Квантовое преимущество — это та веха, над которой горячо работает область квантовых вычислений, где квантовый компьютер может решать проблемы, которые находятся за пределами досягаемости самых мощных неквантовых или классических компьютеров. Квант относится к масштабу атомов и молекул, где законы физики в том виде, в котором мы их воспринимаем, нарушаются и применяется другой, противоречащий здравому смыслу набор законов. Квантовые компьютеры используют это странное поведение для решения проблем. Есть некоторые типы проблем, которые нецелесообразно решать классическим компьютерам, например взлом современных алгоритмов шифрования. Исследования последних десятилетий показали, что квантовые компьютеры способны решить некоторые из этих проблем. Если можно будет построить квантовый компьютер, который действительно решит одну из этих проблем, он продемонстрирует квантовое преимущество. Я физик, изучающий квантовую обработку информации и управление квантовыми системами.
Я считаю, что этот рубеж научных и технологических инноваций не только обещает революционные достижения в области вычислений, но и представляет собой более широкий всплеск квантовых технологий, включая значительные достижения в квантовой криптографии и квантовом зондировании. Центральное место в квантовых вычислениях занимает квантовый бит или кубит. В отличие от классических битов, которые могут находиться только в состояниях 0 или 1, кубит может находиться в любом состоянии, представляющем собой некоторую комбинацию 0 и 1. Это состояние, состоящее не только из 1 или просто 0, известно как квантовая суперпозиция. С каждым дополнительным кубитом количество состояний, которые могут быть представлены кубитами, удваивается. Это свойство часто ошибочно принимают за источник силы квантовых вычислений. Вместо этого все сводится к сложной игре суперпозиции, интерференции и запутанности. Интерференция предполагает манипулирование кубитами так, чтобы их состояния конструктивно объединялись во время вычислений для усиления правильных решений и деструктивно для подавления неправильных ответов.
Конструктивная интерференция — это то, что происходит, когда пики двух волн (например, звуковых волн или океанских волн) объединяются, образуя более высокий пик. Деструктивная интерференция — это то, что происходит, когда пик волны и впадина волны объединяются и нейтрализуют друг друга. Квантовые алгоритмы, которых немного и которые сложно разработать, создают последовательность интерференционных картин, которые дают правильный ответ на задачу. Запутанность устанавливает уникальную квантовую корреляцию между кубитами: состояние одного невозможно описать независимо от других, независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся кубиты. Это то, что Альберт Эйнштейн, как известно, называл «жутким действием на расстоянии». Коллективное поведение запутанности, управляемое квантовым компьютером, обеспечивает ускорение вычислений, недостижимое для классических компьютеров.
Квантовые вычисления имеют ряд потенциальных применений, в которых они могут превзойти классические компьютеры. В криптографии квантовые компьютеры представляют собой как возможность, так и проблему. Наиболее известно то, что они способны расшифровывать современные алгоритмы шифрования, такие как широко используемая схема RSA. Одним из последствий этого является то, что сегодняшние протоколы шифрования необходимо модернизировать, чтобы они были устойчивы к будущим квантовым атакам. Это признание привело к растущей области постквантовой криптографии. После длительного процесса Национальный институт стандартов и технологий недавно выбрал четыре квантовоустойчивых алгоритма и начал процесс их подготовки, чтобы организации по всему миру могли использовать их в своих технологиях шифрования. Кроме того, квантовые вычисления могут значительно ускорить квантовое моделирование: возможность предсказать результат экспериментов, проводимых в квантовой сфере. Знаменитый физик Ричард Фейнман предвидел такую возможность более 40 лет назад. Квантовое моделирование открывает потенциал для значительного прогресса в химии и материаловедении, помогая в таких областях, как сложное моделирование молекулярных структур для открытия лекарств, а также позволяя открывать или создавать материалы с новыми свойствами.
Еще одним применением квантовой информационной технологии является квантовое зондирование: обнаружение и измерение физических свойств, таких как электромагнитная энергия, гравитация, давление и температура, с большей чувствительностью и точностью, чем неквантовые инструменты. Квантовое зондирование имеет множество применений в таких областях, как мониторинг окружающей среды, геологоразведка, медицинская визуализация и наблюдение. Такие инициативы, как развитие квантового Интернета, который соединяет квантовые компьютеры, являются важными шагами на пути к соединению миров квантовых и классических вычислений. Эту сеть можно защитить с помощью квантовых криптографических протоколов, таких как квантовое распределение ключей, которое обеспечивает сверхбезопасные каналы связи, защищенные от вычислительных атак, в том числе с использованием квантовых компьютеров. Несмотря на растущий набор приложений для квантовых вычислений, разработка новых алгоритмов, которые в полной мере используют квантовое преимущество — в частности, в машинном обучении — остаётся важнейшей областью текущих исследований.
Область квантовых вычислений сталкивается со значительными препятствиями в разработке аппаратного и программного обеспечения. Квантовые компьютеры очень чувствительны к любым непреднамеренным взаимодействиям с окружающей средой. Это приводит к явлению декогеренции, когда кубиты быстро переходят в состояния 0 или 1 классических битов. Создание крупномасштабных квантовых вычислительных систем, способных обеспечить квантовое ускорение, требует преодоления декогеренции. Ключевым моментом является разработка эффективных методов подавления и исправления квантовых ошибок, и именно на этой области сосредоточены мои собственные исследования. Для решения этих задач наряду с такими хорошо зарекомендовавшими себя игроками технологической отрасли, как Google и IBM, появилось множество стартапов в области квантового оборудования и программного обеспечения. Этот интерес отрасли в сочетании со значительными инвестициями со стороны правительств во всем мире подчеркивает коллективное признание преобразующего потенциала квантовых технологий. Эти инициативы способствуют созданию богатой экосистемы, в которой сотрудничают научные круги и промышленность, ускоряя прогресс в этой области.
Квантовые вычисления однажды могут стать столь же разрушительными, как появление генеративного искусственного интеллекта. В настоящее время развитие технологий квантовых вычислений находится на решающем этапе. С одной стороны, эта область уже продемонстрировала первые признаки достижения узкоспециализированного квантового преимущества. Исследователи из Google, а затем и группа исследователей в Китае продемонстрировали квантовое преимущество создания списка случайных чисел с определенными свойствами. Моя исследовательская группа продемонстрировала квантовое ускорение игры по угадыванию случайных чисел. С другой стороны, существует ощутимый риск наступления «квантовой зимы», периода сокращения инвестиций, если практические результаты не материализуются в ближайшем будущем. В то время как технологическая отрасль работает над предоставлением квантовых преимуществ в продуктах и услугах в ближайшем будущем, академические исследования по-прежнему сосредоточены на изучении фундаментальных принципов, лежащих в основе этой новой науки и технологий. Эти продолжающиеся фундаментальные исследования, подпитываемые энтузиазмом новых и талантливых студентов, с которыми я встречаюсь почти каждый день, гарантируют, что эта область будет продолжать развиваться.
