Ученые впервые создали устойчивый к ошибкам квантовый компьютер. Как новая технология изменит науку и экономику?

Специалисты Университета Дьюка смогли решить фундаментальные проблемы, связанные с ошибками квантовых компьютеров. Авторы объединили несколько кубитов, с помощью которых работают машины будущего, так, чтобы они функционировали как единое целое, то есть образовали логический кубит. В данной конструкции один кубит содержит нужную информацию, а другие позволяют исправлять ошибки. Таким образом, вероятность квантовых ошибок может быть сведена к минимуму.
Машины будущего настолько сложны, что для работы с ними нужны особые языки и квалифицированные специалисты.

До изобретения квантовых компьютеров ученые полагались на суперкомпьютеры — устройства, отличающиеся от обычных ПК габаритами и наличием сотен, если не тысяч ядер центрального процессора. Однако для работы с определенными массивами данных обычные компьютеры даже с тысячами ядер не очень подходят. Компания IBM, которая создала около 20 квантовых компьютеров, объясняет недостатки классических машин особенностью строения.
В качестве примера приводится задача, когда нужно разместить несколько привередливых гостей за столами, и при этом есть только один оптимальный план рассадки. В случае, когда гостей пять, таких комбинаций 120. Если количество гостей увеличить до 10, то будет более трех миллионов комбинаций. Обычный компьютер начал бы решать задачу постепенно, обрабатывая каждую комбинацию, — на ответ ушло бы очень много времени. Квантовый компьютер создаст огромное многомерное пространство, в котором сможет вместить все варианты ответа и найти верный.

В Google, где также работают над квантовым компьютером, считают, что вычисления, на которые современные ПК потратят 10 тысяч лет, машина закончит за три с половиной минуты. Например, существует определенный список из одного триллиона значений, и нужно найти лишь один подходящий элемент. При условии, что на проверку каждого элемента дается миллисекунда, обычный ПК справится за неделю, квантовый — менее чем за одну секунду.
Классические устройства — даже если обеспечить их тысячами процессоров с десятком тысяч ядер — оперируют битами, то есть воспринимают информацию в двоичной системе. В этом случае данные принимают значения только в виде единицы или нуля. Квантовые машины производят вычисления с помощью кубитов, где информация может иметь значение одновременно и в виде единицы, и в виде нуля. Это означает, что кубиты, в отличие от битов, могут принимать различные значения одновременно и выполнять вычисления, которые обычный компьютер не способен совершить по своей природе.

В первую очередь эти продвинутые устройства можно использовать для проведения научных экспериментов. Например, можно моделировать поведение атомов и частиц, которое сейчас реально воссоздать лишь на очень сложном уровне, например, в Большом адронном коллайдере. Также квантовые компьютеры могут оперировать с гигантскими массивами данных, состоящими из миллионов элементов. По оценке ученого Лова Гровера, базу с миллионом единиц обычное устройство проанализирует за миллион шагов, квантовый компьютер потратит всего тысячу.
Уже упоминалось, что квантовые компьютеры оперируют кубитами, а значит, могут работать с огромным количеством данных одновременно. Например, такое устройство могло бы обычным подбором быстро взломать любое шифрование. Если посмотреть на ситуацию с другой стороны, то передовые компьютеры можно будет использовать для предотвращения взлома различных систем. Безусловно, квантовые компьютеры пригодятся при работе с искусственным интеллектом, который часто полагается на комбинаторную обработку очень больших объемов данных для более точного прогнозирования и принятия решений.
Вероятно, на ранних этапах применения квантовых компьютеров машины будут задействованы в финансовой сфере. Она отличается от многих тем, что охватывает огромные данные. Устройства могли бы выполнять сложные финансовые расчеты и моделировать движение рынка.

По словам физика Хуана Хосе Гарсиа Риполя, квантовые компьютеры нужны там, где обычные не смогут оперативно справиться с потоком информации. В классических вычислениях мы знаем, как решать проблему благодаря компьютерному языку, где машина принимает три значения — «и», «или», «не». В квантовых компьютерах значений и вероятностей гораздо больше. «Они работают по-другому. Квантовый компьютер не подходит для выполнения повседневных задач», — отмечает Риполь.
Инженеры отмечают, что при наличии классических задач использовать квантовый компьютер нецелесообразно. Во-первых, такие компьютеры крайне дорогие. В частности, финансирующая данный проект Google не раскрывает стоимость единицы будущего оборудования, но выделяет «миллиарды долларов» на его создание. Во-вторых, для работы с такими сложными устройствами нужны не только высококвалифицированные специалисты, но и особые условия. Для корректной работы система должна быть полностью изолирована: в ядрах практически отсутствует атмосферное давление и влияние магнитного поля Земли, температура минус 273 градуса по Цельсию.
В подобных девайсах также нельзя хранить большие объемы информации — они рассчитаны на вычисления. «Квантовые свойства компьютера разрушаются. Они работают в течение очень коротких периодов времени», — считает Риполь.