Квантовый компьютер — вычислительное устройство, построенное на принципах квантовой механики. Теоретическая производительность таких компьютеров во много раз превышает традиционные системы на базе полупроводниковых процессоров.
Биты и кубиты
Квантовый компьютер оперирует кубитами (квантовыми битами) — минимальными квантовыми единицами хранения информации. С точки зрения физики кубит — это элементарная частица, например электрон, а значение кубита — это значение одного из физических свойств этой частицы.
В отличие от классических битов, которые могут иметь только одно из двух значений («1» или «0»), кубиты в процессе вычислений (пока их итоговое состояние не измерят) находятся в суперпозиции этих двух значений, то есть с определенной вероятностью могут принять любое из них. Кроме того, каждый кубит постоянно взаимодействует с другими кубитами квантовой системы таким образом, что их состояния влияют друг на друга.
Благодаря особенностям кубитов квантовый компьютер в теории может решать некоторые задачи, для которых мощностей обычных компьютеров недостаточно. При этом для решения некоторых других задач квантовый компьютер не предназначен.
Возможные применения квантовых компьютеров
К числу задач, в которых квантовые компьютеры могут быть эффективнее классических, относятся:
- Создание новых криптографических алгоритмов.
- Быстрый поиск по базам данных.
- Моделирование молекулярных систем.
- Ресурсоемкие научные исследования.
Также квантовые компьютеры в теории могут облегчить взлом асимметричных алгоритмов шифрования, таких как RSA.
Проблемы квантовых компьютеров
Несмотря на огромные теоретические вычислительные возможности квантовых компьютеров, на практике они развиваются довольно медленно. Для них характерен ряд проблем, которые исследователи пока решают с переменным успехом.
- Чувствительность к окружению. Внешние факторы влияют на состояние отдельных кубитов и системы в целом. Дестабилизировать ее могут малейшие изменения температуры, давления, или, например, пролетевший рядом фотон. Чтобы обеспечить стабильную работу квантовых компьютеров, их устанавливают в изолированных от внешней среды саркофагах, внутри которых поддерживается температура, близкая к абсолютному нулю. Системы экранирования и охлаждения стоят дорого и занимают много места.
- Ошибки вычислений. Результат квантовых вычислений — вероятностный, то есть не всегда правильный. При этом в работе квантовых систем, как и в работе традиционных компьютеров, могут возникать сбои и ошибки. Чем сложнее и мощнее система, тем больше она подвержена ошибкам.
- Отсутствие стандартов. Существующие квантовые компьютеры реализованы по-разному, поэтому универсального ПО для работы с ними нет. Эта проблема была характерна и для традиционных компьютеров на ранних этапах их развития.