Что такое квантовые компьютеры?
Работа любого современного вычислительного устройства основана на обработке информации. Информация в компьютерах представляется в виде набора нулей и единиц — так называемых битов. Если, например, вы хотите сложить два числа, компьютер сначала представляет каждое из них в виде уникальной последовательности нулей и единиц, а затем пропускает через специальное устройство, которое производит операцию сложения. Если вам нужно сложить два других числа, то компьютер создаёт два новых набора битов и снова пропускает их через то же устройство.
Компьютеры, которые были бы способны использовать квантовые свойства вещества, могли бы работать значительно быстрее. Дело в том, что микрообъекты, например отдельные атомы, могут находиться в особом состоянии квантовой суперпозиции, не встречающемся в нашем мире больших предметов. При квантовой суперпозиции объект в некотором смысле находится сразу в двух состояниях. Иначе говоря, если бы атом вёл себя как обычный объект, то он мог бы находиться или в состоянии покоя, или в состоянии возбуждения (например, немного колебаться). Но атом может находиться и в неком промежуточном состоянии, в котором он одновременно и покоится, и колеблется. Это состояние и называется квантовой суперпозицией состояний покоя и возбуждения.
Если мы обозначим состояние покоя как 0, а состояние возбуждения — как 1, то атом в квантовой суперпозиции оказывается способным хранить сразу два значения вместо одного. А значит, если мы будем проводить с ним какие-то операции, то эти операции будут производиться одновременно и с нулём, и с единицей. В такой системе за один раз можно, например, вычислить сразу три суммы: 0+0, 0+1 и 1+1. Если же таких атомов много, то с ними можно за раз произвести столько однотипных вычислений, сколько требуется.
За счёт этой особенности квантовые компьютеры должны намного эффективнее обычных справляться с задачами, в которых требуется перебор большого количества значений. Примером такой задачи является, например, взлом неизвестного кода. Это сделало бы крайне уязвимыми все существующие защиты от несанкционированного доступа.
Например, злоумышленник, обладающий квантовым компьютером, с лёгкостью смог бы получить доступ к любой банковской карте или счёту.
Именно поэтому многие банки сейчас активно исследуют возможности квантовой криптографии, которая должна прийти на смену обычной криптографии и за счёт законов квантовой физики гарантирует, что в случае попытки взлома вы как минимум тут же о ней узнаете и сможете оперативно предотвратить возможный ущерб.
Но, к сожалению, на данный момент существует не так много задач, для решения которых квантовые компьютеры могли бы действительно быть более эффективными, чем компьютеры обычные. Чтобы задействовать квантовые эффекты в полной мере, нужны специальные алгоритмы, а в подавляющем большинстве случаев такие алгоритмы или невозможны в принципе, или настолько сложны, что пока не разработаны. Поэтому, даже если квантовый компьютер удастся создать в ближайшем будущем, он будет или узконаправленным, как знаменитый D-Wave, или будет работать ненамного быстрее обычного компьютера. Существует, однако, одна область, в которой приход квантовых вычислений может совершить мини-революцию. Эта область — химия.
Квантовые симуляторы
Углубление нашего понимания того, как мир устроен на уровне атомов и молекул, и возникновение в начале XX века квантовой механики привели к коренному изменению химии как науки. До этого химия была по большей части эмпирической наукой, которая основывалась не на строгих теоретических моделях, а на многочисленных опытных данных. Существовали определённые правила, по которым можно было пытаться предсказывать исход новых химических реакций, но эти правила были далеки от совершенства и в лучшем случае давали только грубое приближение, а зачастую предсказывали совершенно неверный результат. Единственным способом проверить, будет ли та или иная потенциально полезная реакция работать, было непосредственное проведение эксперимента. И если в неорганической химии в силу её большей простоты это ещё как-то работало, то в химии органических веществ большинство открытий совершалось или случайно, или в результате долгой кропотливой работы по перебору большого количества реагентов.
В 1920-е годы учёные создали квантовую физику — инструмент, который в принципе позволяет рассчитывать результаты химических реакций на бумаге. Проблема, однако, заключается в том, что точный расчёт даже в простейших случаях требует совершенно немыслимых временных затрат. И даже развитие компьютерных технологий не позволило в полной мере решить эту проблему. Задачу квантового расчёта того, как двигаются молекулы, — а именно это требуется для химических реакций — относят к классу экспоненциально сложных. На практике это означает, что такие задачи не могут быть решены ни сейчас, ни в каком-либо обозримом будущем при поступательном развитии технологий вычислений.
Поэтому для расчёта химических реакций применяются приближённые методы. Сначала они были относительно простыми и не очень точными, но со временем их точность повышалась, а сложность росла. Их изучением и развитием занимается вычислительная квантовая химия. Сейчас каждый год собираются огромные конференции, на которых тысячи учёных делятся последними достижениями в этой области. И хотя компьютеры могут уже очень многое — вплоть до предсказания эффективности действия инновационного лекарства — последнее слово, как и 100 лет назад, остаётся за экспериментами.
Однако в последние годы то тут, то там в сообществе учёных, занимающихся квантовой химией, слышатся фразы: «Пройдёт несколько лет, и мы потеряем работу. Все вычисления будут делать квантовые симуляторы, и будут делать их точнее и быстрее, чем мы». Чего же так боятся квантовые химики?
Идея квантовых симуляторов восходит к статье знаменитого физика Ричарда Фейнмана, опубликованной в 1982 году. В ней нобелевский лауреат высказал относительно простую мысль. Если у нас будут квантовые компьютеры, то есть компьютеры, которые совершают вычисления по квантовым законам, то было бы вполне естественно в первую очередь использовать их для вычислений, связанных с квантовыми системами, — в частности, для вычислений в квантовой химии.
И действительно, как показали дальнейшие исследования, это возможно. И более того, такие вычисления смогут в полной мере задействовать уникальные возможности квантовых компьютеров, то есть они будут выполняться значительно быстрее, чем на компьютерах обычных. Это позволит решать задачи точного расчёта химических реакций за разумное время и заменить дорогостоящие прямые эксперименты на более дешёвые вычисления.
Более того, одна из проблем квантовых компьютеров — разрушающее действие окружающей среды, не позволяющее подолгу сохранять квантовую суперпозицию, — в квантовых симуляторах может быть использовано для пользы дела. Ведь реальные квантовые системы тоже находятся в окружении других тел, которые точно так же разрушают квантовые эффекты в них. Это воздействие можно имитировать с помощью действия окружения на кубиты квантового симулятора.
Применение квантовых симуляторов
Сейчас уже созданы первые, самые простые квантовые симуляторы. Так, в 2010 году группа экспериментаторов из Квинслендского университета в Австралии и Гарвардского университета в США сообщила, что им удалось рассчитать свойства самой простой молекулы — молекулы водорода — с достаточной для химиков точностью при помощи квантового симулятора, кубиты которого были основаны на «частицах» света — фотонах.
Молекула водорода пока остаётся основным объектом, который исследуют на квантовых симуляторах, но сами симуляторы при этом с каждым годом улучшаются. Работа ведётся в нескольких направлениях. Во-первых, учёные пробуют разные реализации квантовых симуляторов. В качестве кубитов могут быть использованы охлаждённые до сверхнизких температур атомы, отдельные электроны или ядра некоторых атомов, сверхпроводящие кольца или, как в работе 2010 года, фотоны.
Каждая из этих реализаций имеет свои особенности. Например, системы на охлаждённых атомах требуют больших и относительно дорогих установок, хотя и удобны с точки зрения управления состоянием кубитов. Системы на основе ядер, управляемых при помощи эффекта ядерного магнитного резонанса, относительно просты, но, наоборот, не обладают достаточной гибкостью управления. Этой проблемы лишены системы, основанные на электронах, пойманных в так называемые квантовые ямы в полупроводниках. Именно они являются сейчас одним из наиболее перспективных направлений с точки зрения технологичности и дешевизны производства. В некоторых приложениях более удобны системы на основе сверхпроводящих колец, которые, однако, имеют относительно большой размер, и поэтому вряд ли удастся создать их с большим количеством кубитов.
Другое направление, в котором развиваются современные исследования квантовых симуляторов, — разработка более эффективных алгоритмов, в том числе алгоритмов, способных исправлять или как минимум подавлять неизбежные в подобных системах ошибки. Ну и, конечно, улучшаются методы работы с кубитами: увеличивается время их работы, возрастает гибкость настройки квантовой системы и количество контролируемых параметров.
Всё это уже в скором времени приведёт к тому, что квантовые симуляторы начнут применять к реальным сложным ситуациям, к химическим веществам и реакциям, которые в данный момент неподвластны даже самым точным нашим расчётам. И хотя предсказать, насколько масштабной окажется эта революция, невозможно, вряд ли могут быть сомнения в том, что современная химия претерпит серьёзные изменения, а многим учёным придётся радикально поменять тематику своих исследований.