Дойде ли началото на квантовите компютри?

Ако се вярва на публикациите в масовите медии от последните седмици, с класическите компютри е свършено. След анонса на Google, в който компанията твърди, че е постигнала феномен, известен като „квантово превъзходство“, вечно жадната за сензации преса побърза да обяви края на добрите стари, базирани на силициеви чипове изчислителни машини и започна да мечтае за светлото кюбит бъдеще, в което всеки от нас се разхожда с квантов лаптоп под ръка.

За съжаление (или може би за щастие) реалността на фактите е доста по-различна от гръмките, бомбастични заглавия. Постижението на Google е безспорно важна стъпка напред по отношение на квантовите компютри, но изпълнителният директор на компанията Сундар Пичай неслучайно го сравни с първия полет на братя Райт. Когато на 17 декември 1903 г. Орвил за пръв път в човешката история успява да отлепи от земната повърхност своя моторен летателен апарат, той остава във въздуха едва… 12 секунди. Следват десетилетия на усилена работа, преди въздухоплаването да се превърне в надеждната и общодостъпна форма на транспорт, която всички познаваме днес.

Квантови технологии?

Макар за тези екзотични машини, използващи определени „странности“ на квантовата физика, да се говори и пише от години, за повечето хора те остават мистерия. Една от причините, разбира се, са доста сложните принципи, на които се базира тяхната работа. Класическите компютри, които днес всеки от нас носи в джоба си под формата на смартфон, използват бинарен принцип за съхранение и кодиране на информацията. Иначе казано, те боравят с нули (липса на електрически заряд) и единици (наличие на заряд).

Квантовите компютри обаче използват базова единица, известна като кюбит (или квантов бит). Те се създават чрез използване на различни физични системи като например отделен атом или фотон. За разлика от класическия бит, който, както вече споменахме, може да има само две стойности (0 и 1), един кюбит може да заема множество различни състояния едновременно – свойство, известно като „квантова суперпозиция“. Различните кюбитове се намират в комплексна взаимосвързаност – феномен, познат под наименованието „квантово заплитане“.

В резултат от тези две свои специфични особености един квантов бит може да бъде нула и единица едновременно. Благодарение на това квантовите компютри могат да извършват множество изчисления успоредно, което (поне на теория) ги прави несравнимо по-бързи и ефикасни от класическите изчислителни машини.

За един стандартен компютър например осем бита са достатъчни за кодиране на всяко число между 0 и 255. Осем кюбита обаче стигат на квантов компютър да кодира всички числа от 0 до 255 едновременно. По този начин няколкостотин „заплетени“ в квантова зависимост кюбита могат да боравят с повече числа, отколкото атоми има в познатата ни вселена.

Точно в това квантовите превъзхождат сериозно класическите компютри – когато става дума за задачи, свързани с проследяване на огромен набор от възможни комбинации, те могат да извършат необходимите изчисления едновременно, докато на традиционните компютри ще се наложи да извършват тези калкулации последователно и да ги отмятат една по една.

Квантово превъзходство

Точно в това се заключва и постигнатото от квантовия компютър на Google.

Конструираният от тях масив, включващ 54 кюбита, е бил натоварен с конкретна, строго специфична задача, която системата е решила за 3 минути и 20 секунди. Става дума за относително просто (на теория) задание, целта на което е да се провери дали група числа действително са разпределени на случаен принцип, т.е. между тях няма никаква зависимост. Според Google подобна проверка би отнела на най-мощния съвременен суперкомпютър – създадения и управляван от IBM Summit, около 10 000 години!

Разбира се, IBM побързаха да оспорят това твърдение. Според тях при изчисленията си Google не са взели под внимание общия масив памет, който при необходимост може да адресира Summit. От компанията твърдят, че с използване на специално написан алгоритъм техният суперкомпютър всъщност може да се справи с тази задача за около 2.5 дни.

Тъй като концепцията за „квантово превъзходство“ обаче се заключава в практическо доказателство, че една квантова машина може да реши определена задача по-бързо, отколкото дори най-мощният класически компютър, в крайна сметка няма особено значение дали става дума за хиляди години или за броени дни. Фактите са категорични – за пръв път в историята квантов компютър изпреварва най доброто, на което е способна модерната изчислителна технология, базирана на силиций. С други думи – постигнато е „квантово превъзходство“.

12 секунди във въздуха

Скокът – дори теоретично – от една изолирана изчислителна задача в лабораторни условия до практическа, действаща кюбит система обаче все още е, меко казано, огромен.

Самите Google признават, че постигането на квантово превъзходство е едва първата стъпка към създаване на действително работеща квантова машина, от която да има някаква реална полза.

За момента квантовите компютри са все още повече красиво пожелание, перспективна нова технология, която обаче има не просто ограничено, а нулево практическо приложение. Добър илюстративен пример за друго подобно научно постижение е т.нар. свръхпроводимост. Това е широко известно свойство на определени материали практически да провеждат електричество, без да оказват съпротивление (т.е. без загуба на заряда), когато са поставени в условия на свръхниски температури – най-често около 30 келвина (минус 243,15 градуса по Целзий).

Проблемът е, че охлаждането на един супер проводник до подобни екстремни стойности изисква огромно количество енергия – значително повече от потенциалните загуби, които неговата свръхпроводимост може да компенсира. А това (поне за момента) обезсмисля повечето варианти за практически масово комерсиално приложение на тази уникална физическа характеристика.

От квантово превъзходство към квантово съвършенство

За какво все пак бихме могли да използваме един действащ, комерсиално достъпен квантов компютър? Една много специфична особеност на квантовите машини е, че те са адски добри в изпълнението на определени задачи и напълно безполезни да други.

Тяхната сила е в полето на изчисления, включващи огромно количество комбинации, намиращи се под влияние на множество случайни фактори. Ако се чудите къде точно бихте могли да откриете подобни задачи – просто се огледайте наоколо. Както правилно отбелязва един от най-блестящите физици на нашето време – Ричард Файнман: „Природата не е класическа, по дяволите и ако искате да създадете нейна симулация, най-добре е да я направите квантовомеханична“.

Да вземем за пример една химична реакция. Силите, молекулите и частиците, участващи в нея, се намират под влиянието на огромен набор от различни външни фактори и въздействия. Затова всеки опит за изкуствена симулация на нейното протичане бързо води до генериране на практически безкрайно множество от различни комбинации, които могат да поставят на колене дори най-мощния класически компютър.

Те обаче не представляват предизвикателство за една квантова машина. Според Microsoft симулация на поведението само на една водна молекула може да изисква над 16 000 бита, когато за целта се използва класически компютър. Един квантов масив обаче може да извърши същия брой операции само с 24 кюбита. Това означава, че бъдещи квантови компютри с разумен брой кюбитове – от няколкостотин до няколко хиляди, биха могли да изстрелят изследванията в областта на химичния синтез с десетилетия напред. С тяхна помощ много използвани в момента производствени процеси (например за разработката на изкуствени торове) биха могли да се оптимизират значително, да се направят несравнимо по-евтини и енергоефикасни.

Квантовите компютри биха могли да ни помогнат да разберем по-добре и други природни феномени, които в момента са познати и добре описани, но същността им, специфичният им принцип на действие все още ни убягва. За един такъв пример вече споменахме – явлението свръхпроводимост.

Разбира се, възможните сфери на приложение засега са също толкова неясни и трудни за прогнозиране, колкото и бъдещето на самите квантови компютри. Ако погледнем не чак толкова назад във времето, масовите днес изчислителни машини са били разработени с една строго специфична задача наум – да се използват за разбиване на нацистките военни кодове в годините на Втората световна война. Едва ли дори гений като Алан Тюринг би могъл да прогнозира, че по-малко от половин век по-късно всеки от нас ще разполага с миниатюрен джобен компютър, значително по-мощен от неговата електромеханична „Бомба“.

При всички случаи на квантовите компютри им предстои да изминат още дълъг, много дълъг път, преди да се превърнат от концептуално интересни, но скъпи и непрактични научни играчки в реален, практически полезен инструмент.

Дори най-оптимистичните прогнози на учените и инженерите, работещи в тази сфера, твърдят, че това може да се случи най-рано след още две или три десетилетия.

Дотогава добрите стари, базирани на силиций машини ще продължат да бъдат основното ни средство за извършване на комплексни изчисления.

източник: hicomm