Квантовое преимущество – это тот рубеж, к которому стремится область квантовых вычислений, когда квантовый компьютер может решать задачи, недоступные самым мощным неквантовым, или классическим, компьютерам.
Квант относится к масштабам атомов и молекул, где законы физики в нашем понимании нарушаются и действуют иные, не поддающиеся логическому объяснению законы. Квантовые компьютеры используют эти странные особенности поведения для решения задач.
Существуют некоторые типы задач, которые классические компьютеры решить не в состоянии, например, взлом самых современных алгоритмов шифрования. Исследования последних десятилетий показали, что квантовые компьютеры способны их решать.
Если удастся создать квантовый компьютер, который действительно решит одну из этих задач, то он продемонстрирует квантовое преимущество.
Я – физик, изучающий квантовую обработку информации и управление квантовыми системами.
Содержание
Я считаю, что этот рубеж научно-технических инноваций не только обещает революционные достижения в области вычислений, но и представляет собой более широкий всплеск развития квантовых технологий, включая значительные достижения в области квантовой криптографии и квантового зондирования.
Источник силы квантовых вычислений
Центральным элементом квантовых вычислений является квантовый бит, или кубит. В отличие от классических битов, которые могут находиться только в состоянии 0 или 1, кубиты могут находиться в любом состоянии, представляющем собой некоторую комбинацию 0 и 1. Такое состояние, в котором нет ни 1, ни 0, называется квантовой суперпозицией. С каждым дополнительным кубитом число состояний, которые могут быть представлены кубитами, удваивается.
Это свойство часто ошибочно принимают за источник мощности квантовых вычислений. На самом деле все сводится к сложной игре суперпозиции, интерференции и запутанности.
Интерференция предполагает манипулирование кубитами таким образом, чтобы их состояния конструктивно сочетались в процессе вычислений для усиления правильных решений и деструктивно – для подавления неправильных ответов.
Конструктивная интерференция – это то, что происходит, когда пики двух волн, например звуковых или океанских, объединяются, создавая более высокий пик. Деструктивная интерференция – это то, что происходит, когда пик волны и ее впадина объединяются и отменяют друг друга.
Квантовые алгоритмы, которые немногочисленны и сложны в разработке, задают последовательность интерференционных картин, позволяющих получить правильный ответ на поставленную задачу.
Запутанность устанавливает однозначную квантовую корреляцию между кубитами: состояние одного из них не может быть описано независимо от других, как бы далеко друг от друга они ни находились. Это то, что Альберт Эйнштейн в свое время назвал “жутким действием на расстоянии”.
Коллективное поведение запутанности, управляемое квантовым компьютером, позволяет увеличить скорость вычислений, недоступную классическим компьютерам.
Области применения квантовых вычислений
Квантовые вычисления имеют целый ряд потенциальных применений, в которых они могут превзойти классические компьютеры. В криптографии квантовые компьютеры представляют собой одновременно и возможность, и вызов. Наиболее известным является тот факт, что они способны расшифровывать современные алгоритмы шифрования, например широко используемую схему RSA.
Одним из следствий этого является то, что современные протоколы шифрования должны быть перестроены таким образом, чтобы быть устойчивыми к будущим квантовым атакам. Осознание этого факта привело к появлению развивающейся области постквантовой криптографии.
После длительного процесса Национальный институт стандартов и технологий недавно отобрал четыре устойчивых к квантовым атакам алгоритма и начал процесс их подготовки, чтобы организации по всему миру могли использовать их в своих технологиях шифрования.
Кроме того, квантовые вычисления могут значительно ускорить квантовое моделирование: возможность предсказывать результаты экспериментов, проводимых в квантовой области. Известный физик Ричард Фейнман предвидел такую возможность более 40 лет назад.
Квантовое моделирование открывает возможности для значительного прогресса в химии и материаловедении, помогая в таких областях, как сложное моделирование молекулярных структур для создания лекарств и открытие или создание материалов с новыми свойствами.
Еще одним направлением использования квантовых информационных технологий является квантовое зондирование: обнаружение и измерение таких физических свойств, как электромагнитная энергия, гравитация, давление и температура, с большей чувствительностью и точностью по сравнению с неквантовыми приборами.
Квантовое зондирование имеет огромное количество применений в таких областях, как мониторинг окружающей среды, геологическая разведка, медицинская визуализация и наблюдение.
А инициативы по созданию квантового Интернета, объединяющего квантовые компьютеры, являются важнейшими шагами на пути к сближению квантовых и классических вычислений.
Эта сеть может быть защищена с помощью квантовых криптографических протоколов, таких как квантовое распределение ключей, которое обеспечивает сверхбезопасные каналы связи, защищенные от вычислительных атак, в том числе с использованием квантовых компьютеров.
Несмотря на растущий набор приложений для квантовых вычислений, разработка новых алгоритмов, в полной мере использующих преимущества квантовых вычислений, в частности в машинном обучении, остается важнейшей областью постоянных исследований.
Сохранение когерентности и преодоление ошибок
Область квантовых вычислений сталкивается с серьезными препятствиями в разработке аппаратного и программного обеспечения. Квантовые компьютеры очень чувствительны к любым непреднамеренным взаимодействиям с окружающей средой. Это приводит к явлению декогеренции, когда кубиты быстро переходят в состояния 0 или 1, характерные для классических битов.
Создание крупномасштабных квантовых вычислительных систем, способных реализовать обещание квантового ускорения, требует преодоления декогеренции. Ключевым моментом является разработка эффективных методов подавления и исправления квантовых ошибок – область, которой посвящены мои собственные исследования.
Для решения этих задач наряду с такими признанными игроками технологической отрасли, как Google и IBM, появилось множество стартапов в области квантового оборудования и программного обеспечения.
Повышенный интерес со стороны промышленности, а также значительные инвестиции со стороны правительств по всему миру свидетельствуют о коллективном признании преобразующего потенциала квантовых технологий. Эти инициативы способствуют формированию богатой экосистемы, в которой сотрудничают научные и промышленные круги, ускоряя прогресс в данной области.
Квантовое преимущество становится очевидным
Квантовые вычисления могут однажды стать таким же разрушительным явлением, как появление генеративного ИИ. В настоящее время развитие технологии квантовых вычислений находится на переломном этапе.
С одной стороны, в этой области уже появились первые признаки достижения узкоспециализированного квантового преимущества. Исследователи из Google, а затем и группа исследователей из Китая продемонстрировали квантовое преимущество для генерации списка случайных чисел с определенными свойствами. Моя исследовательская группа продемонстрировала квантовое ускорение для игры в угадывание случайных чисел.
С другой стороны, существует ощутимый риск вступления в “квантовую зиму” – период сокращения инвестиций, если практические результаты не будут получены в скором будущем.
В то время как технологическая индустрия работает над обеспечением квантовых преимуществ в продуктах и услугах в ближайшей перспективе, академические исследования по-прежнему сосредоточены на изучении фундаментальных принципов, лежащих в основе этой новой науки и технологии.
Продолжение фундаментальных исследований, подпитываемых энтузиазмом новых и ярких студентов, с которыми я сталкиваюсь практически каждый день, гарантирует дальнейший прогресс в этой области.
Дэниел Лидар, профессор электротехники, химии, физики и астрономии, Университет Южной Калифорнии.
Читайте также: Предполагает ли квантовая физика, что вы бессмертны?