Навіщо люди придумали квантовий комп’ютер? Невже звичайні процесори вже не справляються зі своїми завданнями?
Уявіть, що вам потрібно знайти єдиний правильний ключ серед мільярда різних. Як працюватиме звичайний комп’ютер? Він перевірятиме їх один за одним. Дуже швидко — мільйони або навіть мільярди перевірок за секунду. Але все одно — по черзі.
Для мільярда варіантів цього цілком достатньо, оскільки робота буде виконана відносно швидко. Але що робити, якщо можливих рішень не мільярд, а мільярд мільярдів мільярдів? Тоді навіть найпотужнішому сучасному комп’ютеру може не вистачити часу існування Всесвіту, щоб перебрати всі можливості.
Чому звичайні комп’ютери досягли своїх можливостей
Сучасні комп’ютери неймовірно швидкі, але принцип їхньої роботи майже не змінився за останні десятиліття. Усередині будь-якого комп’ютера є мільярди маленьких електронних перемикачів — транзисторів. Саме вони виконують усі обчислення.
Кожен транзистор може перебувати лише у двох станах. Є напруга або напруги немає. Так народжується найменша одиниця інформації — біт. Він може мати лише два значення: нуль або одиницю.
Можливо, це звучить занадто просто. Але саме з таких нулів і одиниць складається абсолютно все, що ми бачимо на екрані комп’ютера. Фотографії, музика, фільми, комп’ютерні ігри, вебсайти й навіть те що зараз ви бачите на екрані — усе зрештою перетворюється на величезні послідовності нулів та одиниць.
Для комп’ютера не існує кольорів, звуків чи літер. Він не знає, що таке фотографія або відео. Для нього це лише дуже довгі комбінації бітів, які він навчився правильно обробляти. Якими б складними не були сучасні програми, зрештою процесор уміє робити лише одне — дуже швидко працювати з величезними послідовностями нулів і одиниць.
І цей підхід виявився надзвичайно успішним. Саме завдяки звичайним комп’ютерам людство створило Інтернет, смартфони, штучний інтелект, супутникову навігацію та космічні апарати. Здавалося б, достатньо просто й надалі збільшувати швидкість процесорів, і комп’ютери ставатимуть дедалі потужнішими.
Багато років саме так і відбувалося. Інженери робили транзистори дедалі меншими, адже чим менший транзистор, тим коротший шлях проходить електрон. А отже, він може перемикатися швидше, споживати менше енергії та виконувати більше обчислень за той самий час.
Якщо перші транзистори були завбільшки кілька сантиметрів, то сьогодні їхній розмір становить лише кілька нанометрів. Для порівняння, людська волосина приблизно у двадцять-тридцять тисяч разів товстіша. Усередині сучасного процесора на площі розміром із поштову марку розміщуються десятки мільярдів транзисторів. Це одне з найвидатніших досягнень сучасної інженерії.
Але саме тут фізика поставила несподівану перепону. Коли транзистори стають настільки маленькими, електрони починають поводитися зовсім не так, як ми звикли у повсякденному житті. На таких масштабах дедалі сильніше проявляються закони квантової механіки. І вони починають заважати нормальній роботі звичайних електронних схем.
Наприклад, виникає явище, яке називається квантовим тунелюванням, коли електрон ніби «просочується» крізь надто тонку стінку, хоча за законами класичної фізики мав би залишитися по інший бік. У результаті електрони починають «витікати» туди, де їх не має бути. Це призводить до додаткових втрат енергії, нагрівання та збільшення кількості помилок.
Саме тому нескінченно зменшувати транзистори вже не виходить. Звичайно, інженери й далі знаходять нові способи вдосконалювати процесори. Деякі фахівці вважають, що сучасна технологія майже досягла максимуму своїх можливостей. То що ж робити?
І тоді комусь на думку спала знаменита фраза із Кавказької полонянки, – «Той хто нам заважає, нам допоможе».
Квантовий комп’ютер підказала сама природа
Якщо квантова механіка починає заважати будувати звичайні комп’ютери, то, можливо, не потрібно з нею боротися. а, варто використати собі на користь.
Це приблизно так само, як із транспортом. Поки ви їдете асфальтом, автомобіль — чудовий вибір. Але якщо дорога закінчилася і попереду море, можна нескінченно вдосконалювати колеса, а можна просто побудувати корабель.
Саме це й вирішили зробити фізики. Замість того щоб змушувати квантовий світ працювати як звичайний комп’ютер, вони поставили зовсім інше запитання.
А що, якщо сама природа вже вміє виконувати обчислення?
На перший погляд це може здатися дивним. Адже ми звикли думати, що обчислення виконує лише процесор. Але насправді кожна квантова система безперервно змінює свій стан відповідно до законів квантової механіки. Іншими словами, сама природа постійно «обчислює» свою власну еволюцію. І якщо навчитися керувати цими процесами, їх можна використати для розв’язання складних математичних задач.
Так народилася ідея квантових обчислень.
Це була справді революційна ідея. Учені не намагалися створити ще один швидший комп’ютер. Вони вирішили побудувати машину, яка працюватиме за зовсім іншими законами.
Замість електронних перемикачів з’явилися квантові системи. А разом із ними виникла й зовсім нова мова для зберігання та обробки інформації.
У звичайному комп’ютері інформація записується за допомогою бітів. Кожен біт може бути лише нулем або одиницею. Але квантові системи поводяться значно складніше. Для їхнього опису двох звичних значень уже недостатньо.
Тому фізики ввели нову одиницю квантової інформації — кубіт.
Саме кубіт відкрив двері до абсолютно нового способу обчислень. Саме завдяки йому квантовий комп’ютер може розв’язувати задачі зовсім не так, як звичайний.