С какво темпо ще продължава повишаването на производителността на съвременните компютърни чипове?  Дали квантовите компютри, могат да са отговора на бъдещето? Какво са квантовите компютри и как са направени? Каква е  разликата между тях и класическите компютри? Могат ли те да бъдат използвани в ежедневния живот или ще представляват единствено суперкомпютри използвани за научни и военни цели? Това са част от въпросите, на които ще се опитаме да дадем отговор в тази статия.

Класическите компютри, от зората на електрониката до наши дни, работят на един основен принцип. Те разполагат с краен брой състояния наречени битове, които могат да бъдат заредени или не заредени - така наречените нули и единици.

 Комбинацията от нули и единици създава известния бинарен код, чрез който се кодира дигиталната информация, правят се изчисления алгоритми и т.н. Най-просто казано, представете си го като монета, която може да бъде ези или тура.

Сега ако си представим монета във въртящо се състояние, тя не е нито ези нито тура, а има определена вероятност да е едно от двете. По този начин работят квантовите битове - за по-кратко Q-битовете, които са в основата на квантовите компютри.

Те почиват на принципите на квантовата физика и засягат състоянието на атомите и техните електрони, за които е характерна така наречената супер-позиция. Това е също като въртящата се монета – състояние, в което има дадена вероятност електрона да бъде във възбудено или в основно състояние.

Когато имаме много атоми и електрони имаме безкрайно много комбинации от възможни състояния на електроните. В това се състои и потенциалната огромна изчислителна мощ на квантовите компютри. За момента обаче те се сблъскват със сериозни технически предизвикателства, което ги спира да имат практическо приложение. 

На първо място броя на Q-битовете, с които настоящите експериментални квантови компютри работят е много ограничен. Те могат стабилно да функционират в порядъка на няколкостотин Q-бита, което е крайно недостатъчно. За да може да имат значително практическо приложение, квантовите компютри трябва да достигнат оперативни нива от десетки и даже стотици хиляди Q-битове. 

Нека видим как са направени някои от най-напредналите модели на квантови компютри в света. Предполагам не е изненада, че компаниите занимаващи се с това са добре познати гиганти от силициевата долина. Сред лидерите в квантовите разработки са компаниите Google, IBM, Intel, Microsoft и още няколко други, като все повече нови играчи се включват в надпреварата. 

В основата на квантовия компютър, също като при обикновените компютри, стои процесорът, в този случай наречен QPU - Quantum Processor Unit.

Процесорът е направен от свръхпроводящи материали, като Алуминий и Ниобий поставени в силиконов субстрат, подобно на класическите чипове.  В тази презентация на гугъл може да видите техният квантов чип, който много прилича на обикновен компютърен процесор. Има основа на чипа, както и десетки стърчащи пинове, малко по-големи като размер, но напомнящи на пиновете при класическите процесори.

Процесора, се монтира върху така нареченият криостат - тази огромна подобна на полилей структура, която има за задачата да поддържа процесора при температури близки до абсолютната нула - която е -273°С.

Десетките жици, които минават по цялата дължина на криостата водят началото си от всеки един от многото пинове на процесора и осигуряват входно-изходния интерфейс.

Те са свързани с тези големи машини отстрани, които представляват контролерите приемащи и предаващи информацията към и от процесора. 

Един от големите технически проблеми на квантовите чипове е, че те страдат изключително много от смущения, така наречения шум, който им пречи да работят стабилно. Това е и причината квантовите чипове да трябва да трябва да работят при толкова ниски температури - близки до абсолютната нула, които свеждат до минимум топлинното движение на частиците и по този начин минимизират шума и грешките. Това е така, защото квантовите компютри работят на ниво атом. 

Може да се каже, че в хардуерно отношение, квантовите компютри се намират в своето детство. Подобно на първите класически компютри, те могат да оперират само в огромни помещения пълни със сложна апаратура и криостати.

Техните Q-битове са още съвсем малко, също както първите компютри работещи едва с няколко десетки бита. Дори във външния вид на квантовите компютри има нещо изключително ретро, сякаш са излезли от някаква стийм-пънк фантазия, а не са на върха на съвременните технологии. 

И все пак потенци ала на квантовите компютри надхвърля и най-смелите ни очаквания и той може да бъде достигнат много по-скоро отколкото си мислим. Ето някои от сферите, в които квантовите компютри могат да постигнат революционни резултати. 

Когато достигнат своята зрялост, квантовите компютри могат да постигнат невъзможни до момента изчисления симулиращи процесите в природата. На молекулярно ниво, природата действа на квантовите принципи, ето защо постигането на този тип изчисления би дало неограничени възможности да се симулира поведението на различни материали. Дори изобретяване на невиждани до този момент материали, лекарства, химични вещества и т.н. 

Този тип изчислителна мощ би дала отговор на въпроси като произхода на вселената, черните дупки, живота на звездите и прочее въпроси вълнуващи науката от векове. 

И тук нещата започват да стават малко плашещи. Благодарение на невероятната си изчислителна мощ, първите квантови компютри ще бъдат в състояние да разбият всяка парола и всеки вид криптиране направено с помощта на стандартните компютри. Съвременния вид криптиране, така наречения RSA-Encryption стои в основата на интернет сигурността, чрез него се осъществяват банковите трансфери, чрез него се криптират паролите на всички потребители и т.н. Идеята е, че RSA-криптирането прави невъзможно кракването на дадена информация по стандартния начин чрез прилагане на чиста изчислителна мощ. Причината е, че дори с най-мощните съвременни компютри, разбиването на една такава парола би отнело хиляди години. Квантовите компютри обаче ще могат да направят това за дни или дори часове. Ето защо, САЩ, Китай и други водещи световни сили са в надпревара за постигане на квантово превъзходство, защото се счита, че който пръв достигне необходимото ниво на развитие, ще може да получи достъп до военните тайни на противника.

Като метод на противодействие се говори за квантово-криптиране, за което обаче също са необходими работещи квантови компютри. 

Друга сфера, която може значително да се възползва от квантовите компютри и се развива ръка за ръка с тях е разбира се изкуственият интелект. Гугъл дори нарича своята изследователска лаборатория “Quantum AI Campus” - тоест изкуственият интелект е главното приложение на разработвания от гугъл компютър. 

Бързото развитие на изкуствения интелект дори в момента повдига доста въпроси. Например възможността в скоро време да се създават симулации - така наречените дийп фейкове, които да са неразличими от реалността. Възможността изкуствения интелект да замести доста професии. Способността на вечно адаптиращ се алгоритъм да манипулира общественото мнение по зададени параметри. Всички тези и още доста въпроси тегнат дори в момента над обществото, а нека си представим какво би станало, ако в близкото бъдеще изкуствения интелект получи увеличение на изчислителната мощ в астрономически мащаби.  Това са все неща, които ни карат да се замислим.

Накрая ще спомена кои са заслужаващите внимание разработки в областта на квантовите компютри.

Както вече споменахме една от водещите компании е Google с техният Quantum AI.  

Друга водеща сила е IBM с тяхната Quantum System две. IBM се стремят към създаване на модуларна система съчетаваща квантови и дигитални компютърни системи, които да работят в симбиоза.

Quantum System две ще позволи сливането на много такива модули по подобие на големите дата центрове, за постигане на още по-голяма производителност. Целта на IBM е до 2033г. да бъде постигната изчислителна мощ от 100 000 Q-бита. 

Не е изненада, че водещият производител на компютърни процесори - Intel също така разработва и собствен квантов компютър.

Настоящият квантов чип на Intel носи името Tunnel Falls. Тази технология позволява на Intel да се възползва от огромната си инфраструктура за производство на чипове, с цел създаване на голямо количество квантови процесори, от които да се възползват много изследователи. 

Друго известно име Microsoft разработва своя проект наречен Azure Quantum. Не успях да намеря много конкретна информация за тях, нито реални кадри освен тези компютърни анимации. 

И накрая един играч, който не е известен от света на класическите компютри и е изцяло фокусиран върху квантовите IonQ. Също не мога да кажа, много за тях освен че са компания занимаваща се само с това и дори имат youtube канал, където са качени няколко клипа посветени на възможностите, които квантовите компютри могат да разкрият пред човечеството, но без много подробности за самия проект. 

Ами хора, надявам се, че с тази статия съм хвърлил необходимата светлина върху настоящето развитие на квантовите компютри, какво представляват и какво можем да очакваме от тях в близко бъдеще. Ако ви е харесала не забравяйте редовно да посещавате блогът на Йон Компютърс, където може да намерите още много интересни материали.