Квантовые компьютеры Часть 1

В последнее время в СМИ мы видим всё больше текстов о квантовых компьютерах, часто в связи с криптовалютами. Дескать, невероятная производительность квантовых вычислений грозит взломами блокчейн-алгоритмов. Такие тексты часто написаны рерайтерами, не разбирающимися в сути предмета. Поэтому появился данный пост 🙂.

Для начала хотелось бы обозначить два главных постулата:

1️⃣Квантовый компьютер быстрее обычного только в определённой категории задач. Все истории о том, что квантовый компьютер решил что-то в миллионы раз быстрее обычного, игнорируют тот факт, что сама задача была «адаптирована» под квантовые вычисления. Проще говоря, очень требовательная к ресурсам обычная игра не будет работать быстрее на квантовом компьютере. Традиционный ПК справится с этой задачей лучше.

2️⃣Квантовые компьютеры не разрушат криптоиндустрию. Страшилки в духе «квантовый компьютер взломает биткоин» — это именно страшилки от незнания. Просто традиционная криптография будет заменена на квантово-устойчивую (которая уже давно существует).

◽️На этом можно закончить и перейти ко второй статье о квантовых компьютерах и крипте. Кто хочет подробнее погрузиться в тему, может продолжать 🙂.

➡️ Квантовые вычисления представляют собой довольно простые с точки зрения математики операции в гильбертовом пространстве. Грубо говоря, это работа с матрицами. Любой, кто изучал высшую математику, знает, что матрицы — далеко не самая сложная часть курса. Придумать квантовые алгоритмы сложно, но использовать их довольно просто. Квантовые вычисления в том или ином виде существуют с 1980-х годов. А что действительно невероятно сложно — так это физически создать квантовый компьютер.

Что такое квантовый компьютер?

Принципиальное отличие квантового компьютера от обычного состоит в подходе к единице информации. В классическом компьютере это бит, в квантовом — кубит. Кубит — это квантовая система, способная находиться в суперпозиции двух базовых состояний. Вспомните известного «кота Шрёдингера» , который и жив, и мертв одновременно. Грубо говоря, квантовый компьютер использует ресурс этих состояний, которые существуют параллельно друг другу (и это не абстракция — они действительно существуют до измерения).

✔️Как образно говорят сторонники многомировой интерпретации квантовой физики, вычисления происходят во всех мирах сразу. Таким образом, до измерения ваш кубит существует и в значении 1, и в значении 0.

➡️ Кубит можно представить в виде сферы Блоха (точнее, точек на её поверхности), которая показана на картинке. Вычисления — это операции вращения кубита. Когда кубитов много — это совокупность таких сфер, связанных между собой. Самое сложное в реализации квантовых компьютеров — создать много связанных кубитов в суперпозиции так, чтобы они не подверглись декогеренции (разрушению квантовой запутанности под воздействием внешней среды). Причём нужно уметь проводить операции над этой системой и извлекать результат. Именно поэтому мы до сих пор не видим квантовых компьютеров с числом кубитов, хотя бы отдалённо сопоставимым с числом битов (совокупности транзисторов) в обычных ПК.

➡️ Результат вычислений квантового компьютера выводится в виде 1 или 0 (как в обычном компьютере). Кстати, в квантовых вычислениях есть оператор, называемый оракулом, — да, это отсылка к прорицателям античности 🙂.

◾️В настоящий момент передовые компании, такие как IBM и Google, соревнуются за количество кубитов и снижение уровня ошибок (error rate) в своих квантовых компьютерах. Часто система с меньшим числом кубитов, но более низким уровнем ошибок может работать эффективнее. Кстати, ещё в 2007 году канадская (на тот момент) компания D-Wave Systems представила первый «почти настоящий» квантовый компьютер, и все тогда тоже говорили: «Мир теперь не будет прежним!».

Часть 2 в следующем посте.

Автор текста изучал Quantum Computing у Дэвида Дойча (разработал первый квантового алгоритм), а также у Артура Экерта (один из пионеров квантовой криптографии) и Роджера Пенроуза. Поэтому некомпетентные сообщения в СМИ вызывают у него интеллектуальную боль 😡