Има ли превъзходство на квантовите компютри над класическите?

Google обяви тази есен, че демонстрира „квантово надмощие“ – тоест, извърши специфични квантови изчисления далеч по-бързо, отколкото най-добрите класически компютри могат да постигнат това. IBM обаче, незабавно критикува твърдението, казвайки, че собственият му класически суперкомпютър може да извърши изчисленията с почти същата скорост, но с далеч по-голяма акуратност и следователно съобщението на Google трябва да се приема „с голяма доза скептицизъм“.

Това не е първият път, когато някой поставя под съмнение квантовите изчисления. Миналата година Мишел Дяконов, теоретичен физик от университета в Монпелие, Франция, предложи редица технически причини, поради които приложими квантови суперкомпютри никога няма да бъдат изградени. Неговата теза беше публикувана в статия в IEEE Spectrum, водещото списание за електронна и компютърна техника.

„Като човек, който е работил върху квантовите изчисления в продължение на много години, вярвам, че поради неизбежността на случайните грешки в хардуера, малко вероятно е някога да бъдат изградени полезни квантови компютри“. Това е мнението на Субхаш Как, учен от университета в Оклахома.

За да се разбере защо това е така, трябва да се разбере как работят квантовите компютри, тъй като те са коренно различни от класическите компютри.

Класическият компютър използва 0 и 1 за съхранение на данни. Тези числа могат да бъдат напрежения в различни точки на веригата. Но квантовият компютър работи върху квантовите битове, известни още като кубити. Можете да си ги представите като вълни, които са свързани с амплитуда и фаза.

Кубитите имат специални свойства: Те могат да съществуват в суперпозиция, където са едновременно 0 и 1 и могат да бъдат заплетени, така че да споделят физически свойства, въпреки че могат да бъдат разделени на големи разстояния. Това е поведение, което не съществува в света на класическата физика. Суперпозицията изчезва, когато експериментаторът взаимодейства с квантовото състояние.

Поради суперпозицията, квантов компютър със 100 кубита може да представи едновременно 2100 решения. При определени задачи този експоненциален паралелизъм може да бъде използван, за да създаде огромно предимство в скоростта. Някои задачи за разбиването на код например, могат да бъдат решени експоненциално по-бързо на квантова машина в сравнение с класически суперкомпютър.

Съществува и друг, по-тесен подход към квантовите изчисления, наречен квантово отгряване, при който кубитите се използват за ускоряване на задачите за оптимизацията. D-Wave Systems, базирана в Канада, изгради оптимизационни системи, които използват кубити за тази цел, но критиците също твърдят, че тези системи не са по-добри от класическите компютри.

Независимо от това, много компании и държави инвестират огромни суми пари в квантовите изчисления. Китай разработи ново квантово изследователско съоръжение на стойност 10 милиарда щатски долара, докато Европейският съюз разработи квантов генерален план на стойност 1 милиард евро. Националният акт за квантова инициатива на Съединените щати предвижда 1,2 милиарда долара за насърчаване на науката за квантовата информация за петгодишен период.

Разбиването на алгоритмите за криптиране е мощен мотивиращ фактор за много страни – ако успеят да го направят успешно, това би им осигурило огромно предимство в разузнаването, например. Но тези инвестиции насърчават и фундаментални изследвания във физиката.

Много компании настояват за изграждане на квантови компютри, включително Intel и Microsoft в допълнение към Google и IBM. Тези компании се опитват да създадат хардуер, който възпроизвежда схемата на класическите компютри. Въпреки това, сегашните експериментални системи имат по-малко от 100 кубита. За да се постигне полезна изчислителна ефективност, вероятно ще са нужни машини със стотици хиляди кубита.

Математиката, която е в основата на квантовите алгоритми, е добре установена, но остават плашещи инженерни предизвикателства.
За да функционират правилно компютрите, те трябва да коригират всички малки случайни грешки. В квантов компютър такива грешки възникват от неидеалните елементи на веригата и взаимодействието на кубитите със средата около тях. Поради тези причини кубитите могат да загубят последователност за части от секундата и следователно изчислението трябва да бъде завършено за още по-малко време. Ако случайни грешки – които са неизбежни във всяка физическа система – не бъдат коригирани, резултатите от компютъра ще бъдат безполезни.

При класическите компютри малкият шум се коригира, като се възползва от концепция, известна като праг. Тя работи като числата се закръглят. По този начин, при предаването на цели числа, където е известно, че грешката е по-малка от 0,5, ако получената стойност е 3,45, тя може да бъде коригирана на 3.

По-нататъшните грешки могат да бъдат коригирани чрез въвеждане на излишък. По този начин, ако 0 и 1 се предават като 000 и 111, тогава най-много грешка от 1 бит по време на предаването може да бъде коригирана лесно: Полученият 001 ще бъде интерпретиран като 0, а полученият 101 ще бъде интерпретиран като 1.

Кодовете за корекция на квантовите грешки са обобщение на класическите, но има и съществени разлики. От една страна, неизвестните кубити не могат да бъдат копирани, за да включат излишността като метод за коригиране на грешки. Освен това, наличните грешки във входящите данни преди въвеждането на кодиране за коригиране на грешки не могат да бъдат коригирани.

Докато проблемът с шума е сериозно предизвикателство за внедряването на квантовите компютри, не е така при квантовата криптография, където хората се занимават с единични кубити, а единичните кубити могат да останат изолирани от околната среда за значително по-дълго време. Използвайки квантова криптография, двама потребители могат да обменят много голям брой числа, известни като ключове, които защитават данни, без никой да може да наруши системата за обмен на ключове. Такъв обмен на ключове би могъл да помогне за сигурната комуникация със спътници и морски кораби. Но действителният алгоритъм за криптиране, използван след размяната на ключа, остава класически и следователно криптирането теоретично не е по-силно от класическите методи.

Квантовата криптография се използва и за банкови транзакции с висока стойност. Но тъй като двете страни трябва да бъдат удостоверени с помощта на класически протоколи и тъй като една верига е толкова силна, колкото е най-слабата й връзка, тя не е толкова различна от съществуващите системи. Банките все още използват класически базиран процес на удостоверяване, който сам по себе си може да се използва за обмен на ключове без загуба на цялостна сигурност.

Технологията на квантовата криптография трябва да насочи фокуса си към квантово предаване на информация, ако иска да стане значително по-сигурна от съществуващите техники за криптография.
Докато квантовата криптография все пак дава някакви надежди, че проблемите с квантовата трансмисия могат да бъдат решени, то същото не важи за генерализираните квантови изчисления. Коригирането на грешки, което е от основно значение за многоцелевия компютър, е толкова голямо предизвикателство за квантовите компютри, че те едва ли някога ще бъдат произвеждани в търговски мащаби.