І перший стародавній прообраз комп’ютера, і сучасний квантовий комп’ютер здатні моделювати навколишній світ

У 1901 році дайвери підняли з морського дна біля грецького острова Антікітер дивний механізм із шестернями, коліщатками й написами, виготовлений, як з’ясувалося, між 150 та 100 роками до нашої ери. У 2008 році за допомогою рентгенівської томографії та сканування поверхні з високою роздільною здатністю було встановлено, що це стародавній прообраз сучасного комп’ютера, вершина наукових знань стародавнього світу.

Поворот рукоятки приводив бронзові колеса й шестерні в рух. Один набір шестерень розраховував рух Місяця й Сонця, інший передбачав прихід наступного сонячного затемнення. Написи на пристрої позначали рух Меркурія, Венери, Марса, Сатурна та Юпітера. Можливо, частина, що відображає рух планет у космосі, була втрачена. Стародавній аналоговий комп’ютер міг проводити обчислення за допомогою безперервних механічних рухів. Це була спроба змоделювати космос. Можна сказати, що антикітерський механізм — це початок моделювання навколишнього світу, а квантовий комп’ютер — вища стадія його еволюції.

Звичайна фізика пояснює видимі закони світу. Квантова фізика досліджує світ на рівні космосу та найменших частинок. Квантовий комп’ютер для передавання й оброблення даних використовує квантову механіку, зокрема, такі загадкові явища, як квантова суперпозиція й квантова заплутаність. Він, на відміну від звичайного, оперує не бітами зі значеннями або 0, або 1, а кубітами, які можуть мати одночасно обидва значення, і 0, й 1. У цьому його квантова перевага над цифровими комп’ютерами. Кубіт — це найменша одиниця інформації у квантовому комп’ютері, призначена для квантових обчислень.

Якщо класичний процесор у кожен момент може перебувати тільки в одному базисному стані, то квантовий процесор перебуває одночасно в усіх. Це називається квантовою суперпозицією. Для обчислення квантовий комп’ютер використовує не класичні, а квантові алгоритми, такі як квантовий паралелізм і квантова заплутаність, за якої кубіти можуть бути заплутані один з одним. Квантова заплутаність може бути у двох і більше кубітів, між якими є особлива кореляція.

Одну з перших моделей квантового комп’ютера запропонував Річард Фейнман 1981 року, один із найвідоміших фізиків XX століття. Саме він заклав основу для квантової електродинаміки — теорії взаємодії електронів із фотонами. Фейнман помітив, що комп’ютери з часом стають дедалі меншими й меншими, і висловив припущення, що коли-небудь транзистори стануть розмірами з атом. Він вважав, що майбутнє належить крихітним машинам, в яких можна розташувати атоми на свій розсуд.

Ще в школі вчитель познайомив Фейнмана з принципом найменшої дії, який давав змогу по-новому поглянути на класичну фізику. М’яч, що котиться по схилу, може рухатися вниз нескінченною безліччю способів, але шлях, яким він рухається, тільки один. Чому він котиться саме ним?

Згідно з класичною фізикою, потрібно обчислити сили, які діють на м’яч в один момент, і в такий спосіб визначити, куди він покотиться в наступний момент, і повторювати процес, доки м’яч не скотиться. Щоби простежити його шлях, достатньо з’єднати в одне ціле всі послідовні моменти. Сьогодні фізики передбачають подібним чином рух зірок, планет, ракет, бейсбольних м’ячів. Це класична ньютонівська фізика й математика.

Учитель Фейнмана запропонував подивитися на це іншим чином. Він попросив учня намалювати всі можливі траєкторії руху м’яча, навіть найбезглуздіші, наприклад, на край Всесвіту або на Місяць. Потім для кожного шляху потрібно обчислити дію. Траєкторія руху м’яча матиме найменше значення. Якимось чином м’яч «обирає», «винюхує» шлях, що вимагає найменших зусиль. Усе, що потрібно для обчислення траєкторії, — знайти шлях із найменшою кількістю дій.

Згодом Фейнман вирішив перенести принцип найменшої дії на квантову теорію й замість м’яча уявив мишу в лабіринті. Звичайна миша пробувала б один шлях за іншим, щоб вибратися, і витратила б на це купу часу та сил. Але квантова миша в лабіринті обнюхувала (аналізувала) б усі можливі шляхи одночасно. Цей принцип експоненціально збільшує потужність квантового комп’ютера.

Фейнман представив квантову теорію у світлі принципу найменшої дії. Субатомні частинки «винюхують» усі можливі шляхи. Кожен шлях вираховували за допомогою коефіцієнта, пов’язаного з дією, і постійної Планка, потім підсумовували або інтегрували за всіма можливими шляхами.

У 1981 році Фейнман стверджував, що тільки квантовий комп’ютер може змоделювати квантовий процес, але не думав над його конструкцією. Цим зайнявся Девід Дойч з Оксфордського університету, спробувавши застосувати квантову механіку до машини Тюрінга. Фейнман думав над цим, але так і не записав рівняння, а Дойч розробив алгоритм, який міг би працювати на гіпотетичній квантовій машині Тюрінга.

Машина Тюрінга, названа на честь свого творця Алана Тюрінга, — це пристрій, заснований на процесорі, що перетворює число на стрічці на інше число, виконуючи низку математичних операцій. Створена 1936 року, вона працювала як цифровий комп’ютер. У машині Тюрінга була довга стрічка, розділена на комірки, і керуючий пристрій, або головка запису-читання.

Дойч додав квантову теорію до винаходу Тюрінга, в якій класичний біт замінювався б квантовим кубітом. Водночас основні маніпуляції машини залишалися б незмінними, 0 так само змінювався б на 1, а стрічка рухалася взад-вперед. Але кубіт здатний перебувати у двох станах одночасно, а крім того, кубіти можуть заплутуватися між собою, так, що те, що відбувається з одним кубітом, може впливати на інші.

У 1989 році Дойч запропонував концепцію квантового процесора. На системі кубітів записується початковий стан, потім він змінюється за допомогою перетворень, що виконують логічні операції. Наприкінці залишається виміряти значення. У 1995 році Дойч запропонував універсальний логічний блок, за допомогою якого можна виконати будь-які квантові обчислення.

Довгий час, аж до 1990-х років, квантові комп’ютери хвилювали здебільшого фізиків-теоретиків. Але на початку 1990-х математик Пітер Шор довів, що квантовий комп’ютер може зламати будь-який цифровий код, що могло б підірвати світову економіку під час транзакцій через Інтернет. У цифрового комп’ютера на злом провідного коду для секретних передач (стандарту RSA) може піти величезна кількість часу, така, що в результаті потенційні хакери здадуться й махнуть на це рукою. Квантовий комп’ютер може це зробити набагато швидше: він обчислює за багатьма станами одночасно, у багато разів прискорюючи процес.

Робота Шора привернула увагу розвідки, хоча до реальної загрози з боку квантових комп’ютерів було ще далеко. Але про це вирішили подбати заздалегідь, створивши складніший для злому алгоритм. Крім того, уряд США та інших країн планують діяти проти кванта за допомогою інших квантів, тобто використовувати квантову криптографію для захисту від потенційних загроз квантових комп’ютерів.

Крім того, передбачається, що надсекретні повідомлення надсилатимуться інтернет-каналом за допомогою лазерних променів, а не кабелів. Під час спроби зламувача під’єднатися до лазерного променя напрямок поляризації лазера змінюється, і це негайно виявляється. Поки що загроза злому з боку квантового комп’ютера є лише в теорії, але до неї розумно готуватися заздалегідь.

У квантових комп’ютерів є різні конструкції та модифікації

У квантової теорії є кілька особливостей, які роблять можливими квантові комп’ютери.

Суперпозиція. До спостереження об’єкт існує в багатьох можливих станах, що значно збільшує потужність комп’ютера, оскільки у вас є більше станів для обчислення.

Заплутаність. Коли ви розділяєте дві заплутані частинки, вони можуть впливати одна на одну, і ця взаємодія відбувається миттєво. Потужність комп’ютера зростає експоненціально в міру додавання все більшої кількості кубітів, які можуть взаємодіяти один з одним.

Підсумовування за шляхами. Коли частинка переміщується між двома точками, вона підсумовує всі можливі шляхи, що з’єднують ці дві точки. Найімовірнішим шляхом є класичний, неквантовий шлях, але всі інші шляхи також роблять свій внесок у кінцевий квантовий шлях частинки. Це означає, що навіть шляхи, які вкрай малоймовірні, можуть стати реальними.

Прокладання тунелів. Зазвичай частинка не може подолати великий енергетичний бар’єр. Але у квантовій механіці завжди існує невелика ймовірність того, що частинка «прокладе тунель» і проникне крізь бар’єр. Можливо, саме тому складні хімічні реакції життя можуть протікати за кімнатної температури навіть без величезних витрат енергії.

Повністю квантовий комп’ютер поки що не створено, для цього потрібні постійні дослідження й складні експерименти. Поки що це окремі експериментальні пристрої. Але квантові комп’ютери відкривають нові світи, і провідні технологічні гіганти борються за перевагу в цій технології, що розвивається, оскільки переможець визначатиме майбутнє. Є безліч способів створення квантового комп’ютера, і в кожної конструкції будуть свої переваги та недоліки.

Одна з модифікацій — надпровідний квантовий комп’ютер, приклад якого — Sycamore від Google, створений 2019 року. Незабаром уперед вирвалася IBM зі своїм процесором Eagle quantum, який подолав 100-кубітну межу 2021 року. Після цього IBM розробила 433-кубітний процесор Osprey.

Надпровідні квантові комп’ютери поки що використовують готові технології цифрових комп’ютерів. Компанії Кремнієвої долини добре навчилися створювати крихітні схеми на кремнієвих пластинах. Усередині кожного чіпа є цифри 0 і 1 залежно від наявності або відсутності електронів у ланцюзі. На цій же технології заснований і надпровідний квантовий комп’ютер. Під час сильного зниження температури схеми з механічних перетворюються на квантово-механічні, і суперпозиція електронів не порушується. Об’єднання різних схем дає змогу робити квантові обчислення.

Недолік такої конструкції в тому, що для охолодження машини потрібен складний набір помп і труб, що збільшує її вартість та підвищує ймовірність помилок. Найменші вібрації можуть порушити роботу ланцюгів. Цю чутливість учені вимірюють за допомогою так званого часу когерентності (відрізка часу, в який атоми когерентно вібрують разом). Що нижча температура, то повільніше рухаються атоми в навколишньому середовищі й то більший час когерентності.

Така чутливість до температури підвищує можливість помилок у розрахунках. Зі звичайним цифровим комп’ютером таких проблем немає, але для квантового комп’ютера це вразливе місце, що особливо лякає, якщо йдеться про трансакції на мільярди доларів. Як рішення пропонується резервне копіювання кожного кубіта за допомогою набору кубітів, що зменшує кількість помилок системи. Імовірно для резервного копіювання єдиного кубіта знадобиться близько тисячі інших кубітів, щоб виправити помилки в обчисленнях. Відповідно для квантового комп’ютера з 1000 кубітів потрібен мільйон кубітів.