Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски

Суперкомпьютеры — это очень мощный вариант привычных нам вычислительных устройств. За несколько минут они выполняют то, на что одному человеку потребуется не одна тысяча лет, но этого уже не хватает.

Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Мы хотим добиться решения самых сложных прикладных задач, которые важны для каждого из нас с вами, которые непосильны для классических суперкомпьютеров. Уже сегодня на масштабе города решить все оптимизационные задачи, например, связанные с оптимизацией пробок, трафика до оптимального расписания общественного транспорта. Мы банально будем меньше тратить времени на какие-то вещи, быстрее добираться до работы».

Что же предлагают создатели компьютеров будущего? В привычном для нас процессоре информация представлена в виде последовательности нулей и единиц, так называемых битов. Физически это контакты транзисторов.

Наталья Малеева, старший научный сотрудник криолаборатории электронных систем НИТУ МИСиС: «Когда мы говорим о квантовом компьютере, то речь идет уже не о бите, a о квантовом бите. Так называемом кубите. Это значит, что он может быть немножечко 0, но в основном единицей. В основном 1 и немножечко 0. Это дает нам большие возможности, мы можем закодировать больше информации в меньшем объеме».

В качестве примера можно привести человека. В случае обычного компьютера он может находиться только в одной из двух точек, допустим, это Северный или Южный полюс. В квантовом же мире с некоторой вероятностью человек может находиться в Москве, Владивостоке, на Шри-Ланке или в Дубае. Такими свойствами, расширяющими возможности, могут обладать ионы, фотоны, атомы цезия, лития или рубидия.

Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Ловим атом, каждый в специальную ловушку. Выстраиваем эти атомы в определённом порядке (это может быть такая двумерная решетка) И при помощи возбуждения заставляем их взаимодействовать. Так наш квантовый компьютер будет инициализировать состояния, выполнять операции. Дальше мы производим считывание. То есть мы считываем состояние атомов. Если он был возбуждён или если он не был возбужден. И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос».

Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания, например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы.

Подобные удачи, впрочем, уже случались. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера. В этом году квантовый вычислитель обещают уже использовать в медицинских целях. Его установят в клинике города Кливленд в США. Он поможет выявлять новые штаммы вирусов и займется поиском лекарств от болезни Альцгеймера.

Но есть и опасения по поводу новой технологии.

Наталья Малеева, старший научный сотрудник криолаборатории электронных систем НИТУ МИСиС: «Квантовый компьютер — это разложение больших чисел на простые множители, это несортированный поиск. Обе эти задачи часто вспоминаются в приложении к современной криптографии. Недавно китайские ученые заявили, что им хватило десяти кубитов для взлома 48-битного алгоритма шифрования. Подобный метод, хотя и посложнее, применяют в защите наших банковских счетов».

Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «В какой-то момент может оказаться, что из-за квантовых компьютеров мы не сможем больше защищенным образом передавать информацию, не сможем зайти в личный кабинет интернет-банка или не сможем написать электронное письмо так, чтобы его никто не прочитал».

Цифровые валюты, как опасаются многие, тоже могут стать легкой жертвой, ведь в основе алгоритмов их выпуска и учета — всё та же криптография. Но пока до реального взлома всё же невероятно далеко — чтобы взломать код биткоина, нужны десятки миллионов кубитов. Да и квантовая защита тоже разрабатывается.

Алексей Фёдоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра: «Что нам гарантирует квантовая физика? Что если кто-то вмешался в процесс передачи данных квантовых состояний, то мы всегда это обнаружим по увеличивающемуся уровню ошибок, которые мы наблюдаем».

В 2019 году разработчики из МГУ представили защищенный квантовый телефон, а китайские инженеры запустили уже второй спутник квантовой связи в космос, где он проходит испытания.

Квантовые разработки уже привели к важным побочным эффектам. Группа исследователей из Дании и Швеции испытала оптический чип, способный передавать информацию со скоростью 1 800 000 гигабит в секунду, что почти вдвое больше, чем пропускная способность всего интернета в мире. Даже если он просто станет быстрее, это уже будет хорошим результатом.

Все выпуски программы «Чудо техники».