Учи Кванты! → Курс → Кубит и суперпозиция

Что такое квантовый компьютер простыми словами

Обычный компьютер и квантовый решают задачи разными способами. В этом уроке вы увидите их рядом: на каждом шаге обе машины получают одно и то же задание, слева обычная, справа квантовая, и разницу видно сразу.

Из чего они сделаны

Нажмите «Приблизить» и посмотрите на обе половины.

Слева обычный компьютер. Под увеличением его процессор распадается на ряды крошечных выключателей, транзисторов. Каждый выключатель в любой момент находится в одном из двух положений: пропускает ток или не пропускает. В процессоре смартфона таких выключателей около двадцати миллиардов, и всё, что умеет компьютер, складывается из их переключений.

Справа квантовый компьютер. Внутри его чипа нет выключателей. Там стоят отдельные объекты, которые подчиняются квантовым законам природы. В разных машинах это атомы, ионы, частицы света или крошечные контуры из металла, который на сильном холоде проводит ток без сопротивления. Таких объектов немного, десятки или сотни.

Они нарисованы размытыми облачками, и в этом смысл рисунка. У такого объекта до измерения нет одного определённого состояния, а выключатель без определённого положения не бывает. Квантовый компьютер считает с помощью именно таких свойств природы, и дальше вы увидите, что из этого получается.

Как идёт вычисление

Обе машины получают одну задачу. Это лабиринт из коридоров, которые расходятся и снова сходятся на перекрёстках. Внизу восемь выходов, и открыт только один. Нажмите «Запустить».

Слева шарик. Он идёт одним коридором до выхода. Если выход закрыт, шарик возвращается и пробует следующий. Так работает обычный компьютер: шаг за шагом, по одному пути, и в каждый момент он находится в одном месте. Счётчик под лабиринтом показывает, сколько коридоров шарику пришлось пройти.

Справа волна. Она растекается по всем коридорам сразу, и на каждом перекрёстке волны из двух коридоров складываются. Если они приходят в такт, волна за перекрёстком становится сильнее. Если не в такт, волны гасят друг друга, и коридор темнеет. К открытому выходу волны приходят в такт, и он загорается. В конце волну ловят на выходах, и почти всегда её ловят на открытом.

Нажмите «Показать, как волны складываются». Там это сложение видно крупно: гребень, наложенный на гребень, даёт гребень вдвое выше, а гребень, наложенный на впадину, даёт ровную линию. На этом же работают наушники с шумоподавлением. Они добавляют к шуму волну, у которой гребни стоят там, где у шума впадины, и шум пропадает.

Теперь нажмите «Перестроить лабиринт наугад». Коридоры станут другой длины, и волна после запуска разойдётся по многим выходам. Гашение не происходит само собой. Длины коридоров в первом лабиринте подобраны так, чтобы волны сошлись на открытом выходе, и такой подбор составляет главную работу того, кто придумывает квантовую программу. Для большинства задач подобрать так пока никто не умеет, об этом будет пятая станция.

Откуда этот принцип

Нажмите «Запустить».

Слева обычный компьютер берётся точно рассчитать молекулу кофеина. Полоска показывает, сколько памяти ему для этого нужно. По распространённой оценке это около 10⁴⁸ бит, а на всех накопителях человечества, по оценкам, около 10²³ бит. Поэтому полоска уходит далеко за край экрана.

Справа та же молекула. Ей ничего не нужно считать: она сама находится в своём состоянии, и природа не тратит на это ни одного шага.

Ниже второй пример. Свет от фонарика входит в воду и на границе меняет направление. Нажмите «Показать пути света». От фонарика до точки в воде можно провести путь через любую точку поверхности, и волна света идёт по всем этим путям. Пути рядом с тем, по которому свету нужно меньше всего времени, приходят почти в такт и складываются. Далёкие пути сбивают друг другу фазу и гаснут. Остаётся пучок вокруг одного пути, и по нему луч и идёт. Это тот же приём, что в лабиринте, только здесь его выполняет сама природа.

Физик Ричард Фейнман в 1981 году предложил взять этот способ у природы: построить машину из квантовых объектов и поручить ей задачи, которые обычному компьютеру даются труднее всего. Годом раньше похожую мысль высказал математик Юрий Манин.

Что получаешь в ответ

Нажмите «Запустить» несколько раз.

Слева обычный компьютер прошёл лабиринт и напечатал ответ: открыт шестой выход. Сколько раз его ни запускай, ответ один и тот же, и выдаётся он целиком.

Справа квантовый компьютер. Каждый запуск даёт одну вспышку: волну поймали на одном выходе. Какой выход вспыхнет в этот раз, заранее сказать нельзя. Известна только доля запусков, в которой вспыхнет каждый.

Нажмите «Запустить сто раз». Вспышки собираются над выходами в стопки. Над шестым выходом стопка самая высокая, над остальными почти пусто. Ответ читается по тому, где выросла стопка, а несколько вспышек мимо ему не мешают.

Поэтому квантовую программу всегда запускают много раз. А хорошую программу устраивают так, чтобы почти все запуски попадали в верный ответ.

Кто в чём сильнее

Квантовый компьютер не заменит обычный. Разложите карточки и посмотрите, какие задачи достанутся каждому.

Возьмите карточку и выберите, к какой машине вы бы её отнесли. Карточка перевернётся, и на обороте будет ответ и причина.

Обычный компьютер останется для всего, что делается шаг за шагом и требует точного ответа целиком: для текстов, видео, расчёта зарплат, игр. Квантовый возьмёт задачи, в которых сама природа квантовая, как у молекул и материалов, и те, где ответ удаётся получить сложением волн. Есть и задачи, про которые пока неизвестно, выиграет ли на них квантовая машина. Их карточки ложатся посередине.

Где мы сейчас

Нажмите «Показать историю».

На левой линии машины, которыми люди считали веками: счёты, арифмометр, ламповая вычислительная машина, машина на транзисторах, персональный компьютер, смартфон. Они отличаются размером и скоростью в миллиарды раз, но считают одним способом: шаг за шагом переводят что-то из одного положения в другое.

Квантовая линия отходит от неё вправо в 1980–1981 годах, с мысли Манина и Фейнмана. Первые опыты на двух квантовых объектах поставили в 1998 году. Сейчас машины собирают из сотен объектов, а в опытах уже из тысяч, и на них запускают программы. Но машины пока маленькие и шумные: малейшее тепло или толчок разрушает квантовые свойства их объектов. Поэтому многие из них держат при температуре ниже, чем в открытом космосе.

Квантовый компьютер считает с помощью законов природы, которыми обычные машины не пользуются вовсе. Поэтому он сильнее обычного там, где эти законы работают на задачу. В следующем уроке вы сами запустите первую программу и познакомитесь с кубитом: так называют квантовые объекты, из которых собирают такие машины.

Дальше урок продолжается интерактивом — откройте его на сайте.