Квантовые вычисления на горизонте: взгляд инженера

Эд Браун

Практические приложения квантовой механики

Празднуя 2025 год как Международный год квантовой науки и технологии, я начал думать о практических приложениях квантовой механики в компьютерах, сенсорах и криптографии. И я обнаружил, что размышление об этих вещах с точки зрения инженера — довольно сложно.

Если Ричард Фейнман, получивший Нобелевскую премию за работу над «квантовой электродинамикой», не думал, что кто-то действительно понимает квантовую механику, как так много людей в наши дни говорят о квантовых компьютерах как о следующей большой вещи? С другой стороны, сам Фейнман заложил теоретические основы квантовых компьютеров в 1982 году, когда сказал, что «для точной моделирования квантовой системы ученым нужно построить другую квантовую систему». Эта другая система — то, что мы теперь называем квантовым компьютером.

Перспективы рынка и природа квантовых ответов

Например, согласно статье на сайте Tech Briefs, область квантовых вычислений ожидается достичь 65 миллиардов долларов к 2030 году. В другой статье мы читаем: «Квантовые компьютеры имеют потенциал решать сложные проблемы в здоровье людей, открытии лекарств и искусственном интеллекте в миллионы раз быстрее, чем некоторые из самых быстрых суперкомпьютеров мира».

Чтобы усугубить мое замешательство, я узнал: «Ответы от квантовых компьютеров извлекаются из распределений вероятностей. Квантовые компьютеры не дают вам конкретное значение для ответа. То, что они делают — говорят вам, насколько вероятно, что определенное значение является правильным решением» — их ответы «нечеткие». «К сожалению, запуск квантового алгоритма только один раз недостаточно. Чтобы приблизиться максимально близко к «правильному» ответу, ученые-компьютерщики запускают эти вычисления множество раз. Каждый сэмпл снижает неопределенность. Компьютеру может понадобиться запустить алгоритм тысячи раз — или даже больше — чтобы приблизиться максимально близко к наиболее точному распределению». Но есть и вверх: «Квантовые компьютеры запускают эти алгоритмы так быстро, что у них все равно есть потенциал производить результаты намного, намного быстрее классических».

Хорошо, я могу принять идею использования квантовой механики без глубокого понимания, но у меня реальная трудность с использованием ответов от квантового компьютера, которые являются только вероятностями. Как инженер, я привык искать фиксированные, рабочие решения реальных проблем, не ответы, говорящие, например, что когда я нажимаю кнопку лифта, лифт вероятно приедет на мой этаж.

После десятилетий работы как EE, Эд Браун из SAE Media Group уже глубоко во второй карьере: Tech Editor.

«Я осознал, оглядываясь назад на свои инженерные дни и наблюдая за всеми последними и величайшими как редактор, у меня много мыслей о том, что происходит сейчас в свете моего инженерного опыта, и я хотел бы поделиться некоторыми из них сейчас».

Понимание квантовой нечеткости через NIST

Одним из лучших описаний квантовых вычислений, с которыми я сталкивался, было от физика NIST Тары Фортьер: «5 концепций могут помочь вам понять квантовую механику и технологии — без математики!» Она объясняет, что хотя «нечеткость» — существенная особенность квантовых вычислений, это не недостаток. «Классическая физика управляет движением вещей, которые мы видим, таких как бейсбольные мячи и планеты. Квантовая физика — мир, который мы не можем легко увидеть. Если какая-то часть квантовой существенно отличается от классической физики, то это то, что физика на квантовом масштабе не только гранулярна, но и нечетка».

Но д-р Фортьер указывает, что природа сама по себе нечетка. Когда мы зумируем на цифровое изображение, оно состоит из отдельных пикселей, которые кажутся имеющими четкие границы. Но, «Если бы вы могли зумировать на атомы и субатомные частицы, составляющие пиксель, вы бы увидели, что субатомные частицы не четко определены — их границы и поведение несколько неясны. Это похоже на рисование «идеальной» линии карандашом и линейкой. Если вы посмотрите на эту линию под микроскопом, края будут выглядеть более дрожащими, чем прямыми».

Так что, я думаю, можно сказать, что квантовый компьютер видит мир способами, которые более близко согласованы с тем, как мир реально есть, чем цифровой компьютер, который дает нам только сэмпл мира.

Но все равно, как сказал Эйнштейн, квантовое поведение жуткое.

Квантовая запутанность и криптография

Статья Фортьер делает некоторые квантовые поведения более 접근ными, но все еще очень трудними для меня для переваривания. Например, та, которую я слышал с детства: свет — и волна, и частица. Иногда он ведет себя одним способом, как когда световые волны дают нам радуги, но когда свет попадает на солнечную панель, он действует как частицы. Трудно мне это понять, но я могу отложить свои сомнения и просто принять, что это может быть полезно обоими способами.

Потом есть «принцип неопределенности Гейзенберга, который говорит, что акт измерения беспокоит квантовое состояние объекта». Так как можно базировать компьютер на состояниях квантовых частиц, если ваше измерение их беспокоит?

Но для меня самое жуткое из всех — квантовая запутанность — квантовое состояние одной частицы коррелировано с состоянием другой, неважно, насколько далеко они друг от друга. Так, измерение одной частицы влияет на состояние её партнера. Тем не менее, есть практическое использование для запутанности — безопасные криптографические ключи.

Все это заставляет меня думать, что я думаю, что для разработки практических квантовых компьютеров нужно больше, чем просто наука — инженерам придется принять работу с технологией, которую они не могут действительно понять.