Кубиты или кудиты: когда создадут квантовый компьютер

Необходимость моделирования квантовых физических систем навела когда-то американского учёного Ричарда Фейнмана на идею создания квантового компьютера. Обычным вычислительным машинам задача оказалась не под силу, поскольку они не способны работать с квантовыми состояниями.

Через некоторые время идею универсального квантового компьютера предложил британский физик Дэвид Дойч. Теоретически он способен был решать сразу несколько задач, включая классические, сообщило издание N+1.

Для создания такого компьютера необходимо справиться с двумя проблемами. Для начала понять, какие объекты применять для создания квантового процессора. Это так называемый вопрос кубитов – наименьшей единицы информации. Учёные пока не могут однозначно выбрать между электронами, ионами, фотонами и другими частицами для создания квантовых транзисторов. В результате они занимаются исследованием сразу нескольких платформ, которые периодически выбиваются в лидеры.

Вторая проблема касается построения квантовой логики. Большую сложность учёные испытывают с созданием алгоритмов для квантовых компьютеров. Варианты решения уже были предложены учёным сообществом в 1990-е годы. Они основывались на комбинаторике и квантовой химии.

Первый алгоритм был предложен американским учёным Питером Шором в 1994 году. Тогда он продемонстрировал колоссальные возможности квантового компьютера. Такая машина способна взломать практически любой шифр всего за восемь часов, на который у обычного мощного компьютера ушёл бы триллион лет. Но есть нюанс: для решения такой задачи квантовому компьютеру нужен миллион кубитов. Каким путём идти дальше, пока однозначно не говорит никто. Есть вариант наращивать кубиты или же использовать архитектуру на кудитах – элементах с большим количеством квантовых состояний.

А пока вопросы с созданием квантовых алгоритмов не решены. Каждый из них представляет собой последовательность операторов, преобразующих входящий сигнал. Их называют вентилями, задача которых — изменить сигнал в зависимости от конкретной логической операции. Для этого нужны другие кубиты.

Увеличение на один кубит квантового вычисления является очень сложной технической задачей. Создать вентиль, работающий без сбоев, крайне тяжело. А если он не идеален, на выходе можно получить много ошибок и задача останется нерешённой.

Однако, учитывая техническое несовершенство алгоритмических решений и невозможность их масштабирования, для сегодняшнего поколения вычислителей нашлись задачи, хотя немного другие. Их решают при помощи промежуточных шумных квантовых компьютеров. Для их алгоритмов не требуется коррекция ошибок. Они не универсальны и используют квантовые эффекты, работая под управлением классических компьютеров. Их задача заключается в оптимизации, которая имеет прикладное значение.

Сегодня используют гибридные квантово-классические алгоритмы, где основную работу выполняет классический вычислитель. Квантовая часть подготавливает требуемое квантовое состояние для его последующего измерения. Для этого не нужна логика и схема реализуется на обычных транзисторах. Это называется «квантовым машинным обучением».

Из-за трудностей в технической реализации учёные всегда со скепсисом относились к квантовым алгоритмам. Поэтому на данном этапе квантовые вычислители работают на управляемой квантовой системе. Но все существующие альтернативы не могут заменить универсальный квантовый компьютер, поэтому когда его построят, гибридные вычисления станут невостребованными. Но уже сейчас они позволили разработчикам понять принцип работы квантовых вычислителей.