Представим себе компьютерные вычисления в виде шахматной партии: она может длиться часы, дни и даже недели. Профессиональные игроки просчитывают возможный исход поединка, их мозг последовательно анализирует последствия каждого хода. Примерно по такой же логике работает обычный компьютер: все его вычисления идут одно за другим. Ученые верят, что, в отличие от обычного, квантовый компьютер будет просчитывать все возможные варианты одновременно и находить самое рациональное решение намного быстрее. Пока таких компьютеров не существует, однако алгоритмы их работы уже создают. Как они могут пригодиться в энергетике и за счет чего квантовые процессоры станут шустрее обычных, выясняла «Энергия+».
У обычного компьютера всего два ответа: «да» или «нет». В один момент он, словно шахматист, соглашается с выбранной стратегией игры или не соглашается. Квантовый компьютер использует конструкции, образованные самыми немыслимыми сочетаниями «да» и «нет», причем у каждой такой комбинации есть своя вероятность. «Мысленный диалог» квантового «шахматиста» содержит такие конструкции: «да нет наверное», «и да, и нет». Все они дают огромное число возможных решений. Ими квантовый компьютер обменивается с другими, которые вместе с ним «думают над ходом» и в итоге в миллионы раз быстрее получают лучшее решение. В этом и заключается принцип работы квантового компьютера.
«Слова» в мире вычислительных машин — это минимальная единица измерения информации. У обычного компьютера она называется битом, у которого лишь два возможных значения «0» и «1». У квантовых «битов», кубитов, помимо этих четких значений, есть масса промежуточных состояний, составленных из множества последовательностей «0» и «1».
Возможности обычного и квантового компьютеров отличаются из-за разных носителей информации. В обычном — это полупроводниковый элемент, который можно потрогать если не пальцами, то хотя бы крошечным пинцетом. Это объект макромира, и подчиняется он законам классической физики, позволяющим точно в любой момент измерить характеристики объекта. Значениям «0» и «1» соответствуют определенные значения напряжения на полупроводниковом элементе.
Разберемся в принципах работы квантового компьютера. У такого компьютера носителем информации является квантовый объект, например фотон — «частичка» света. Его характеристики нельзя измерить точно в нужный момент, потому что фотон — объект микромира, и любое измерение его свойств может их изменить. Поэтому в микромире вместо четких значений физических величин всегда фигурирует вероятность это значение определить.
Леонид Федичкин
ведущий научный сотрудник Физико-технологического института РАН, доцент МФТИ
Изначально квантовые вычисления задумывались для целей квантовой механики, но оказалось, что и для решения практических задач они хорошо подходят.
По словам Федичкина, квантовые компьютеры могут быстро решать задачи, тяжелые для обычного компьютера. Например, квантовая машина может легко перебрать неструктурированный массив данных и найти в нем нужную информацию, тогда как обычная от такой задачи может зависнуть.
Квантовые вычисления могут пригодиться при поиске энергоресурсов. В местах предполагаемых залежей нефти и газа бурят разведывательную скважину и помещают в нее измерительные приборы, которые испускают и ловят звуковые, электромагнитные и механические волны. Это позволяет изучать свойства недр, но всего в радиусе метра от скважины. За пределами этого расстояния потенциально содержащий нефть пласт приходится «дорисовывать», для чего и нужно обработать тонны экспериментальных данных.
Нияз Исмагилов
математик Научно-Технического Центра «Газпром нефти»
Предсказать свойства и размеры месторождения помогают две области математики — статистика и теория случайных процессов. Как раз из этих областей приходят неподъемные для классического компьютера задачи, но посильные квантовому.
Квантовых процессоров, которые могут решать реальные задачи энергетики, пока не существует: их первые коммерческие версии появятся в России к 2025 году. Энергетические компании будут готовы к этому и создадут отлаженные программы, с помощью которых смогут решить сложные задачи энергетики будущего. Как раз этим сейчас и занимаются ученые, создающие алгоритмы и тестирующие их на симуляторах — специальных программах, которые работают на обычных компьютерах, но имитируют функционал новейших квантовых компьютеров.
