# Как устроены квантовые компьютеры: Клео Абрам в лаборатории IBM

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=e3fz3dqhN44
Канал: Cleo Abram and Marques Brownlee
Опубликовано: 04.04.2023

---

Клео Абрам и Маркес Браунли отправились в исследовательский центр IBM, чтобы воочию увидеть один из самых передовых квантовых компьютеров в мире и понять, почему эта технология вызывает такой глобальный ажиотаж. Вопреки распространенным мифам, квантовые устройства не являются просто увеличенными или ускоренными версиями современных суперкомпьютеров. Это принципиально новый класс вычислительных машин, способный решать задачи, абсолютно недоступные для классической кремниевой архитектуры.

## 🗺️ Новая карта вычислений: почему квантовый компьютер — это не просто быстрый автомобиль
[[JUMP:03:47]]

Чтобы объяснить суть квантовых вычислений, Клео Абрам приводит аналогию, услышанную ею от известного физика-квантовика. Представьте себе карту виртуального мира или видеоигры, перемещение по которой напрямую зависит от способности человека или устройства решать математические задачи.

Эволюция человеческих вычислений в рамках этой метафоры выглядит следующим образом:

* **Пеший ход:** В эпоху до появления вычислительных машин ученые передвигались по математической карте «пешком», используя лишь бумагу и карандаш, из-за чего сложные расчеты в геометрии и астрономии занимали целые поколения.
* **Лошади:** Появление ранних электронно-вычислительных машин позволило человечеству пересесть на «лошадей», значительно расширив доступные области карты и ускорив обработку массивов данных.
* **Автомобили и магистрали:** Современные суперкомпьютеры превратили карту в разветвленную сеть скоростных дорог, позволяя добираться до сложнейших математических зон быстрее, чем когда-либо в истории.

Однако, как подчеркивают авторы видео, квантовый компьютер — это не сверхскоростной спорткар, это лодка. Лодка не обязательно лучше машины, она просто создана для совершенно другой местности — для перемещения по воде, куда автомобиль доехать физически не способен. Таким образом, квантовые компьютеры призваны не ускорять привычные нам процессы, а исследовать новые «математические воды».

Маркеса Браунли в этой технологии больше всего интересует практический аспект: когда именно квантовые вычисления начнут влиять на решения обычных людей при покупке повседневных гаджетов. При этом он задается вопросом, появится ли когда-нибудь квантовый компьютер в кармане пользователя, сравнивая это с футуристическим концептом «летающей машины-лодки». Клео Абрам убеждена, что квантовый компьютер никогда не заменит обычный iPhone, поскольку они созданы для принципиально разных типов задач.

## ❄️ Внутри «золотого осьминога»: визит в лабораторию IBM
[[JUMP:06:20]]

Команда проекта прибыла в исследовательский центр IBM (IBM Research). Проходя по коридорам, Клео и Маркес обратили внимание на историческую инсталляцию суперкомпьютера Watson, который в свое время победил человека в интеллектуальном телешоу Jeopardy.

В лаборатории Брента исследователей встретила Оливия Лейнс, сотрудница научной команды IBM, занимающаяся образовательными и комьюнити-программами. Она продемонстрировала установку, которую в прессе часто называют «золотым осьминогом» из-за ее характерной формы и обилия медных и позолоченных элементов.

Как выяснилось, то, что люди привыкли видеть на пресс-фотографиях — это не сам компьютер, а огромный рефрижератор растворения (dilution refrigerator).

Основные конструктивные особенности установки:

* **Экстремальное охлаждение:** Внутри поддерживается температура в 15 милликельвинов (в транскрипте спикеры используют упрощенное «15 Мелвинов»), что делает внутреннее пространство рефрижератора самым холодным местом во Вселенной — это значительно холоднее глубокого космоса.
* **Процессор:** Сам квантовый компьютер представляет собой небольшую микросхему (чип), расположенную в самой нижней, максимально охлаждаемой точке установки.
* **Сигнальные кабели:** Многочисленные провода, оплетающие конструкцию, спускают управляющие сигналы вниз к процессору, а затем поднимают результаты квантовых вычислений обратно к электронике комнатной температуры, переводящей их на понятный человеку язык.

## 🌊 Бит против кубита: как волны заменяют единицы и нули
[[JUMP:08:21]]

Главное различие между классической и квантовой архитектурами кроется в базовых элементах хранения и обработки информации. Классические компьютеры работают на битах, созданных на базе кремния. Бит может находиться строго в одном из двух бинарных состояний: 0 (основное состояние) или 1 (возбужденное состояние). Из этих цепочек складываются все тексты, цвета и изображения на экранах современных устройств.

Квантовый компьютер базируется на кубитах (квантовых битах). Кубит не равен единице или нулю — его природа гораздо сложнее и ближе к поведению волны. У каждого кубита есть определенная вероятность оказаться нулем (низкоэнергетическая волна) или единицей (высокоэнергетическая волна). Во время работы компьютера эти вероятности множества кубитов взаимодействуют друг с другом, накладываясь и интерферируя — конструктивно или деструктивно, подобно волнам от двух кругов на воде.

Оливия Лейнс развеивает популярное заблуждение о том, что квантовые компьютеры просто одновременно перебирают все возможные варианты решения задачи. По ее словам, алгоритм устроен иначе: машина скорее «наблюдает за прудом», отслеживая интерференцию волн вероятностей, и в результате математического взаимодействия находит наиболее вероятный и точный ответ.

Из-за такой специфики квантовые вычисления не подходят для повседневных задач. Квантовый компьютер не будет быстрее вашего смартфона или калькулятора в операциях простого сложения. Однако его сила заключается в поиске скрытых структур и закономерностей в гигантских массивах сложных данных.

## 🧪 Моделирование природы и взлом шифров: на что способны квантовые «субмарины»
[[JUMP:10:44]]

Возвращаясь к метафоре математической карты, авторы выделяют две главные «акватории», которые человечество планирует исследовать с помощью квантовых технологий.

Первое важнейшее направление — это симуляция природы. Поскольку наш мир на молекулярном и атомном уровнях фундаментально квантовый, он подчиняется законам квантовой физики. Классические суперкомпьютеры не способны просчитать поведение молекул крупнее определенного размера из-за экспоненциального роста сложности вычислений. Полноценный квантовый компьютер необходим для разработки высокоэффективных аккумуляторных батарей или создания принципиально новых материалов и лекарств за счет точного прогнозирования молекулярных связей.

Вторая область применения, вызывающая наибольшее беспокойство у правительств по всему миру — это криптография и взлом шифров.

Ключевые факты о квантовой угрозе безопасности:

* **Алгоритм Шора:** Первым прорывным алгоритмом для квантовых систем стал алгоритм Питера Шора, способный эффективно находить простые множители огромных чисел.
* **Уязвимость RSA:** На поиске простых множителей базируется алгоритм шифрования RSA, защищающий практически все современные интернет-транзакции.
* **Скорость взлома:** Классическому компьютеру методом перебора потребовались бы миллиарды лет для взлома такого шифра, тогда как квантовый компьютер сможет справиться с этим за часы или дни.

## ⏳ Миллион кубитов и квантово-безопасное будущее
[[JUMP:13:23]]

Несмотря на пугающие перспективы взлома глобальной сети, сиюминутной угрозы для интернет-безопасности не существует. Для практической реализации алгоритма Шора потребуется колоссальный стабильный массив — порядка 1 миллиона кубитов или даже больше. На момент съемок видео технологический рекорд, установленный IBM, составлял всего 433 кубита. Разрыв между 433 и миллионом огромен.

Тем не менее, Оливия Лейнс дает оптимистичный прогноз: в течение ближайших пяти лет (или даже быстрее) начнется массовый переход на квантово-безопасные алгоритмы шифрования. Привычный стандарт RSA будет постепенно заменяться защищенными альтернативами. По ее словам, индустрия развивается с невероятной скоростью, ежегодно решая инженерные проблемы, казавшиеся неразрешимыми еще два года назад. Собеседники сошлись во мнении: если физические законы не запрещают существование миллионного кубитного процессора, инженеры обязательно найдут способ его построить.

Вдохновленный масштабом увиденного, Маркес Браунли предлагает усовершенствовать аналогию с лодкой, превратив ее в субмарину. Квантовые вычисления — это не просто плоскость, это бездонный океан, где новые уровни погружения и новые физические открытия будут открываться по мере масштабирования технологий. Для Оливии Лейнс высшая ценность квантовых компьютеров заключается не только в утилитарной пользе, но и в возможности глубже понять саму суть человеческого опыта и устройства Вселенной, которая изначально является квантово-механической.