Квантовият компютър - как работи и защо е труден за обяснение

Темата за квантовите компютри, свързаните с тях кюбитове и квантово заплитане, както и потенциалните ефекти върху сигурността, квантовата криптография се завърта от време на време из медиите, но обикновено е откъслечна и с акцент върху определен аспект на тази задаваща се технология. В редовете по-долу сме се поставяли да обясним накратко какво представляват и какво да очакваме от тези задаващи нов тип изчислителни системи.

#Мистериозната квантова механика

#Обещаващи симулации и риск за сигурността

#Квантовите компютри надали ще заменят традиционните

#Кои са потенциалните сфери на употреба?

Компютърните технологии изминаха дълъг път през последните няколко десетилетия. Компютрите стават все по-малки и по-мощни, с експоненциално увеличаваща се изчислителна мощ, която дава на човечеството възможности за значителен напредък в много области. Постепенно обаче се доближаваме до физическите граници на размера на компютърните чипове, което означава, че имаме нужда от нови решения, които да се използват. Квантовите изчислителни системи може би са именно такава технология

Концепцията е сравнително нова и доскоро беше предимно теоретична област. Първият комерсиален квантов компютър, базиран на т.нар. квантова верига, беше представен през 2019 г. от IBM. През същата година учени от Google също обявиха, че техният квантов компютър работи на ниво отвъд традиционните суперкомпютри.

Според IBM квантов компютър, съдържащ 275 кюбита, би му позволил да представи повече изчислителни състояния от броя на атомите в известната вселена. В компютърните науки състоянието на цифрова логическа схема или компютърна програма е технически термин за цялата съхранена информация, до която системата или програмата в момента има достъп.

Мистериозната квантова механика

Както си личи още от името, квантовите компютри са сложна за разбиране област от неспециалисти. За да се добие представа за това как работят такива машини, трябва да се изчистят няколко ключови концепции:

Кюбит

Горната дума може да ви изглежда позната, дори за пръв път да чувате за квантови изчисления. Традиционните компютри са изградени на базата на информационна единица, наречена бит (съкратено от binary digit - "двоична цифра"). Те могат да се разглеждат като състояния на "включено" или "изключено", като в двоичен код се представят като единици или нули.

В квантовите изчисления базовата единица се нарича кюбит (съкратено от quantum bit - "квантов бит"). Той може да представлява квантово-механична система с две състояния. Например въртенето на един електрон може да бъде измерено като нагоре или надолу, или един фотон, който може да е поляризиран хоризонтално или вертикално.

Суперпозиция

За разлика от традиционните битове, които могат да бъдат със стойност 0 или 1, кюбитовете могат да съществуват и както в едно от тези състояния, така и в комбинация от двете едновременно. Това явление, известно като кохерентна суперпозиция на тези стойности, означава, че всякакви комбинации могат да съществуват едновременно.

Когато е налице система от много кюбитове, способността да поддържат всички възможни конфигурации на информацията наведнъж означава, че сложните проблеми могат да бъдат представяни много по-лесно, отколкото чрез традиционните изчислителни методи.

Квантово заплитане

Друга ключова част от квантовите изчисления е ефект, известен като квантово заплитане. Това е физичен феномен, при което се създава корелация между елементарни частици. Когато две или повече такива са заплетени, промяната на една от тях може да повлияе на останалите, дори ако са разделени от голямо разстояние, все едно са свързани помежду си.

В квантовия компютър заплитането се използва като вид изчислителен умножител за кюбитове. Чрез заплитане на повече частици способността на системата да прави изчисления нараства не линейно, а експоненциално. Ако един кюбит е в суперпозиция между две възможни стойности, при два кюбита броят им нараства на четири, а при система от двадесет кюбита възможните стойност са вече един милион.

Обещаващи симулации и риск за сигурността

Налице са обаче някои явни техни предимства, поне на теория. На първо място тези машини обещават скорост, поне за определени задачи. При правилно подбрана задача обаче се счита, че квантовите компютри имат потенциала да осигурят изчислителна мощност в мащаб, който традиционните компютри не могат да достигнат. Например да обработват за минути данни, които на съвременен суперкомпютър биха отнели хилядолетия.

Друго тяхно предимство е, че могат да се справят със сложни проблеми. Благодарение на описаните концепции за суперпозиция и заплитане квантовите компютри могат да отчетат всички променливи и сложности, за да достигнат до решение.

Например ако на традиционен компютър бъде поставена задача да намери изхода от лабиринт, той ще опита всяко разклонение поред, отмятайки всеки вариант поотделно, докато не намери правилния. Един квантов компютър може да мине по всяка пътека на лабиринта едновременно.

Счита се още, че квантовите изчисления са особено подходящи за сложни симулации. Скоростта и сложността, които квантовите изчисления могат да постигнат, означава, че на теория квантовият компютър може да пресъздава много сложни системи, което на свой ред може да доведе до важни открития.

Квантовите компютри надали ще заменят традиционните

Квантовите компютри са трудни за проектиране, изграждане и програмиране. Нещо повече, природата на квантовата физика означава, че са податливи на грешки, загуби на квантови състояния и др. В момента повечето такива системи се нуждаят от много специфичен набор от условия и уникални компоненти, масивни охладителни системи.

Квантовите компютри са склонни към грешки. Естеството на квантовата механика и кюбитовете е такова, че както фактори от околната среда могат да доведат до грешки и загуба на квантово си състояние (процес, известен като декохеренция), което на практика означава загуба на информация.

Също така кюбитовете не са цифрови битове данни и при тях не може да се използва конвенционална корекция на грешки. Към момента за работата на единичен логически кюбит са необходими още поне четири такива за коригиране на грешки.

Не на последно място квантовите компютри са подходящи само за конкретни задачи. Поради естеството на начина им на работа не се очаква те да предложат предимства във всички области на компютърните изчисления.

Кои са потенциалните сфери на употреба

Сред потенциалните сфери на използване на квантовите компютри може да е например молекулярното моделиране, нещо, което е сложно дори за съвременните суперкомпютри. Друга потенциална сфера е търсенето в големи масиви от данни. Квантовите системи обещават също така и подобрени метеорологични прогнози.

Според някои квантовите системи имат потенциала да ускорят развитието на изкуствения интелект. Google вече ги използва за подобряване на софтуера на самоуправляващи се автомобили.

Предвижда се, че един напълно функциониращ квантов компютър потенциално може да се използва за разбиване на повечето съществуващи форми на криптиране, което би създало огромни трудности тази сфера. В момента много системи за криптиране разчитат на трудността при разлагането на големи числа на прости множители. Това се нарича целочислен факторинг и за класическите компютри е бавно, скъпо и непрактично. Но квантовите компютри могат да го направят лесно. И това може да изложи потребителски и корпоративни данни на риск, тъй като стои основата за една от най-популярните форми на криптиране на данни, наречена RSA. Можете да дешифрирате защитата на RSA само чрез факториране на произведението на две прости числа. Всеки прост множител обикновено е дълъг стотици цифри и те служат като уникални ключове към математически проблем, който е на практика неразрешим, тъй като би отнел огромно количество време, без да знаем отговорите предварително. Разбира се, учени вече работят върху специална квантова криптография.

Според някои учени квантовите компютри биха могли един ден да заменят силициевите чипове, точно както някога транзисторът замени електронните лампи. Паралелно с това, вероятно никога няма да имате квантов в компютъра или смартфона.

В момента най-добрите квантови компютри имат около 50 кюбита. Това е достатъчно, за да ги направи невероятно мощни, защото всеки добавен кюбит означава експоненциално увеличение на капацитета за обработка. Но те също така все още страдат от висок процент грешки поради проблеми със смущенията.

Засега технологията, необходима за разработването на устойчива и готова за пазара такава изчислителна система, е извън нашите възможности. Повечето изследвания в областта на квантовите изчисления все още са теоретични. Засега бъдещето им е неопределено