Квантовые компьютеры объяснены: как работают кубиты и почему это важно сейчас

Классический компьютер хранит информацию в битах, которые являются либо 0, либо 1, как переключатель, который включен или выключен. Квантовый компьютер вместо этого использует кубиты, которые могут представлять 0, 1 или взвешенную комбинацию обоих одновременно, согласно официальному объяснению IBM по квантовым вычислениям. Это свойство, называемое суперпозицией, является одной из причин, по которым квантовые машины могут исследовать множество возможных ответов на определенные задачи одновременно, а не один за другим.

Физика, стоящая за машиной

IBM определяет четыре квантово-механических эффекта, которые делают квантовые вычисления возможными: суперпозицию, запутанность, интерференцию и декогеренцию. Запутанность связывает кубиты так, что измерение одного раскрывает информацию о другом, даже если они физически разделены. Интерференция позволяет квантовой цепи усилить правильные ответы и отменить неправильные, так же как перекрывающиеся волны могут усиливать или отменять друг друга. Декогеренция — это противоположный эффект — квантовые состояния коллапсируют в обычные классические значения — и это главное препятствие, которое инженеры должны подавлять, чтобы поддерживать квантовый процессор полезным, согласно IBM.

Кубиты могут быть построены из нескольких физических систем, включая сверхпроводящие цепи, охлажденные до близких к абсолютному нулю температур, захваченные ионы, квантовые точки и фотоны. Собственные квантовые процессоры IBM полагаются на сверхпроводящие цепи, потому что они могут быть изготовлены и управляются с использованием существующих методов изготовления микросхем, согласно IBM.

Проверяемое преимущество: чип Willow от Google

22 октября 2025 года Google объявил, что его 105-кубитный процессор Willow произвел то, что компания назвала первым проверяемым квантовым преимуществом, используя алгоритм, который она назвала Quantum Echoes, согласно официальному блогу Google. Алгоритм отправляет сигнал в набор кубитов, возмущает один из них, затем обращает эволюцию сигнала вспять, чтобы прослушать усиленное «эхо», созданное конструктивной интерференцией.

Google сообщил, что Quantum Echoes работал в 13 000 раз быстрее на Willow, чем лучший известный классический алгоритм, работающий на одном из самых быстрых суперкомпьютеров в мире. Компания подчеркнула, что, в отличие от своего заявления о квантовом превосходстве 2019 года, этот результат является «проверяемым» — его можно повторить на сопоставимом квантовом оборудовании и перепроверить, а не полагаться на задачу выборки без независимого способа подтвердить результат.

Работая с исследователями из Калифорнийского университета в Беркли, Google использовал алгоритм для изучения сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) молекул, содержащих 15 и 28 атомов, указывая на возможное будущее использование в открытии лекарств, материалах батарей и разработке новых кубитов, согласно тому же объявлению Google.

Путь IBM от «полезности» к устойчивости к ошибкам

IBM различает несколько этапов прогресса. Компания говорит, что достигла «квантовой полезности» в 2023 году, что означает, что ее квантовые процессоры могли превзойти классические методы приближения для конкретных задач. IBM заявила, что ожидает достижения «квантового преимущества» — превосходства над всеми известными классическими методами в практической задаче — к концу 2026 года, согласно собственному обзору IBM по квантовым вычислениям.

Помимо этого, IBM опубликовала дорожную карту в направлении отказоустойчивых квантовых вычислений, где ошибки обнаруживаются и исправляются до того, как они повредят вычисления. Дорожная карта описывает чип под названием Quantum Loon, выпущенный в 2025 году с добавленной связностью кубитов для экспериментов с доказательством концепции в направлении высокоскоростных кодов qLDPC, модуль под названием Quantum Kookaburra, запланированный на 2026 год, который хранит информацию с использованием памяти с квантовой проверкой четности с низкой плотностью (qLDPC), и систему под названием Starling, нацеленную на 2029 год, которую IBM говорит, должна работать 100 миллионов квантовых вентилей на 200 логических кубитах. Подход IBM к исправлению ошибок использует то, что она называет «двумерными кодами велосипедов», включая «[[144,12,12]] валовой код», который, по словам компании, требует примерно в десять раз меньше физических кубитов, чем более ранние методы поверхностного кода, чтобы достичь той же защиты от ошибок.

Почему шифрование уже переписывается

Квантовые компьютеры имеют значение за пределами лаборатории из-за алгоритма Шора, математического метода, опубликованного Питером Шором в 1994 году, показывающего, что достаточно мощный квантовый компьютер может разлагать большие числа на множители — и, следовательно, взламывать широко используемое шифрование стиля RSA — гораздо быстрее, чем любой классический компьютер, как отмечает обзор IBM.

Этот риск не является гипотетическим для органов по стандартизации. 13 августа 2024 года Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) завершил свои первые три стандарта пост-квантового шифрования: FIPS 203 (ML-KEM) для общего шифрования и FIPS 204 (ML-DSA) и FIPS 205 (SLH-DSA) для цифровых подписей, согласно официальному объявлению NIST. Математик NIST Дастин Муди сказал, что организации должны «начать интегрировать их в свои системы немедленно, потому что полная интеграция займет время».

Что квантовые компьютеры не являются

Материалы IBM подчеркивают, что квантовые компьютеры — это не просто более быстрые версии обычных компьютеров; они подходят для конкретных классов задач — таких как моделирование молекул, химические реакции и определенные задачи оптимизации или машинного обучения — где количество взаимодействующих переменных становится слишком большим для классических компьютеров для эффективного отслеживания. Для повседневных задач, таких как обработка текстов или веб-просмотр, классические компьютеры остаются гораздо более практичными.