На чем основана работа квантовых компьютеров и как они решают в том числе криптографические задачи.
Квантовая механика — фундаментальная теория в физике, изучающая законы движения, взаимодействия и поведения микрочастиц (атомов, молекул, электронов). В этом микромире энергия излучается или поглощается не непрерывным потоком, а дискретными порциями — квантами.
И хотя вся Вселенная в конечном счете подчиняется квантовым законам (они работают на любом масштабе), понять этот «микрокосм» с позиции привычного мышления практически невозможно. На уровне атомов и субатомных частиц классическая физика становится неприменимой, а реальность входит в конфликт с повседневной логикой, что отражается в нескольких принципах.
Квантовая суперпозиция
В привычном макромире объекты всегда имеют строгое состояние: переключатель транзистора либо включен, либо выключен — «0» или «1». Квантовая система, пока она изолирована, пребывает в суперпозиции — математической комбинации всех доступных ей состояний. Это означает, что до момента измерения реальность электрона не имеет одного четкого значения и описывается лишь спектром вероятностей.
Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределенности Гейзенберга
Микрообъекты не являются ни классическими твердыми частицами, ни классическими волнами, но способны проявлять свойства и тех, и других в зависимости от способа наблюдения. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможность одновременно точно определить координату и импульс частицы является следствием фундаментальной квантовой природы, а не следствием несовершенства измерительных приборов.
Эффект наблюдателя
На квантовом уровне «наблюдение» — это физическое взаимодействие с системой. Пока она изолирована, суперпозиция сохраняется. Измерения заставляют частицы перейти к одному из возможных состояний — проявить декогеренцию.
Визуализация через вероятности
Квантовые объекты не поддаются наблюдению в привычном оптическом диапазоне, однако ученые научились их «видеть» с помощью сканирующих туннельных микроскопов. Они визуализируют не саму частицу, а именно «карту» того места, где она с наибольшей вероятностью находится в виде электронных облаков, что подтверждает волновую природу материи.
В 1920-х годах физики Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Поль Дирак построили теорию, которая объяснила и связала наблюдаемые эффекты микромира с математическими законами. Главным инструментом стала волновая функция, которая задает амплитуду состояний. На ее основе ученым удалось рассчитать вероятности и с помощью уравнения получить представление об их изменении во времени.
Спустя десятилетия ученые научились использовать квантовую механику для работы с данными. Квантовые вычислительные системы (КВС) оперируют кубитами (квантовыми битами).
В основе классических компьютеров лежит обычный бит — категоричная величина, которая всегда имеет строгое значение: либо «0», либо «1». Главное отличие кубита кроется в явлении суперпозиции, которое лишает систему классической жесткости. Вплоть до момента физического измерения элемент не зафиксирован ни в одном из базовых состояний. Вместо этого он представляет собой сложный спектр, в котором математически переплетаются амплитуды вероятностей, способные в итоге выдать результат в виде нуля или единицы.
Чтобы объединить кубиты в КВС, используется квантовая запутанность — строгая математическая корреляция между частицами. Измерение одного кубита коррелирует с результатом измерения другого, если система была запутана. Это не позволяет передавать информацию быстрее скорости света, но экспоненциально увеличивает вычислительное пространство системы: каждый новый кубит удваивает размерность пространства возможных состояний.
Ученые научились управлять кубитами с помощью микроволновых импульсов и точечных выстрелов лазеров. Сегодня в индустрии развиваются несколько параллельных аппаратных платформ:
Квантовое превосходство — это рубеж развития технологий, на котором квантовый компьютер за считанные минуты решает задачу, на выполнение которой у самого мощного классического суперкомпьютера ушли бы тысячелетия. Его достижение не означает победу в скорости вычислений любой задачи, а относится к конкретным реализациям, где технология выигрывает.
Классический компьютер — это быстрый, но прямолинейный счетовод. Решая сложную задачу, например, подбирая криптографический ключ, он вынужден перебирать возможные варианты один за другим либо с помощью детерминированных алгоритмов. В КВС для достижения превосходства используется принципиально иная математика: они работают не с готовыми цифрами, а манипулируют самими вероятностями.
Для управления этим спектром вероятностей применяется низкоуровневое программирование частиц (ионов, фотонов) с помощью квантовых вентилей (quantum gates). В обычном процессоре вентиль — это логическая операция, реализуемая кремниевым транзистором, который пропускает или блокирует ток. В квантовом компьютере он представляет собой физическое воздействие. Это ювелирно рассчитанный микроволновый или лазерный импульс, который «поворачивает» кубит, меняя его состояние.
Квантовый процессор (QPU) IBM Quantum Nighthawk на 120 кубитов. Источник: IBM.
Выстраивая последовательность таких импульсов, инженеры разрабатывают алгоритм, который строится на двух принципах:
Эта синергия делает квантовые вычисления непревзойденными в узком, но сверхсложном классе задач: от точного моделирования химических молекул до факторизации огромных чисел с помощью алгоритма Шора. На достаточно мощном логическом квантовом компьютере данный алгоритм теоретически способен взломать асимметричную криптографию — в частности, алгоритм ECDSA и эллиптическую кривую secp256k1, которая лежит в основе подписей транзакций сети биткоина.
Внешний вид квантовой машины полностью зависит от того, на каких физических принципах работают ее кубиты. В индустрии сегодня доминируют два архитектурных подхода:
Квантовый компьютер IBM. Фото: Шарлотта Ху/Popular Science.
Из-за сложности установки и обслуживания квантовых компьютеров главным способом взаимодействия с ними остается облачный доступ.
Ввиду ускорения развития квантовых вычислений индустрия пошла дальше создания отдельных машин. В Cisco приступили к разработке квантовой инфраструктуры: специализированных маршрутизаторов, оптических каналов и системы связи. Их цель — в будущем объединить разрозненные КВС в глобальную сеть и обеспечить защищенную передачу данных с помощью квантового распределения ключей (QKD).
QKD делает сети неуязвимыми для перехвата, так как любая попытка скопировать ключ немедленно разрушит его состояние и предупредит стороны о вмешательстве благодаря срабатыванию эффекта наблюдателя.
Главный барьер на пути к повсеместному внедрению КВС — невероятная хрупкость квантовых состояний. Любое, даже самое слабое взаимодействие с окружающей средой заставляет кубит стремительно терять свои квантовые свойства. Этот фатальный для вычислений процесс называется декогеренцией. В ходе него система утрачивает способность к интерференции, делая дальнейшее выполнение квантового алгоритма невозможным.
Для квантовой системы губителен любой внешний фон, который физики обобщенно называют «шумом»:
Из-за декогеренции физические кубиты могут жить лишь доли миллисекунды, накапливая ошибки быстрее, чем алгоритм успевает завершиться.
Чтобы решить эту проблему, инженеры разрабатывают системы логических кубитов — программно-аппаратный метод коррекции ошибок. При таком подходе квантовая информация распределяется по системе: чтобы получить один надежный (логический) кубит, способный выполнять долгие вычисления, требуется объединить в сеть от сотен до тысяч нестабильных единиц.
Индустрия перешла от эпохи NISQ к эпохе ранней отказоустойчивости FTQC, где именно программная коррекция ошибок стала главной метрикой прогресса, заменив простую гонку за количеством «сырых» физических кубитов.
Создание машины с достаточным количеством логических элементов — главная цель индустрии на ближайшее десятилетие.
JOIN
