставить в нужное место в организме, чтобы лекарство не метаболизировалось в печени например или не растворилось по дороге.

С квантовыми компьютерами это может уйти в прошлое.

Квантовый компьютер — это как микроскоп, который «заглядывает» внутрь химической реакции и видит, как именно молекулы взаимодействуют. То, что раньше требовало 10 лет и миллиард долларов, теперь можно симулировать за месяцы.

Чем быстрее развиваются квантовые компьютеры, тем ближе прорыв в медицине.

А ещё — персонализированная медицина. Представьте: анализ вашего генома и подбор лечения, как если бы вы заказывали костюм по меркам. Без побочек, без угадываний.

Идеальная профилактика заранее, которая не допустит развития болезней.

Вечная батарейка

Климат, энергетика, переработка отходов — всё это упирается в вычисления. Предсказать климат на 10 лет вперёд? С точностью 93%, не 50 на 50, как сейчас.

Смоделировать новый сверхпроводник, работающий без охлаждения? Реально.

А ведь представьте, с таким сверхпроводником мы получим идеальные поезда (трения и сопротивления то не будет), которые будут ездить со скоростью от 600 до 2000 (есть и такие проекты!) км/ч. Путешествия станут намного доступнее.

А экономия денег - за счет идеального расчета потребляемой энергии.

Проблемы логистики также будут решены. Чтобы везде всё доставлялось вовремя. Это поможет избежать потерь времени и снизит затраты.

Квантовый Апокалипсис? Новая криптобезопасность!

Существует так называемый алгоритм Шора. Он может сломать всё, что сейчас защищает ваши пароли, банковские счета и переписку.

Если кратко, то алгоритм Шора — это способ, придуманный для квантовых компьютеров, чтобы быстро раскладывать большие числа на простые множители. Квантовый компьютер использует суперпозицию и запутанность кубитов, чтобы одновременно проверить все возможные значения и быстро найти нужную комбинацию. И взломать пароль за минуту (да, да, почти, как сейчас хакеры это делают в кино) А обычный компьютер перебором вариантов может решать такие задачи годами (в лучшем случае).

Но на это уже готовится ответ в сфере квантовой кибербезопасности. С помощью запутанных частиц можно передавать данные так, что подслушать их невозможно — информация «разваливается» при попытке подглядывания.

В физике есть так называемый принцип неопределенности Гейзенберга. Он гласит, что невозможно точно измерить и скорость и положение частицы. Только что-то одно. Поэтому и обмануть потенциальных взломщиков все равно будет возможно. Но для этого надо обязательно развивать системы защиты.

Фантастический прогресс в нейросетях

Машинное обучение — это про большие данные. Очень большие. Классические компьютеры справляются, но порой с натугой. Квантовые алгоритмы ускоряют обучение в сотни и тысячи раз.

Китайские учёные показали: эффективность обучения выросла на 8,4%, а количество параметров модели сократилось на 76%. Это как если бы вы выучили английский за месяц, а не за 5 лет.

А гибридные системы — когда квантовый и обычный компьютер работают вместе — уже сегодня тестируются в лабораториях NASA и Google. Будущее, где ИИ станет похож на нас… или на кого-то умнее, — не так далеко, как кажется.

Профессии будущего: кто будет зарабатывать на квантах

Квантовый инженер. Квантовый программист. Исследователь квантовой криптографии.

Где учиться? В России — МИФИ, СПбГУ, МГУ, РКЦ. Если не пугают формулы и вас манит фраза «работаю с квантами» — вперед.

Будет ли квантовый компьютер у нас дома?

Короткий ответ: нет. Длинный — может быть… в облаке.

Собственный квантовый ПК — штука крайне дорогая (от $50 000 за два кубита), тяжёлая и требующая минус 273 градусов. Но уже сейчас можно воспользоваться облачными квантовыми сервисами. Пиши код — и запускай его на настоящем квантовом железе.

Домашние квантовые компьютеры? Не раньше 2040-х. И то — вряд ли он появится в формате «поиграть в Ведьмака». Квантовая мощь будет использоваться как «ускоритель» в фоне — для задач ИИ, логистики, безопасности. Вы не заметите, но она будет.

Квантовые компьютеры не просто считают быстрее. Они считают иначе. Это как перейти от шахмат к четырёхмерным шахматам. От карт «Дурак» — к покеру с участием параллельных вселенных.

Как когда-то транзистор стал основой цифрового века, так квантовый кубит может стать основой новой эры. Эры, в которой мы моделируем болезнь ещё до того, как она возникла. Где взлом невозможен, потому что информация исчезает при попытке перехвата. Где «невозможно» — это просто «нужно чуть больше кубитов».

И если всё это кажется слишком фантастическим… вспомните, как фантастично выглядел первый смартфон в 1999-м.

Добро пожаловать в квантовую реальность. Она уже включена.

*Примечание: Что это была за математическая задача, которую решил квантовый компьютер? Он выполнил тест под названием random circuit sampling - построил случайную квантовую схему и рассчитал, какие состояния она может выдать и с какой вероятностью.

Важный момент в эксперименте: квантовый компьютер показал, что с ростом числа кубитов ошибки не увеличиваются, а наоборот снижаются. Это настоящий прорыв в создании мощных квантовых машин будущего.

Задача тестовая, практической ценности не имеет. Служит лишь для тестовых нужд - проверять эффективность работы компьютеров.