Кубит за кубитом. Квантовые компьютеры помогут найти лекарства от рака?

Когда лет через десять учёные представят миру эффективное средство от рака или новый материал для аккумуляторов, который позволит заряжать смартфоны не каждый день, а раз в пару недель, эти вещества не откроют случайно в лаборатории и не найдут в недрах земли. Их спроектируют (ну, скажем, за пару дней) на квантовом компьютере, который переберёт миллиарды вариантов молекул, сравнит их друг с другом и предложит самую перспективную.

На постсоветском пространстве квантовые компьютеры создают в нескольких научных центрах. В одном из них, Физическом институте РАН (ФИАН) представили самый мощный из таких вычислителей.

От битов к кубитам

В лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» он занимает всю центральную часть отведённой ему комнаты. Сходу и не подумаешь, что это вычислительная машина будущего. Громоздкий стол со стеллажами. Множество приборов, мониторов, датчиков, узлов и модулей. Паутина проводов... Выглядит не очень футуристично, но для учёных главное — практичность.

«Вот в этой железной коробке находится вакуумная камера с ионной ловушкой, это сердце квантового компьютера, — показывает на блестящий серебристый куб старший научный сотрудник ФИАН Илья Заливако. — Там в условиях глубокого вакуума подвешены ионы иттербия 171 — это квантовый регистр. А чтобы охлаждать ионы, мы используем систему из лазеров, зеркал и оптических модуляторов, — Илья приподнимает крышку широкого чёрного ящика, — и благодаря этому проводим квантовые вычисления».

Новость по теме

Нобелевская премия по физике присуждена за открытия в квантовой механике

Цепочка ионов на мониторе выглядит словно жемчужное ожерелье в тёмной пустоте. Всего этих ионов 35, и при воздействии на один из них начнёт колебаться вся цепочка, а система будет работать как компьютер на 70 кубитах.

Но что такое этот кубит, о котором слышала уже, наверное, каждая домохозяйка? Так называют наименьшую единицу информации в квантовых вычислениях. Если классический процессор оперирует битами — нулями и единицами (трудно поверить, но фотографии в вашем смартфоне или музыка в MP3-плеере — это последовательность нулей и единиц), то базовый элемент квантового компьютера выглядит иначе. Он может быть и нулём, и единицей одновременно с определённой вероятностью.

Представить себе такое архисложно. Кубит подобен монетке, которая подброшена и вращается в воздухе: она ещё не «орёл» и не «решка», но она и то и другое — оба состояния сразу. Аналогия не совсем точная, но наиболее понятная.

Именно это свойство кубита даёт квантовому компьютеру грандиозную вычислительную мощность. Причём с увеличением единиц информации она растёт по экспоненте. Если создать устройство на 300 кубитах, они смогут занимать больше состояний, чем насчитывается атомов в известной нам Вселенной!

Кстати, квантовый вычислитель объёмом 300 кубитов — вполне реальная цель. При этом максимальное количество кубитов, которое сейчас достигнуто в ионных компьютерах (квантовые вычисления производят не только на ионах, но и на сверхпроводниках, атомах, фотонах и пр.), составляет 98. Такая вычислительная машина работает в США.

Избавит города от пробок

В истории цивилизации было не так много изобретений, способных кардинально повлиять (а где-то и переписать правила) сразу на десятки областей знания и человеческой деятельности. Квантовый компьютер — как раз одно из таких изобретений. И претендент на то, чтобы улучшить наш мир, а то и ...спасти его. От рака, например, или других тяжёлых недугов современности — болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Квантовые вычисления обещают революцию в фармакологии, химии, материаловедении, безопасности данных и оптимизации сложных систем.

Статья по теме

Что такое квантовый телефон?

«Моделирование новых молекул, материалов с предсказанными свойствами — это одна из задач, которые смогут решать квантовые компьютеры, — продолжает академик Колачевский. — Скажем, для лекарственных препаратов очень важным вопросом является, существует ли такое соединение вообще и насколько оно устойчиво. Ответ на этот вопрос очень важен, поскольку экономит огромное количество ресурсов, чтобы учёные не пытались напрасно синтезировать то, чего быть не может.

Квантовые компьютеры позволят решать задачи оптимизации. К примеру, прокладывать наилучшие маршруты для тысяч транспортных средств, разводя потоки, минимизировать автомобильные пробки в городах, улучшать логистику и всевозможные расписания».

Отдельное направление — криптография и безопасность. Квантовые компьютеры позволят создавать каналы связи, которые принципиально невозможно взломать. А это уже может быть связано с вопросами национальной безопасности и обороноспособности страны.

Ну и куда без искусственного интеллекта...

«Сейчас человечество избаловано вычислениями и благами этих вычислений. Мы разговариваем с голосовым помощником по любому поводу, но надо понимать, что, когда ребёнок спрашивает у него, сколько будет два плюс два, это в конечном итоге стоит определённых денег, поскольку на работу искусственного интеллекта затрачивается электроэнергия», — объясняет Николай Колачевский.

Квантовые компьютеры будут помогать искусственному интеллекту решать наиболее сложные задачи, ускоряя машинное обучение и обрабатывая огромные массивы данных. И это не такое уж далёкое будущее.

В тему

В Институте физики Национальной академии наук (НАН) Беларуси есть несколько направлений работ, связанных с квантовыми компьютерами и квантовыми методами обработки информации. Об этом нам рассказал доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник центра «Квантовая оптика и квантовая информатика» Института физики НАН Беларуси Александр МИХАЛЫЧЕВ. 

Статья по теме

Есть ли реальная польза от квантовой психологии?

Например, с 2010 года институт разрабатывает квантовые методы защиты информации, в частности квантовые генераторы случайных чисел. Эти устройства, используя квантовые свойства фотонов, создают истинно случайные биты (секретные ключи), которые важны для надежной защиты линий связи. При использовании квантовых линий связи они совместно защищают передаваемые данные даже от взлома с помощью квантовых компьютеров любой мощности.

Еще одно направление – моделирование квантовых алгоритмов на обычных компьютерах. Оно оценивает эффективность квантовых компьютеров для решения практических задач. Моделирование показало, что в будущем квантовые компьютеры смогут эффективно решать сложные математические задачи в промышленности, финансах, транспорте и других сферах, а также предсказывать свойства новых веществ, что имеет важное значение, например, для медицины.