Кубиты: как квантовая физика ломает правила классических вычислений

Компьютерный бит работает как выключатель света — он либо горит, либо нет. Кубит устроен иначе. Его можно сравнить с монетой, которая крутится в воздухе: пока она не упала, она одновременно и орел, и решка. Именно на этом принципе строятся квантовые вычисления — области, где обычная логика давно перестала работать.

Основы: от бита к кубиту

Кубит (quantum bit) — базовая единица информации в квантовом компьютере. Обычный бит принимает одно из двух значений: 0 или 1. Кубит живет по другим правилам и может существовать в суперпозиции — то есть одновременно находиться в состояниях 0 и 1.

Эта особенность кажется противоречащей здравому смыслу, но именно она обеспечивает квантовым компьютерам их вычислительную мощность. Если бит принимает только одно из двух состояний (нуль или единица), то кубит — множество состояний, в которых он может пребывать одновременно до того момента, когда его состояние будет измерено.

История началась в 1980-х. Физик Пол Бениофф предложил квантово-механическую модель машины Тьюринга, а Ричард Фейнман выдвинул идею использовать квантовую физику для моделирования физических систем. Но между красивой теорией и работающим устройством лежала пропасть технических проблем, которую удалось преодолеть только десятилетия спустя.

Суперпозиция и запутанность

Состояние кубита математически записывается как α|0⟩ + β|1⟩, где α и β — амплитуды вероятностей (комплексные числа). При измерении кубит "схлопывается" в одно из классических состояний: α² определяет вероятность получить 0, β² — вероятность получить 1.

Если у вас n кубитов, они могут одновременно представлять 2^n различных состояний. Десять кубитов дают 1024 состояния, пятьдесят — больше состояний, чем атомов в наблюдаемой вселенной. Благодаря суперпозиции квантовые алгоритмы обрабатывают информацию в тысячи раз быстрее, чем самые мощные компьютеры мира.

Еще загадочнее выглядит квантовая запутанность. Кубиты могут быть запутаны друг с другом, образуя корреляции, невозможные в классических системах. Простейший пример — состояние Белла (|00⟩ + |11⟩)/√2. Измерив первый кубит и получив 0, вы гарантированно получите 0 при измерении второго. Эйнштейн называл это "призрачным дальнодействием" и не мог принять такую "неразумность" природы до конца жизни.

Физическая реализация

Теория остается теорией, пока не появится способ создать объект, который действительно может находиться в двух состояниях одновременно. Ученые разработали несколько подходов.

Самый распространенный — сверхпроводящие кубиты. Внутри криогенной установки расположено несколько слоев медных дисков, каждый из которых находится при все более низкой температуре. На самом дне — чип, охлажденный до сотых долей Кельвина. При таких температурах электрическое сопротивление падает до нуля, и электроны начинают подчиняться квантовым законам.

Именно эту технологию используют Google, IBM и другие крупные игроки. 9 декабря 2024 года ученые из группы квантового искусственного интеллекта компании Google официально представили новый квантовый компьютер Willow со 105 сверхпроводящими кубитами. Главное достижение — не только скорость, но и способность уменьшать количество ошибок с ростом числа кубитов.

Российские исследователи тоже добиваются серьезных результатов. В 2025 году физики ННГУ им. Н. И. Лобачевского создали новый тип кубитов на основе искусственных атомов. Система использует арсенид галлия и позволяет управлять зарядом и спином кубита с помощью электрического поля. Точность однокубитных операций на уровне 99,993% продемонстрировали российские учёные при создании кубитов типа флаксониум.

Альтернативные подходы включают ионные ловушки и фотонные кубиты. В 2021 году группы китайских учёных под руководством Пань Цзяньвэя создали квантовый компьютер "Цзючжан-2.0" со 113 обнаруженными фотонами (кубитами), решающий задачу отбора проб гауссовых бозонов в септиллион раз быстрее самых производительных суперкомпьютеров.

Проблема когерентности

Кубиты крайне хрупки. Любое внешнее воздействие может разрушить их квантовое состояние — процесс, известный как декогерентность. При любом, даже очень низком уровне физических ошибок, вычисление на квантовом компьютере ограничено временем когерентности — интервалом, в течение которого вложенная в кубиты информация еще не полностью "утекла" в окружающую среду.

У лучших современных систем время когерентности составляет десятки микросекунд. Этого катастрофически мало для выполнения сложных алгоритмов, требующих миллиарды операций.

Однако прогресс ощутим. Исследователи из Университета Аалто достигли рекордного времени когерентности для трансмонного кубита — одну миллисекунду. В мире квантовых вычислений это настоящий прорыв: за миллисекунду можно выполнить тысячи операций.

Применения

Квантовые компьютеры не универсальны — они эффективны только для определенного класса задач. Но там, где они работают, превосходство может быть колоссальным.

Криптография

Современное шифрование основано на разложении больших чисел на простые множители — задаче, которая отнимает у классических компьютеров тысячи лет. Квантовый алгоритм Шора может решить ее за разумное время. Чтобы с помощью алгоритма Шора взломать открытый ключ современного RSA, нужны миллионы кубитов. Пока недостижимо, но криптографы уже готовятся к "квантовому апокалипсису".

Компания Google объявила, что собирается принять меры по повышению безопасности Google Chrome и внедряет поддержку квантово-устойчивого шифрования для защиты от потенциальных квантовых кибератак.

Химия и медицина

В химии квантовый компьютер может моделировать реакции веществ и искать новые лекарства, в то время как обычный компьютер не справится с экспоненциальным ростом сложности. Молекулы подчиняются квантовым законам, поэтому квантовые компьютеры — естественный инструмент для их изучения.

Вместо многолетнего синтеза и тестирования тысяч потенциальных препаратов можно за часы просчитать их поведение. Это способно кардинально изменить разработку лекарств.

Оптимизация

Задачи оптимизации — от планирования маршрутов до управления энергосетями — часто имеют экспоненциальную сложность. На протяжении более десяти лет D-Wave фокусировалась на создании практических квантовых компьютеров, предназначенных для решения множества NP-задач, таких как задача о коммивояжере.

Современное состояние отрасли

2025 год ООН объявила Международным годом квантовой науки и технологий. В мире развернулась настоящая технологическая гонка.

В России планируют создать квантовый компьютер на 75 кубитов в 2025 году, а к 2030 году планируется разработать квантовый процессор объёмом 300 кубитов. Президиум правительственной комиссии по цифровому развитию утвердил обновлённую дорожную карту с бюджетом 29 миллиардов рублей.

В ноябре 2022 года компания IBM представила свой новый квантовый процессор Osprey c 433 кубитами. Но количество кубитов — не единственный показатель. Качество и стабильность важнее.

Команда из Гарварда под руководством профессора физики Михаила Лукина создала первый программируемый логический квантовый процессор, способный кодировать до 48 логических кубитов. Логические кубиты особенно важны — они устойчивее к ошибкам благодаря встроенной коррекции.

Ограничения и реальность

Полноценный универсальный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством. Существующие системы решают только узкоспециализированные задачи.

Коррекция ошибок остается ключевой проблемой. Клонирование информации в квантовой механике невозможно, о чем говорит доказанная в 1982 году теорема о запрете клонирования. Ученые нашли обходной путь — использование множества физических кубитов для создания одного логического, но это означает, что для практических задач нужны миллионы физических кубитов.

С ростом числа кубитов увеличивается количество соединений, которые нужно заводить внутрь криостата, что делает охлаждение практически невыполнимой задачей. Финские ученые подали заявку на грант, чтобы построить квантовый компьютер с использованием технологии графеновой болометрии, которая может снизить энергопотребление в миллионы раз.

Квантовое превосходство: факты и споры

В 2018 году IBM предложила сторонним компаниям использовать ее 20-кубитный квантовый компьютер через облако. Google представила 53-кубитный компьютер Sycamore и заявила о достижении квантового превосходства. По утверждению Google, их система за 200 секунд решила задачу, на которую самому мощному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 тысяч лет.

В IBM оспорили утверждение Google. Компания утверждала, что Summit справится с задачей для Sycamore в худшем случае за 2,5 дня, но полученный ответ будет точнее. Этот спор показывает, что "квантовое превосходство" — понятие неоднозначное.

Перспективы

19 февраля 2025 года Microsoft представила новый квантовый чип Majorana 1, в котором используется новый тип материала, называемый топопроводником. По заявлениям Microsoft, это позволит создать практический квантовый компьютер за несколько лет, а не десятилетий.

Квантовые компьютеры — это технология, которая потенциально может изменить мир высокопроизводительных вычислений, но они, скорее всего, навсегда останутся нишевым продуктом. Будущее за гибридными системами, где классические и квантовые процессоры работают вместе: первые занимаются рутинными операциями, вторые — сложными задачами оптимизации и моделирования.

Самыми перспективными областями, в которых могут найти применение квантовые компьютеры, считаются химия и фармацевтика (симуляция молекул и материалов), логистика (оптимизация маршрутов), машинное обучение и криптография.

Итог

Кубиты открывают принципиально новый способ обработки информации, основанный на законах квантовой механики. Они капризны, требуют экстремальных условий и пока решают ограниченный круг задач. До появления универсальных квантовых компьютеров могут пройти годы.

Но уже сейчас кубиты помогают решать задачи, недоступные классическим компьютерам. Темпы развития впечатляют — еще недавно когерентность измерялась микросекундами, сегодня достигает миллисекунд. Кубиты не заменят обычные биты, но станут мощным дополнением к ним в специализированных применениях.