Ми живемо в часи технічного прогресу, який відбувається з шаленою швидкістю. Лише пів століття тому з’явились перші комп’ютери, а сьогодні ми вже говоримо про надпотужні суперкомп’ютери.
Квантовий комп’ютер – це обчислювальний пристрій, який використовує принцип квантової механіки.
Одним з перших, хто почав говорити про використання принципів квантової механіки був знаменитий фізик Річард Фейнман: ще в 1981 році на конференції він заявив, що на звичайних комп’ютерах принципово неможливо точно розрахувати реальну фізичну систему. Вся справа в її квантовій природі! Тоді-то в якості альтернативи Фейнман запропонував використовувати для розрахунків фізичних систем квантові комп’ютери.
Квантовий комп’ютер – це обчислювальний пристрій, який використовує явища квантової суперпозиції і квантової заплутаності для передачі і обробки даних.
Принцип роботи квантового комп’ютера.
Звичайним чином (в життєвому розумінні) квантові частинки поводяться так як нам треба, під нашим контролем, якщо ми не контролюємо квантові частинки тут же переходять з певного стану відразу в кілька різних іпостасей. Тобто електрон (або будь-який інший квантовий об’єкт) частково буде знаходитися в одній точці, частково в інший, частково в третій і т. д. Такий стан електрона, коли він знаходиться відразу в декількох точках простору, називають суперпозицією квантових станів і описують зазвичай хвильової функцією, введеної в 1926 році німецьким фізиком Е. Шредінгером.
Квантова суперпозиція говорить нам про те, що система з якоюсь ймовірністю є у всіх можливих для неї станах (при цьому сума всіх ймовірностей, зрозуміло, дорівнює 100% або 1).
Регістри
Звичайні комп’ютери зберігають інформацію в ящиках, кожен з яких або має електричний заряд або ні. Кожна така комірка відповідає мінімальній одиниці інформації – біту. Біт може бути дорівнює нулю або одиниці. Хороший приклад біта – це вимикач, який включає електролампу. Його значення або 0 (лампа вимкнена), або 1 (лампа включена). У квантовому комп’ютері аналогом біта є кубіт (квантовий біт), який завдяки принципу суперпозиції знаходиться в двох станах одночасно. Як в класичних, так і в квантових комп’ютерах біти або кубіти об’єднані в послідовності – регістри.
Звичайний двухбітовий регістр може зберігати 4 значення – 00, 01, 10 або 11, але тільки одне з них в даний конкретний момент часу. А ось в двухкубітовом регістрі одночасно знаходяться всі 4 можливих значення. (Взагалі в регістрі розміром N кубітів одночасно «живуть» всі можливі 2n значень.)
Що це нам дає?
Швидкий, навіть моментальний підбір алгоритмів. Наприклад, у нас є цифровий пароль з 4 символів. Як буде його зламувати звичайний процесор? Простим перебором від 0000 до 9999. 9999 в двійковій системі має вигляд 10011100001111, тобто для його записи нам потрібно 14 біт.
Тому якщо ми маємо квантовий ПК з 14 кубітами – ми вже знаємо пароль: адже одне з можливих станів такої системи і є пароль! В результаті всі завдання, які зараз цілодобово вирішують навіть найкращі комп’ютери, на квантових системах будуть вирішуватися моментально: потрібно знайти речовину з певними властивостями? Не проблема, зробіть систему з такою ж кількістю кубітів, скільки у вас вимог до речовини – і відповідь вже буде у вас в кишені.
Говорячи простими словами: звичайний комп’ютер створює і підбирає алгоритм для того, аби видасти відповідь. Квантовий же комп’ютер має вже запрограмовані відповіді та моментально шукає правильну.
Виникає питання – раз квантовий комп’ютер може моментально підбирати будь-які паролі – як захистити інформацію? Невже з приходом таких пристроїв зникне конфіденційність? Звичайно ж ні. На допомогу приходить так зване квантове шифрування: воно засноване на тому, що при спробі «прочитати» квантовий стан, він руйнується, що робить будь-який злом неможливим.
Проте чому ж ми не використовуємо ці комп’ютери?
Проблема банальна – неможливість реалізувати квантову систему в звичайних домашніх умовах. Для того, щоб кубіт міг існувати в стані суперпозиції нескінченно довго, потрібні вкрай специфічні умови: це повний вакуум (відсутність інших частинок), температура, максимально близька до нуля за Кельвіном (для надпровідності), і повна відсутність електромагнітного випромінювання (для відсутності впливу на квантову систему). Погодьтеся, створити такі умови вдома м’яко кажучи важкувато, але ж найменше відхилення призведе до того, що стан суперпозиції зникне, і результати обчислень будуть невірними. Друга проблема – це змусити кубіти взаємодіяти один з одним – при взаємодії їх час життя катастрофічно зменшується. У підсумку самий максимум на даний день – це квантові комп’ютери з кількома десятками кубітів.
Однак, є квантові комп’ютери від D-Wave, які мають 1000 кубітів, але, взагалі кажучи, справжніми квантовими комп’ютерами вони не є, бо не використовують принципи квантової заплутаності (тобто вони не взаємозв’язані). Тому вони не можуть працювати за класичними квантовим алгоритмам: 1, 0, 1та0
Але все ж такі пристрої виявляються відчутно (в тисячі разів) могутніше звичайних ПК, що можна вважати проривом.
