Квантовые вычисления на горизонте:взгляд инженера

Эд Браун

(Изображение:phonlamaiphoto/Adobe Stock)

Поскольку мы отмечаем 2025 год, Международный год квантовой науки и технологий, я начал думать о практическом применении квантовой механики в компьютерах, датчиках и криптографии. И я считаю, что думать об этих вещах с точки зрения инженера довольно сложно.

Если Ричард Фейнман, получивший Нобелевскую премию за свою работу по «квантовой электродинамике», не думал, что кто-то действительно разбирается в квантовой механике, то как может так много людей в наши дни говорить о том, что квантовые компьютеры станут следующим большим достижением? С другой стороны, сам Фейнман изложил теоретические основы квантовых компьютеров в 1982 году, когда сказал, что «чтобы точно смоделировать квантовую систему, ученым потребуется построить другую квантовую систему». Эту другую систему мы сейчас называем квантовым компьютером.

Например, согласно статье на сайте Tech Briefs на веб-сайте ожидается, что к 2030 году объем квантовых вычислений достигнет 65 миллиардов долларов. В другой статье мы читаем:«Квантовые компьютеры обладают потенциалом решать сложные проблемы в области здравоохранения, разработки лекарств и искусственного интеллекта в миллионы раз быстрее, чем некоторые из самых быстрых суперкомпьютеров в мире».

Чтобы усугубить мое замешательство, я узнал, что  "Ответы квантовых компьютеров основаны на распределениях вероятностей. Квантовые компьютеры не дают вам конкретного значения ответа. Они лишь говорят вам, насколько вероятно правильное решение — это определенное значение» — их ответы «нечеткие». «К сожалению, запустить квантовый алгоритм только один раз недостаточно. Чтобы максимально приблизиться к «правильному» ответу, ученые-компьютерщики проводят эти расчеты несколько раз. Каждая выборка снижает неопределенность. Компьютеру, возможно, придется запустить алгоритм тысячи раз — или даже больше — чтобы максимально приблизиться к наиболее точному распределению». Но есть и положительная сторона:«Квантовые компьютеры запускают эти алгоритмы настолько быстро, что они по-прежнему могут давать результаты намного быстрее, чем классические».

Хорошо, я могу принять идею использования квантовой механики, не понимая ее по-настоящему глубоко, но у меня есть некоторые реальные трудности с использованием ответов квантового компьютера, которые являются только вероятностями. Как инженер, я привык искать фиксированные, работоспособные решения реальных проблем, а не ответы, в которых говорится, например, что, когда я нажимаю кнопку лифта, лифт вероятно иди ко мне на этаж.

После десятилетий работы в качестве EE, Эд Браун из SAE Media Group делает вторую карьеру:технический редактор.

"Я понял, что, оглядываясь назад на свои инженерные дни и наблюдая за всеми последними и лучшими событиями в качестве редактора, у меня появилось много мыслей о том, что происходит сейчас в свете моего инженерного опыта, и я хотел бы поделиться некоторыми из них сейчас".

Одно из лучших описаний квантовых вычислений, которое мне попалось, принадлежит физику Национального института стандартов и технологий (NIST) Таре Фортье:«5 концепций могут помочь вам понять квантовую механику и технологию — без математики!» Она объясняет, что, хотя «нечеткость» является важной особенностью квантовых вычислений, это не является недостатком. "Классическая физика управляет движением видимых нами вещей, таких как бейсбольные мячи и планеты. Квантовая физика — это мир, который мы не можем легко увидеть. Если какая-то часть квантовой физики существенно отличается от классической физики, так это то, что физика в квантовом масштабе не только детальна, но и нечетка".

Но доктор Фортье отмечает, что сама природа нечетка. Когда мы увеличиваем цифровое изображение, оно состоит из отдельных пикселей, которые имеют четко определенные границы. Но "Если бы вы могли увеличить масштаб атомов и субатомных частиц, составляющих пиксель, вы бы увидели, что субатомные частицы нечетко определены — их границы и поведение несколько неясны. Это похоже на рисование "идеальной" линии карандашом и линейкой. Если бы вы посмотрели на эту линию в микроскоп, края выглядели бы скорее шаткими, чем прямыми".

Итак, я думаю, можно сказать, что квантовый компьютер видит мир таким образом, который более точно соответствует тому, каков мир на самом деле, чем цифровой компьютер, который дает нам лишь образец мира.

Но тем не менее, как сказал Эйнштейн, квантовое поведение пугает.

Статья Фортье действительно делает некоторые аспекты квантового поведения более доступными, но мне все еще очень трудно их усвоить. Например, тот, о котором я слышал с детства:свет — это и волна, и частица. Иногда он ведет себя одним образом, например, когда световые волны дарят нам радугу, но когда свет попадает на солнечную панель, он действует как частицы. Мне трудно это понять, но я могу отбросить свои сомнения и просто признать, что это может быть полезно в обоих направлениях.

Еще есть «принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что акт измерения нарушает квантовое состояние объекта». Итак, как можно построить компьютер на основе состояний квантовых частиц, если ваши измерения их возмущают?

Но для меня самым пугающим является квантовая запутанность:квантовое состояние одной частицы коррелирует с состоянием другой, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся. Итак, измерение одной частицы влияет на состояние ее партнера. Однако у запутанности есть практическое применение — безопасные криптографические ключи.

Все это заставляет меня думать, что для разработки практических квантовых компьютеров требуется нечто большее, чем просто наука — инженерам придется согласиться на работу с технологией, которую они не могут по-настоящему понять.