О квантовом компьютере за 10 минут

Квантовый компьютер — это не просто более мощная версия современных компьютеров. Это совершенно иное устройство, в основе котрого лежит зарождающееся научное понимание, а также некоторая неопределённость. Стипендиат TED Шохини Гош приглашает вас в квантовую страну чудес, в которой вы узнаете, каким потенциалом обладает эта технология для совершенствования медицины, создания шифрования, которое невозможно взломать, и даже телепортации данных.

Давайте сыграем в игру.

Представьте, что вы в Лас Вегасе,

в казино,

и вы решили сыграть в игру на компьютере,

например, в пасьянс или шахматы.

Так же, как и человек,
компьютер делает ходы.

Это игра «орёл или решка».

Первый ход у того игрока,
у кого выпал «орёл»,

в данном случае — у компьютера.

Он может может как подбросить монету,
так и не подбрасывать,

но вы не можете увидеть результат.

Далее ваша очередь.

Вы также можете выбрать,
подбрасывать монету или нет:

компьютер не увидит вашего хода.

В конце снова ход компьютера,

и после этих трёх раундов

монета открывается.

Если выпал орёл — побеждает компьютер,

если решка — вы.

Игра довольно простая.

Если все играют по-честному
и монета ровная,

ваш шанс на победу — 50 на 50.

Чтобы это доказать,

я попросила своих студентов
сыграть в эту игру,

что они неоднократно проделали.

Как и ожидалось, они выигрывали
в 50 процентов случаев

или около того.

Скучноватая игра, правда?

А что, если бы вы смогли сыграть
в неё на квантовом компьютере?

Насколько я знаю, в казино Лас Вегаса

квантовых компьютеров нет.

Однако компания IBM создала
действующий квантовый компьютер.

Вот он.

Что же он из себя представляет?

Квантовая физика занимается описанием

поведение атомов и элементарных частиц,

таких как электроны и протоны.

Квантовый компьютер работает,

контролируя эти частицы,

но совсем не так, как это происходит
в обычных компьютерах.

Так, квантовый компьютер
нельзя назвать более мощной версией

современных компьютеров,

так же как электрическую лампочку —
более мощной свечой.

Вы не создадите электрическую лампочку
путём совершенствования свечи.

При изготовлении лампочки
применяют другую технологию,

основанную на более
глубоком научном понимании.

По аналогии с этим, квантовый компьютер —
устройство другого типа,

работа которого базируется
на принципах квантовой физики.

И так же, как электрическая
лампочка когда-то изменила мир,

квантовые компьютеры способны повлиять

на многое в нашей жизни:

обеспечение безопасности,
сферу здравоохранения и даже интернет.

Поэтому компании по всему миру
работают над их созданием.

Чтобы понять, почему это
вызывает такой ажиотаж,

давайте сыграем в нашу игру
на квантовом компьютере.

Я прямо отсюда могу подключиться
к квантовому компьютеру IBM,

то есть могу поиграть в игру удалённо,

как и вы.

Вспомните письмо от TED,
высланное вам ранее,

где мы справшивали,
подбросили бы вы монету или нет,

играй вы в подобную игру.

В действительности мы просили
сделать выбор между кругом и квадратом.

Вы этого не знали, но выбор круга
означал «подбросить монету»,

а квадрата — «не подбрасывать».

Пришло 372 ответа.

Благодарю.

Это значит, что мы можем сыграть
с квантовым компьютером 372 раза,

используя ваши варианты.

Игра не заняла много времени,

вот её результаты.

К сожалению, вы сыграли неважно.

(Смех)

Квантовый компьютер
выиграл почти все игры,

а немногочисленные проигрыши связаны
со сбоями в операционной системе.

(Смех)

Как же ему удалось добиться
такой удивительной череды побед?

Похоже на волшебство или обман,

хотя это всего лишь
квантовая физика в действии.

Вот как это работает.

Обычный компьютер принимает
каждую сторону монеты за один бит,

то есть за ноль или единицу,

и его микросхема настроена
на положение монеты в данный момент.

Квантовый компьютер
работает совершенно по-другому.

Квантовый бит более динамичен, для него
характерно недвоичное состояние.

Он может существовать в суперпозиции,
или ситуации наложения нуля и единицы:

с некоторой вероятностью быть нулём,
и некоторой вероятностью — единицей.

Другими словами, его состояние
находится в некоем диапазоне.

Например, вероятность быть
нулём может составить 70 процентов,

а единицей — 30 процентов.

Или 80 — 20 и 60 — 40.

Бесконечное количество вариантов.

Ключевая идея в том,

что мы вынуждены отказаться
от точных значений нуля и единицы

и допустить некоторую неопределённость.

Так, во время игры

квантовый компьютер создаёт
динамичную комбинацию орла и решки,

нуля и единицы,

поэтому независимо от того,
бросает игрок монету

или нет,

суперпозиция остается неизменной.

Можно провести аналогию
с перемешиванием двух жидкостей:

будете вы их помешивать или нет,
они всё равно перемешаются,

но квантовый компьютер

может разделить ноль и единицу
в самый последний момент,

с лёгкостью открывая орла,
так что вы каждый раз проигрываете.

(Смех)

Если вы думаете, что это немного
странно, вы абсолютно правы.

Обычные монеты не состоят
из комбинаций орла и решки.

Мы не сталкиваемся
с нестабильной квантовой реальностью

в повседневной жизни.

И не волнуйтесь, если понятие
о кванте сбивает вас с толку,

со временем привыкните.

(Смех)

Но даже если мы не сталкиваемся
со странностями квантовых явлений,

мы способны увидеть их в действии.

Вы сами видели результат игры.

Квантовый компьютер выиграл,

потому что использовал
суперпозицию и неопределенность —

свойства, обладающие
широчайшими возможностями

и применимые не только
для побед в игре с монетами:

на их основе возможно создание
квантовых технологий будущего.

Приведу три примера, которые показывают,
каким образом может изменить жизнь

пременение указанных свойств.

Во-первых, квантовую
неопределённость можно

использовать для создания
персональных ключей

для шифрования сообщений,
отправляемых из одного места в другое.

Потому что благодаря этой неопределённости
хакеры не смогут тайно

и точно скопировать этот ключ:

чтобы его взломать, им придётся нарушить

законы квантовой физики.

Данный вид шифрования
уже давно тестируют банки

и другие организации по всему миру.

Сегодня в мире более 17 миллиардов
соединённых друг с другом устройств.

Только представьте, какое влияние может
оказать квантовое шифрование в будущем.

Во-вторых, квантовые технологии способны
изменить здравоохранение и медицину.

Например, возьмём трудности
лекарственной промышленности

с определением структуры
молекул и их анализом:

точное описание и вычисление

всех квантовых свойств
каждого атома в молекуле —

сложная вычислительная задача,
даже для нынешних суперкомпьютеров.

Но квантовый компьютер работает лучше,

потому что оперирует теми же
квантовыми свойствами, что и молекула,

которую он пытается смоделировать.

Возможно, применение квантового
моделирования для разработки лекарств

поможет в борьбе с такими
заболеваниями, как болезнь Альцгеймера,

поражающего тысячи людей.

И, в-третьих, моё самое любимое
применение квантовой физики —

телепортация информации
из одного места в другое

без физической передачи данных.

Звучит как научная фантастика,
но это возможно

благодаря подвижным
состояниям квантовых частиц,

которые способны перемещаться сквозь
время и пространство,

так что когда вы изменяете одну частицу,

это влияет на другую,

что в итоге создаёт
канал для телепортации.

Это уже демонстрируется
в исследовательских лабораториях

и может стать частью
квантового интернета в будущем.

Пока у нас нет подобной сети,

но моя команда работает над этим:

мы моделируем квантовую
сеть на квантовом компьютере.

Мы спроектировали и внедрили
несколько интересных новых протоколов,

таких как телепортация
между разными пользователями сети,

эффективная передача данных

и даже безопасное голосование.

Мне доставляет море удовольствия
быть квантовым физиком.

Настоятельно рекомендую.

(Смех)

Мы исследователи квантовой страны чудес.

Кто знает, какое применение
квантовой физики мы ещё найдём.

К построению квантового будущего
следует подходить

со всей осторожностью и ответственностью.

А что касается лично меня,

я не считаю квантовую физику лишь
инструментом для создания компьютеров.

Для меня квантовый компьютер —
это способ познания тайн природы

и мира за пределами
наших познаний и опыта.

Как здорово, что мы, люди,

не смотря на недосягаемость Вселенной,

всё равно способны раздвинуть горизонты

благодаря воображению и изобретательности.

И Вселенная отблагодарит нас тем,

что покажет, насколько она
интересна и удивительна.

Будущее абсолютно непредсказуемо,

и это просто порясающе.

Спасибо.

(Аплодисменты)