Чому квантові комп’ютери взагалі потрібні?
Квантовий комп’ютер використовує для обчислень квантові системи та явища. Теоретично це може дати значне прискорення порівняно з класичними комп’ютерами.
Однак сьогодні квантові машини далекі від ідеалу. Одна з головних проблем — шум і декогеренція. Через них квантові ефекти, які лежать в основі роботи таких систем, швидко зникають, а разом із ними зменшується й обчислювальна потужність комп’ютера.
Виникає закономірне запитання: навіщо розвивати нову технологію, якщо класичні комп’ютери також постійно стають швидшими й потужнішими?
Відповідь проста: потенціал квантових обчислень настільки великий, що його варто перевірити на практиці. Поки ми не спробуємо розвинути технологію, неможливо остаточно зрозуміти, чи зможе вона в майбутньому випередити класичні системи.
Квантовий комп’ютер як «чорна скринька»
Одна з цікавих проблем сучасної квантової науки полягає не лише у створенні квантових комп’ютерів, а й у перевірці того, чи справді вони працюють так, як заявлено.
Користувач може отримати готовий пристрій, але не знати, що відбувається всередині. У ньому можуть працювати фотони, кубіти, лазери, детектори та інші компоненти, однак для користувача внутрішня конструкція залишається своєрідною «чорною скринькою». Важливо інше: чи виконує машина поставлене перед нею завдання?
Саме для цього дослідники розробляють спеціальні методи сертифікації квантових систем.
Одна з основ таких досліджень — так звана нелокальність Белла. Це квантове явище використовується для створення інструментів, які дозволяють сертифікувати квантові системи, операції та технології. Особливо важливими ці методи є для квантової криптографії, де вони можуть застосовуватися, зокрема, для перевірки безпеки криптографічного ключа, створеного за допомогою квантових станів.
Не заглядаючи всередину
Найцікавіше в цьому підході те, що для перевірки квантового комп’ютера не потрібно відкривати його корпус або досліджувати всі внутрішні компоненти.
Замість цього використовується звичайна, класична комунікація. Користувач ставить квантовому комп’ютеру певні запитання, машина відповідає звичайними бітами інформації, а отримані результати накопичуються та аналізуються статистично.
Якщо зібрати достатню кількість відповідей, за їхньою статистикою можна зробити висновок про те, що відбувається всередині системи: чи створює комп’ютер потрібні квантові стани, чи виконує необхідні операції та чи відповідає його поведінка очікуваній.
Інакше кажучи, ми не бачимо внутрішнього механізму, але можемо оцінити його роботу за результатами.
Цей принцип можна приблизно порівняти зі звичайним банкоматом. Користувач не відкриває пристрій, щоб перевірити його електроніку. Він виконує операції та оцінює результат. У випадку квантового комп’ютера принцип схожий, але математично й фізично значно складніший.
«Незалежність від пристрою»
Розроблювані методи мають бути незалежними від конкретної конструкції квантової машини. Саме тому їх називають device-independent, тобто «незалежними від пристрою».
Такий підхід має бути універсальним і дозволяти сертифікувати різні багаточастинкові квантові стани. Це особливо важливо, оскільки майбутні квантові комп’ютери працюватимуть із такими станами.
Втім, універсальність має свою ціну. Подібні методи дуже чутливі до шумів та інших перешкод. Тому нинішні результати є передусім proof of principle — демонстрацією принципової можливості. Дослідники показують, що такий підхід у принципі працює, але це ще не означає, що метод уже готовий для застосування до будь-якого реального квантового комп’ютера.
Наступний етап — створити практичніші методи, які потребуватимуть меншої кількості вимірювань та статистичних даних і водночас будуть стійкішими до шумів.
Від теорії — до реальних машин
Одним із ключових завдань нового Центру обчислень із використанням квантових технологій є саме перехід від теоретичних результатів до експериментів.
Дослідники планують співпрацювати з експериментаторами, щоб перевіряти розроблені методи на практиці. Деякі з них уже проходили експериментальну перевірку, але поки працюють лише в окремих випадках. Створити універсальний метод для різних квантових систем і станів значно складніше.
Важливу роль у цьому процесі відіграє доступ до реального квантового комп’ютера. У межах спільної програми з Познанським центром суперкомп’ютерних і мережевих технологій дослідники отримали можливість працювати з квантовою машиною на 20 кубітів. Це дозволить безпосередньо тестувати розробки на реальному обладнанні.
Квантові технології потребують нових фахівців
Розвиток квантових комп’ютерів — це не лише питання обладнання та фундаментальної фізики. Потрібні також люди, які вміють програмувати й досліджувати такі системи.
Доступ до реального квантового комп’ютера дає можливість навчати молодих науковців програмуванню квантових машин. У Центрі вже є зацікавлені колеги та студенти магістратури, а згодом мають долучитися й докторанти.
Якщо квантові комп’ютери справді виправдають очікування і технологія стане масштабною, фахівці, які вже сьогодні отримують відповідні знання та навички, матимуть значну перевагу на майбутньому ринку праці.
Що буде далі?
Квантові комп’ютери поки що перебувають на етапі активного розвитку. Вони вже існують як реальні пристрої, але водночас стикаються з фундаментальними проблемами — шумами, декогеренцією та складністю перевірки їхньої роботи.
Тому наступний великий крок полягає не лише у збільшенні кількості кубітів. Не менш важливо навчитися надійно перевіряти, чи справді квантова машина створює потрібні стани та виконує необхідні операції.
І саме тут з’являється особливо цікава ідея: можливо, майбутній квантовий комп’ютер не потрібно буде «відкривати», щоб зрозуміти, чи працює він правильно. Достатньо буде правильно з ним взаємодіяти, поставити потрібні запитання та уважно проаналізувати його відповіді.
А якщо квантові технології справді виправдають свої очікування, наступним великим питанням стане їхнє поєднання з іншими напрямами обчислень, зокрема зі штучним інтелектом. Тоді нинішні експерименти з «чорними скриньками» можуть виявитися лише початком значно більшої технологічної революції.
М.Т. / PR I