Ми вже знаємо, як влаштований квантовий комп’ютер, що таке кубіт, суперпозиція, заплутаність, квантові ворота та вимірювання. Але навіщо взагалі створювати настільки складну машину? Які задачі вона здатна виконувати краще за звичайний комп’ютер?
І тут важливо одразу позбутися одного міфу. Квантовий комп’ютер — це не надзвичайно швидка версія звичайного комп’ютера. На ньому немає сенсу дивитися YouTube, редагувати фотографії, рахувати зарплату чи запускати ігри. У переважній більшості таких задач звичайний комп’ютер буде дешевшим, простішим і кращим.
Звичайний комп’ютер можна порівняти з неймовірно швидким бухгалтером. Дайте йому мільярди чисел — і він блискавично виконуватиме одну операцію за іншою. А квантовий комп’ютер більше нагадує спеціальний науковий прилад: для тисяч звичайних задач він непотрібний, зате в деяких особливих випадках дозволяє організувати саме обчислення зовсім інакше.
Найкращий приклад — сама природа. Уявіть, що вчені хочуть передбачити властивості нової молекули: як поводитимуться її електрони, які енергетичні стани можливі та що відбудеться під час хімічної реакції. Для невеликих систем класичні комп’ютери чудово виконують багато таких розрахунків. Але зі збільшенням квантової системи її точний опис може вимагати колосальних ресурсів.
Причина проста. Звичайний комп’ютер змушений математично імітувати квантовий світ за допомогою класичних бітів. А квантовий комп’ютер сам є керованою квантовою системою. Тому ще Річард Фейнман понад сорок років тому запропонував надзвичайно логічну ідею: використовувати квантову систему для моделювання іншої квантової системи.
В яких галузях працює квантовий комп’ютер
Саме тому одним із найперспективніших напрямків вважають квантову хімію та матеріалознавство. Такі машини можуть допомогти досліджувати молекули для нових ліків, шукати ефективніші каталізатори, створювати нові матеріали для акумуляторів або краще розуміти надпровідники. І поступово ці дослідження переходять від маленьких демонстраційних задач до моделювання дедалі складніших фізичних систем.
Але квантовою фізикою можливі застосування не обмежуються. Інший величезний клас проблем — оптимізація. Наприклад, транспортній компанії потрібно розподілити сотні вантажівок між тисячами адрес з урахуванням часу доставки, заторів, вантажопідйомності та витрат пального. Кількість можливих варіантів може зростати настільки швидко, що перевірити їх усі практично неможливо.
Алгоритм Шора
Є й задачі, для яких квантова перевага відома вже на рівні математики. Найзнаменитіший приклад — алгоритм Шора, призначений для розкладання великих чисел на прості множники. Для класичних комп’ютерів факторизація дуже великих чисел надзвичайно складна, а достатньо потужний квантовий комп’ютер теоретично зміг би виконувати її набагато ефективніше.
Саме тому квантові комп’ютери пов’язують із майбутнім криптографії. Значна частина сучасного шифрування спирається на математичні задачі, які класичним машинам важко розв’язувати. Великий відмовостійкий квантовий комп’ютер міг би зламати деякі з таких систем. Щоправда, сучасні квантові машини до такого масштабу ще не дійшли.
Квантовий комп’ютер — не чарівна машина
Але маємо розуміти: якщо задача складна для звичайного комп’ютера, це зовсім не означає, що вона буде легкою для квантового. Квантовий комп’ютер — не чарівна машина для розв’язання всього складного. Потрібен спеціальний алгоритм, здатний використати суперпозицію, заплутаність та інтерференцію так, щоб отримати реальну перевагу.
Тому класичні комп’ютери нікуди не зникнуть. Майбутній обчислювальний центр, найімовірніше, нагадуватиме майстерню: для одних задач — звичайний процесор, для інших — графічний прискорювач, для наймасштабніших — суперкомп’ютер, а для окремих спеціальних проблем — квантовий процесор.
Власне, квантові обчислення вже сьогодні часто працюють саме так. Класичний комп’ютер готує задачу, певну її частину передає квантовому процесору, отримує результат і продовжує обчислення. Тобто квантовий комп’ютер поступово займає місце не заміни всіх інших машин, а нового спеціалізованого інструмента.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Наш Всесвіт“.