XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Квантовые компьютеры представляют собой одну из самых актуальных и перспективных тем в современной науке и технологии. Они должны стать главным открытием нашего времени. Но что они из себя представляют и чем отличаются от классических компьютеров?

Используют это чудо – машины особенности квантовой механики для осуществления разных вычислений. А отличаются от классических тем, что вместо битов, представленнымитолько 0 или 1, управляют кубитами, которые могут находиться в двух состояний одновременно.

Вследствие таких возможностей, квантовые компьютеры способны решать сложные задачи гораздо успешнее своих предшественников, которые не справляются с такими задачами. Эти компьютеры смогут помочь в поиске новых лекарств, обучении, коммуникации, обеспечении безопасности, обнаружении жизнеспособных планет, прогнозировании климатических изменений, определении способности иммунной системы бороться с раковыми клетками. Именно подобные компьютеры могут стать настоящим прорывом в таких областях, как биология, химия, медицина, искусственный интеллект, криптография, экология, аэрокосмическая отрасль и другие важные направления. Однако пока что персональные квантовые машины не существуют и недоступны для широкого использования.

В этой работе рассматриваются характеристики, перспективы и возможности квантовых компьютеров. Они могут быть представлены на различных физических платформах, которые используют разные типы кубитов. Что такое кубит? Кубит - это квантовая система, которая может находиться в двух состояниях, обозначаемых как |0> и |1>. Кубиты могут быть связаны друг с другом через квантовую запутанность, что позволяет проводить сложные расчеты. Вот несколько основных параметров, которые характеризуют квантовые компьютеры:

• Если квантовый компьютер имеет более длительное когерентное время, он будет работать более надежно. Когерентное время - это период, когда кубит может сохранять своё квантовое состояние без потери информации вследствие воздействия внешних факторов.
• Если кубитов больше, то и больше возможностей для решения сложных вычислений.
• Если масштабируемость высокая, то и больше потенциал для развития квантового компьютера.
• Скорость операций высокая, значит, быстрее работает квантовый компьютер.
• При условии низкой точности операций больше шума и искажений вносится в вычисления.
Какие же виды кубитов существуют в настоящее время для создания квантовых компьютеров? Во-первых, есть сверхпроводящие кубиты, которые создаются из сверхпроводящих материалов и имеют два дискретных энергетических уровня. Эти кубиты используются в квантовых компьютерах IBM, Google, Intel и Rigetti. Во-вторых, есть ионные кубиты, которые основаны на заряженных атомах (ионах), удерживаемых в ловушке электрическим или магнитным полем. Используются эти виды в квантовых компьютерах IonQ и AlpineQuantumTechnologies.

Спиновые и фотонные - это два типа кубитов, используемых в квантовых компьютерах.

Фотонные кубиты основаны на световых частицах и могут быть кодированы поляризацией или частотой. Они используются в компьютерах Xanadu и PsiQuantum.

Спиновые кубиты, с другой стороны, основаны на спине электрона или ядра атома и могут быть ориентированы вверх или вниз. Они используются в компьютерах Intel и QuTech. Квантовые вычисления могут решать задачи, которые трудно найти с помощью обычных компьютеров, и их скорость увеличивается с увеличением числа кубитов [1, с. 90].
Криптография, криптоанализ - области, в которых квантовые компьютеры имеют огромное значение. Например, квантовый алгоритм факторизации, разработанный П. Шором, является основным препятствием для распознавания современных шифров. Если для факторизации числа с 1000 знаками потребуется 1025 лет работы 1000 современных компьютеров, то квантовый компьютер с регистром из 10 000 кубитов справится с этой задачей за несколько часов. Алгоритм Шора можно использовать даже на квантовом компьютере с небольшим числом кубитов и применять его в будущем для безопасного шифрования и расшифровки в реальном времени.

Когда сообщение, зашифрованное квантовым компьютером, перехватывается, оно теряет свою структуру и становится непонятным для получателя. Появление такого типа шифрования может играть важную роль в борьбе криптографов за более надежные способы защиты сообщений. Кроме того, развитие квантовых компьютеров позволит создать новое поколение экспертных систем. Эти системы будут необходимы для принятия обоснованных решений в сложных условиях, когда времени, опыта и информации не хватает. Квантовые компьютеры смогут предоставить квалифицированные консультации и подсказки по заданным вопросам.

Разработка экспертных систем, также известных как разработка искусственного интеллекта, имеет много общего с созданием систем на основе квантовых компьютеров. Такие системы могут занять место самых лучших ученых и накапливать интеллектуальный потенциал со временем. Все же, люди все равно останутся важными, так как им будет поручена формулировка запросов для экспертных систем. Возможно, мы еще не осознали полный ресурс квантовых расчетов, которые смогут охватить практически все сферы деятельности человека.
Однако в сфере квантовых вычислений также возникает ряд трудностей и вызовов, которые затрудняют ее развитие. Например, физическая система рассматриваемого нами компьютера должна соответствовать следующим условиям:

1. В системе должно быть точно известное число частиц.

2. Необходима возможность привести систему в точно известное начальное состояние.

3. Высокая степень изоляции от внешней среды.

4. Система должна быть способна менять свое состояние в соответствии с заданной последовательностью унитарных преобразований в фазовом пространстве.

5. Должна быть возможность выполнять "сильные измерения" состояния системы, то есть такие, которые переводят ее в одно из чистых состояний.
   Помеха в разработке новых квантовых машин заключается и в борьбе с ошибками, связанными с шумом и деградацией квантовых состояний. Эти ошибки могут привести к неправильным результатам.

Декогеренция - отрицательное влияние на систему связанных квантовых битов. Различные факторы, такие как радиация, изменение температуры и другие окружающие явления, могут повлиять на эту систему. Это воздействие полностью затемняет квантовую природу и заставляет квантовые биты принимать фиксированные значения. В результате квантовый компьютер превращается в обычный и очень медленный [2].
Для того чтобы противодействовать декогеренции, нужно применять особые способы исправления неточностей, которые увеличивают сложность вычислений.
Для развития таких компьютеров нужно создать новые языки программирования, которые специально адаптированы к особенностям квантовых вычислений. Еще требуется разработать общие стандарты для обеспечения совместимости между различными видами квантовых и классических компьютеров.

Технические трудности и высокая цена являются факторами, способствующие говорить о квантовых компьютерах как о дорогостоящих в производстве и эксплуатации.  С целью поддержания квантовых компьютеров необходимо использовать сложные технологии, а также создавать специальные условия (сверхнизкие температуры, высокий вакуум и изоляция от внешних помех).

Проблема с кадрами и образованием существует в области квантовых вычислений. Для этого требуются блестящие знания в физике, математике, информатике и инженерии.  К сожалению, количество подготовленных специалистов невысокое. Сфера образования просто не успевает обеспечить новыми кадрами. Несмотря на эти трудности, новые компьютеры имеют огромный успех для развития будущих технологий и научных исследований. Они необходимы для совершенствования новых перспектив и возможностей для человеческого общества. Компании Intel, Microsoft, Google и другие занимаются разработкой таких квантовых компьютеров, у которых миллионы квантовых битов, что раскроет их истинный потенциал [3].

Есть ли у квантовых компьютеров будущее? Однозначно, да.

Список литературы:

1. Коробченко Е.В. Квантовый компьютер: основные понятия, класс решаемых задач, перспективы развития. Экономическая безопасность и качество, 2018, No 3, с. 48–51.
2. Трошин А.М., Кондратьев В.Ю. Квантовый компьютер. Цифровизация экономики: направления, методы, инструменты. II Всерос. науч.-практ. конф.: сб. мат. Краснодар, КубГАУ, 2020, с. 264–266.
3. Соловьев В.М. Квантовые компьютеры и квантовые алгоритмы. Часть 1. Квантовые компьютеры. Изв. Сарат. ун-та Нов. Сер. Сер. Математика. Механика. Информатика, 2015, No 4.
4.«Квантовый компьютер» - Свободная энциклопедия «Википедия» http://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовый_компьютер.
5. Борисевич М.Н. О квантовом компьютере и квантовой медицине. Вестник ВГМУ, 2021, No 2, c. 18–24. DOI: http://doi.org/10.22263/2312-4156.2021.2.18
6.Олейникова А.В., Сурудин Д.С., Шафеев Д.Е. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Перспективы развития информационных технологий.