XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

В последнее время люди все больше стали интересоваться различными компьютерными и вычислительными технологиями. И мы все чаще стали слышать о такой перспективной вещи как «Квантовый компьютер». Так что же такое квантовый компьютер? И для чего его применяют?[1]

Обычные компьютеры сохраняют данные в двоичном формате, где минимальной единицей хранения является бит, принимающий одно из двух значений: 0 или 1. При выполнении задач обычный компьютер осуществляет множество последовательных операций с битами, что может занять много времени при решении сложных задач.[2]

Квантовые компьютеры функционируют по совершенно иному принципу. Для решения алгоритмических задач они применяют квантовые биты, известные как кубиты.

Таким образом квантовые компьютеры используют принципы квантовой механики для обработки информации, что позволяет им решать определённые задачи значительно быстрее, чем классические компьютеры.

Основные принципы работы квантовых компьютеров:

1. Квантовые биты (кубиты)[3]

Классические биты могут находиться в одном из двух состояний: 0 или 1. Кубиты, наоборот, могут находиться в состоянии 0, 1 или в суперпозиции этих состояний. Это означает, что кубит может представлять одновременно множество значений, что увеличивает вычислительную мощность.

2. Суперпозиция

Суперпозиция — это свойство кубитов, позволяющее им находиться в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно.

3. Запутанность

Запутанные кубиты имеют коррелированные состояния, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Изменение состояния одного кубита мгновенно влияет на состояние другого, что может быть использовано для создания более сложных вычислительных схем и алгоритмов.

4. Интерференция

Квантовые алгоритмы используют интерференцию для усиления вероятности правильных ответов и подавления неправильных. Это достигается за счёт манипуляций с амплитудами вероятностей состояний кубитов.

Физическая реализация квантовых компьютеров предполагает использование различных подходов, например:

• Квантовый компьютер на ионах в ловушках. В качестве кубитов используются уровни энергии ионов, захваченных ионными ловушками в вакууме.  [4]

• Квантовый компьютер на органической жидкости. Физической системой, представляющей кубиты, является макроскопический объём органических практически независимых молекул жидкости, содержащих атомы с ядерными спинами, различающимися по резонансной частоте. 

• Физическая реализация на основе кудитов. Учёные Российского квантового центра запатентовали способ выполнения квантовых вычислений с использованием кудитов — квантовых систем, которые, в отличие от кубитов, способны одновременно находиться в более чем двух состояниях.

В качестве кубитов могут быть использованы ионы или нейтральные атомы с двумя низколежащими колебательными или сверхтонкими уровнями, удерживаемые в силовых ловушках, сверхпроводниковые структуры, отдельные электронные и ядерные спины в магнитном поле, квантовые точки с двумя электронными орбитальными и спиновыми состояниями, определённые состояния квантованного электромагнитного поля в электродинамических резонаторах и фотонных кристаллах.

Область применения и перспективы квантовых компьютеров:

Одна большая потенциальная область применения — это криптография. Последующие — оптимизационные задачи и разработка искусственного интелекта.[5]
1.Наука. Квантовые вычисления способны предсказывать поведение элементарных частиц, моделировать молекулы ДНК и разрабатывать новые лекарства. Мы не можем точно предсказать, как они будут вести себя, но лучший способ понять это — симулировать их на квантовом компьютере. Эта научная задача имеет значительный бизнес-потенциал: новые препараты, добавки, антибиотики.

2. Новые материалы. В области науки о материалах ключевым является понимание взаимодействия атомов, что можно моделировать с помощью квантовых компьютеров. Это также научная задача, но созданный новый материал может быть продан.

3. Машинное обучение и искусственный интеллект. Машинное обучение — это сложный процесс, требующий огромного объема вычислений. В настоящее время квантовые компьютеры не приносят практической пользы в этой области, так как находятся на начальном этапе развития. Однако в будущем они могут ускорить стандартные алгоритмы, что может радикально сократить время обучения нейросетей.

4. Транспорт, энергетика, логистика. В этих сферах множество задач оптимизации. Например, в энергетике ключевой проблемой является распределение электричества по стране, где цена на энергию варьируется, а при передаче часть теряется, что снижает прибыль. Бизнес стремится оптимизировать этот процесс, и квантовые компьютеры могут оказать помощь в решении таких задач.

5. Бизнес-приложения. В бизнесе квантовыми вычислениями занимаются в основном крупные корпорации, такие как Google, D-Wave и IBM, имеющие необходимые ресурсы и финансирование.

Перспективы квантовых технологий очень многообещающие, и их развитие может привести к революционным изменениям в различных отраслях.

В настоящее время квантовые компьютеры находятся на стадии развития и испытывают трудности с масштабируемостью и возникающими ошибками. Они демонстрируют большой потенциал для решения задач, которые традиционные компьютеры решают за неприемлемо долгое время. Квантовые технологии преобразовывают концепцию вычислений и обработки данных, превосходя классические методы в ключевых областях, таких как факторизация больших чисел, моделирование систем и оптимизация сложных задач. [6]

Трудности и проблемы с которыми сталкиваются квантовые компьютеры:

• Ошибки и декогеренция: Кубиты подвержены воздействию внешней среды, что может приводить к ошибкам в вычислениях.

• Масштабируемость: Создание большого числа кубитов, которые могут работать совместно, является сложной задачей.

• Разработка эффективных алгоритмов: Необходимо разработать алгоритмы, которые смогут использовать преимущества квантовых вычислений.

• Отсутствие стандартов: В области квантовых технологий еще нет общепринятых стандартов, что затрудняет интеграцию и совместимость различных систем.

• Ограниченное количество квантовых битов (кубитов): Современные квантовые компьютеры имеют ограниченное количество кубитов, что ограничивает их вычислительные возможности.

Вывод:

Квантовые компьютеры находятся на переднем крае технологической революции, открывая новые горизонты для научных исследований и практических приложений. Несмотря на то, что эта технология все еще находится на стадии развития, ее потенциал уже сейчас вызывает большой интерес среди ученых, инженеров и бизнесменов. В будущем квантовые компьютеры могут стать неотъемлемой частью нашей жизни, улучшая безопасность данных, оптимизируя процессы и способствуя научным открытиям. Однако для реализации этого потенциала необходимо преодолеть множество технических и теоретических вызовов. Успех в этой области может привести к значительным изменениям в нашем понимании вычислений и их применения в реальном мире.

Список литературы:

1.Физические основы и проблемы технической реализации квантового компьютера Т.В Вахний, А.К. Гуц

2. https://vc.ru/future/1217470-kvantovye-kompyutery-chto-oni-izmenyat-v-nashei-zhizni

3. https://gb.ru/blog/kvantovyj-kompjuter/

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовый_компьютер#Возможные_применения

5. https://habr.com/ru/companies/oleg-bunin/articles/493244/

6. https://www.computerra.ru/304275/kvantovye-vychisleniya-potentsial-vyzovy-i-perspektivy-dlya-nauki-i-biznesa/