Кубіт — це квантово-механічний аналог класичного біта. Він може бути нулем, одиницею або одночасно обома завдяки суперпозиції, яка дозволяє охоплювати неймовірно велику кількість можливих станів. У класичному комп’ютері один біт може бути або 0, або 1. Якщо є два біти, можливі чотири комбінації: 00, 01, 10, 11. Але комп’ютер у конкретний момент часу «бачить» лише одну з них. У квантовому світі все інакше: два кубіти можуть перебувати одночасно в усіх чотирьох станах. Тобто замість того, щоб перевіряти варіанти один за одним, квантовий комп’ютер працює з усіма одразу. З трьома кубітами виходить вже 8 станів одночасно, з десятьма — 1024 варіанти, а зі 100 кубітами — настільки багато можливостей (2¹⁰⁰), що ця кількість перевищує число атомів у видимому Всесвіті. Саме це експоненційне зростання і робить квантові комп’ютери настільки потужними: там, де класичний комп’ютер «перебирає» варіанти роками, квантовий може опрацювати все за мить.
Уяви собі таку картину: у тебе є дві чарівні монетки. Ти кидаєш одну вдома, а другу віддаєш другу, який поїхав на інший кінець планети. Коли ти підкидаєш свою — вона падає «орлом», і в ту ж мить монетка в руках друга теж стає «решкою», навіть якщо між вами тисячі кілометрів. Це і є квантова заплутаність: стани двох частинок стають пов’язаними так, що вимірюючи одну, ти одразу знаєш стан іншої — незалежно від відстані. Ейнштейн називав це «моторошною дією на відстані», бо воно суперечило інтуїтивним уявленням про фізику — адже ніби інформація передається миттєво, швидше за світло. Для квантових комп’ютерів це означає, що кубіти можуть працювати як єдина система, синхронізовано, навіть якщо їх багато. Саме завдяки цьому виникає колосальна обчислювальна потужність, яку не можна відтворити на класичних машинах.
Квантові технології — це майбутнє, і поляки тут серед лідерів. Нині дослідники з Центру оптичних квантових технологій Варшавського університету працюють над створенням рішень на основі квантової обробки інформації. Професор Міхал Парняк-Нєдоядло зазначає: «Нашою головною метою є розробка нових методів квантової обробки сигналів. Сучасні пристрої — комп’ютери, мережеве обладнання чи різноманітні сенсори — використовують класичну обробку сигналів, яка має певні обмеження й у критичних моментах, на жаль, призводить до втрати інформації. Квантова обробка сигналів базується на новітніх відкриттях і досягненнях квантової фізики. У нашій роботі ми будемо використовувати найменші можливі одиниці інформації — зокрема окремі фотони чи кубіти, які ці фотони несуть».
Класичні сенсори (наприклад, магнітометри чи детектори гравітаційних хвиль) завжди обмежені так званим шумом вимірювання. Тобто існує межа точності, яку неможливо подолати навіть із найкращою апаратурою. Квантові сенсори, завдяки заплутаним частинкам, долають цей бар’єр. Використання заплутаних атомів або фотонів дозволяє досягти чутливості в кілька разів вищої, ніж у класичних сенсорів. У гравітаційній астрономії це означає здатність фіксувати навіть слабкі гравітаційні хвилі, які класичні детектори могли б пропустити. У медицині перспективні квантові сенсори можуть зчитувати найслабші магнітні поля мозку (MEG — магнітоенцефалографія нового покоління) без потреби у громіздкому охолодженні, як це робиться зараз. У геології такі сенсори дозволять «бачити під землею» — виявляти пустоти, руди чи нафтові поклади з високою точністю. Цікаво, що вже існують прототипи портативних квантових сенсорів, які можуть стати частиною смартфонів майбутнього.
А що ж із квантовою телепортацією? Назва звучить фантастично, але йдеться не про переміщення матеріальних об’єктів. Телепортується квантовий стан — тобто «інформація» про частинку. Це звучатиме абстрактно, але припустімо, у нас є три частинки. Дві з них — заплутані (A і B), третя (C) має передати свій стан. Частинка C взаємодіє з A. Завдяки цій взаємодії інформація про стан C переноситься на B. У результаті частинка B отримує квантовий стан C, навіть якщо вони знаходяться дуже далеко одна від одної. У 1997 році вперше продемонстровано телепортацію фотонів у лабораторії. У 2012 році китайські вчені телепортували квантовий стан на відстань понад 100 км через атмосферу. У 2017 році китайський супутник Micius передав заплутані фотони між орбітою і наземними станціями на відстані понад 1200 км. Сьогодні тривають експерименти зі створення квантового інтернету — мережі, де інформація передається захищено і практично миттєво завдяки телепортації квантових станів.
Кароль Лукановський із Центру оптичних квантових технологій зауважує: «Це не лише теорія. На практиці такі розробки матимуть реальні застосування. Наприклад, в астрономії вони дозволять отримувати ще вищу роздільну здатність космічних знімків і, як наслідок, зазирнути далі у Всесвіт. Те, що цікавить нас найбільше, — це застосування квантових оптичних технологій у сфері комунікацій, зокрема між користувачами чи пристроями. А це саме те, що нас оточує щодня — чи то GPS, чи волоконно-оптичний або супутниковий інтернет, який ми використовуємо у смартфонах. Квантові технології дозволять прискорити таку комунікацію та захистити її від небажаного втручання третіх осіб».
Ідея квантових обчислень з’явилася у 1980-х роках завдяки фізику Річарду Фейнману, який припустив, що квантові машини зможуть ефективніше моделювати складні системи, ніж класичні комп’ютери. У 1990-х Пітер Шор і Лов Гровер розробили алгоритми, що довели переваги квантових обчислень у факторизації чисел та пошуку в базах даних. У 1994 році команда Ісаака Чуанга вперше продемонструвала роботу квантового алгоритму, а в 1998-му з’явився двокубітний комп’ютер, який виконав алгоритм Гровера.
Сьогодні кілька компаній активно працюють над створенням квантових комп’ютерів. На сайті gigacloud.ua знаходимо інформацію:
IBM — один із лідерів у сфері квантових обчислень. Компанія створила Quantum System Two з чіпом Heron, який зменшує декогеренцію. Також представлено Condor — надпровідний процесор на 1121 кубіт.
Google — у 2019 році оголосила про досягнення квантової переваги за допомогою комп’ютера Sycamore. У 2023 році представила суперкомп’ютер, що виконує завдання за 6,7 секунди, яке звичайному суперкомп’ютеру потребувало б 47 років.
Amazon — створила центр квантових обчислень у співпраці з Caltech. Її платформа Amazon Braket надає доступ до квантового обладнання від кількох постачальників і має власний симулятор. Новий чіп AWS знижує рівень помилок у 100 разів.
Microsoft — платформа Azure Quantum надає інструменти для квантових обчислень, включно з доступом до обладнання, симуляторів та ПЗ. Компанія працює над масштабованим, відмовостійким квантовим комп’ютером.
Intel — розробляє комерційну квантову систему з повним стеком. Представила чіп Tunnel Falls на 12 кубіт, що працює зі спіновими кубітами кремнію. Компанія планує випустити новий чіп у 2024 році та співпрацює з університетами для створення відмовостійкого комп’ютера.
Наразі квантові комп’ютери дуже чутливі до підвищених температур, електромагнітних полів та молекул повітря. Ці зовнішні чинники можуть спричинити втрату квантових властивостей кубітів. Саме тому квантові комп’ютери можуть помилятися. Щоб забезпечити стабільність, їх фізично ізолюють і охолоджують до наднизьких температур. Будь-яке втручання у цей «живий» процес вимагає повторного налаштування та обчислень.
Але повернімося до Варшави. Сучасне шифрування захищає інформацію від зламу традиційними комп’ютерами на сотні років — наприклад, ті ж паролі, які генерує Google. Натомість квантові комп’ютери зможуть розшифрувати ці дані за лічені хвилини. У разі їх успішної розробки доведеться переглянути всі протоколи безпеки. Через це США ще у 2022 році оголосили про запуск програми квантового захисту — американський уряд побоюється, що поява першого квантового ПК у Китаї може становити загрозу національній безпеці.
Центр оптичних квантових технологій, створений Варшавським університетом у співпраці з Оксфордським університетом у межах проєкту «Оптичні квантові технології», має на меті дослідження явищ, які вже незабаром стануть частиною нашого повсякдення. «Серед іншого — пошук нових способів захисту передачі даних від стороннього втручання, наприклад підслуховування. Нас вирізняє також те, що ми прагнемо вивчати ці квантові ефекти в екстремальних умовах — скажімо, у комунікації з космічними місіями, де сигнал має пройти крізь атмосферу і подолати величезні відстані. Але ми бачимо застосування і на Землі — наприклад, у підводних волоконно-оптичних кабелях, які прокладені на дні океану й уже сьогодні перевантажені передачею даних між мільйонами користувачів. Це впливає на їхню пропускну здатність. Квантові ефекти допоможуть ці проблеми зменшити», — додав Кароль Лукановський із Центру оптичних квантових технологій
Це лише початок шляху, адже квантові технології поки що перебувають на стадії базових досліджень. Проте їхній потенціал — величезний. Без сумніву, вони здатні справді революціонізувати другу половину XXI століття.
PR3/М.Т.