Автор: Бахмат М., аналитик в области квантовых технологий
Основы квантовой механики были заложены сто лет назад, а текущий год ООН объявила Международным годом квантовой науки и технологий. И все это происходит на фоне того, что человечество как никогда близко к превращению квантовых вычислений в реальность — подобно тому, как это уже случилось с электричеством, полетами в космос и интернетом. Что скрывается за квантовыми вычислениями? Новости 2025 года и последние достижения в этой сфере говорят о том, что они очень скоро станут возможными и человечество сможет извлечь из них реальную пользу.
- Как работает квантовый компьютер
- Что такое кубит: ключевое отличие от традиционных вычислений
- Где квантовые вычисления дают наибольшую пользу
- Готовность к внедрению квантовых технологий
- Вызовы и ограничения квантовых вычислений
- Когда квантовые вычисления станут массовыми: технологии и игроки
- Итоги: суть квантовых вычислений за 60 секунд
Как работает квантовый компьютер
Квантовые вычисления — это достаточно новое направление в компьютерных науках, которое использует преимущество квантовой механики для ресурсоемких вычислительных задач. То есть тех, которые не способны решать даже самые мощные компьютеры мира. Когда мы говорим о квантовых вычислениях, мы также подразумеваем использование квантового оборудования — это физическая составляющая процесса. А также квантовые алгоритмы, которые используются в вычислениях.
Давайте разберемся, чем квантовый компьютер отличается от обычного и в чем его превосходит.
Что такое кубит: ключевое отличие от традиционных вычислений
Квантовые вычисления могут стать альтернативой высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing). В традиционных компьютерах минимальной единицей информации является бит, а в квантовых — кубит. 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. Это так называемая суперпозиция, или же основной принцип квантовой механики. И именно суперпозиция позволяет быть квантовым компьютерам настолько мощными для решения самых сложных и ресурсоемких задач.
Резюмируем:
Кубит — это эквивалент компьютерного бита и наименьшая единица информации в квантовом компьютере.
Суперпозиция — это способность кубита находиться в множестве позиций одновременно ровно до того времени, как его состояние будет измерено.
Как выглядит разница между битом (традиционные вычисления) и кубитом (квантовые вычисления):
Благодаря суперпозиции квантовые алгоритмы обрабатывают информацию в тысячи раз быстрее, чем самые мощные компьютеры мира. Например, задача, которую они будут выполнять миллионы лет, квантовый компьютер решит за несколько минут.
Если вы новичок, представьте кубит как волчок, который одновременно вращается во все стороны. Только когда вы на него смотрите — он «выбирает», куда указывает.
Также для лучшего понимания принципов квантовых вычислений введем еще два понятия: запутанность и интерференция.
Запутанность — это квантовое явление, при котором два и более кубита становятся настолько связанными, что начинают влиять друг на друга. И зная состояние одного кубита, мы можем определить состояние других, связанных с ним, как бы далеко они не находились друг от друга.
Интерференция — это взаимное влияние квантовых состояний кубитов друг на друга, в результате чего меняется конечная вероятность результатов измерения их состояния.
Почему запутанность и интерференция так важны для понимания квантовых вычислений? Если рассказывать, как работают квантовые компьютеры простыми словами, то первая позволяет передавать информацию значительно быстрее, чем в обычных компьютерных системах. А интерференция позволяет «настроить» суперпозицию так, чтобы усиливать нужные результаты и подавлять ошибочные.
Таким образом, эти базовые принципы — суперпозиция, запутанность и интерференция — лежат в основе беспрецедентной вычислительной мощности. Именно эта мощность позволяет решать задачи, недоступные для классических компьютеров, и открывает путь к колоссальной экономической ценности.
McKinsey оценивает потенциальную экономическую ценность квантовых технологий в диапазоне от $0,9 трлн до $2 трлн к 2035 году в таких отраслях, как химическая промышленность, науки о жизни, финансы и мобильность. Рынок квантовых вычислений, по прогнозам Fortune Business Insights, вырастет с $928,8 млн до $6,5 млрд к 2030 году (среднегодовой темп роста 32,1%).
Где квантовые вычисления дают наибольшую пользу
Эксперты уверены: бизнесу не стоит ждать еще более стремительного роста, иначе он рискует отстать от конкурентов. Это косвенно подтверждают результаты исследования Deloitte: здесь уверены, что до конца 2025 года квантовые вычисления будут добавлены в список услуг ведущих дата-центров мира. В то же время небольшие и умеренные проблемы, типичные для малого и частично среднего бизнеса, не получат ощутимой выгоды от квантовых вычислений. Но когда квантовые компьютеры смогут решать определенные классы задач быстрее и эффективнее классических суперкомпьютеров, наступит «квантовое экономическое преимущество». Именно тогда квантовые технологии смогут раскрыть свой максимальный потенциал.
Давайте посмотрим, где могут появиться первые успешные кейсы практического применения квантовых вычислений.
Квантовое машинное обучение
Квантовые компьютеры будут более эффективными в тех задачах, которые сегодня решают с помощью традиционного машинного обучения: обработку естественного языка, анализ больших данных, поиск закономерностей, выявление аномалий и другие.
Финансы и инвестиции
Квантовые вычисления будут помогать оптимизировать крупные инвестиционные портфели и определять эффективные стратегии управления рисками. QAI (квантовый искусственный интеллект) может анализировать рыночные данные на гранулярном уровне и учитывать бесчисленные переменные одновременно, предоставляя инвесторам значительное преимущество и возможность прогнозировать рыночные тенденции с высокой степенью точности. При этом квантовые алгоритмы будут моделировать поведение финансовых рынков с учетом огромного количества переменных и сценариев, недоступных для классических компьютерных систем.
Медицина и фармацевтика
Использованием высокопроизводительных вычислительных систем позволяет значительно ускорить разработку новых лекарств. Квантовый ИИ может значительно ускорить процесс идентификации новых молекул для потенциальных терапевтических средств и моделировать сложные химические реакции с беспрецедентной точностью. Например, в 2024 году исследователи использовали гибридную квантово-классическую модель, чтобы разработать молекулы, блокирующих онкологически значимый белок KRAS.
Логистика
Здесь эта технология помогает оптимизировать маршруты доставки, управлять запасами и прогнозировать спрос. Особое внимание уделяется оптимизации цепочек поставок и производственных процессов. Свою эффективность в построении маршрутов уже доказали квантовые алгоритмы Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) и Variational Quantum Eigensolver (VQE). А среди тех, кто исследует потенциал квантовых вычислений в своей работе — компании DHL и Volkswagen.
Ключевые инсайты по применению квантовых вычислений
- Квантовое машинное обучение: ускоряет обработку больших данных и анализ закономерностей.
- Финансы: оптимизация инвестиционных портфелей и риск-менеджмент.
- Медицина: революция в разработке лекарств и моделировании молекул.
- Логистика: повышение эффективности маршрутов и управление запасами.
Кому стоит начать изучать квантовые вычисления уже сейчас — разработчикам, инвесторам, и IT-директорам, ищущим конкурентное преимущество.
Готовность к внедрению квантовых технологий — новости 2025 года
Количество подобных сценариев, где квантовые вычисления могут быть полезны, постоянно увеличивается. Например, Mercedes-Benz уже делает ставку на квантовые технологии в создании автомобилей будущего, заручившись поддержкой IBM. В то же время, Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) активно разрабатывает квантово-устойчивую криптографию (PQC), а британский телеком-оператор British Telecom вместе с Arqit Quantum и Fortinet работают над созданием квантово-защищенного VPN.
Эти меры крайне необходимы, потому что алгоритмы общедоступной криптографии, такие как RSA и Diffie-Hellman, находятся под угрозой. Злоумышленники уже собирают зашифрованные данные для последующего дешифрования, когда появятся мощные квантовые компьютеры. Именно поэтому правительства и крупные корпорации по всему миру начали масштабную подготовку к переходу на квантово-устойчивую криптографию для сохранения целостности цифрового доверия.
В этом процессе IBM играет ведущую роль, разработав и внеся вклад в три из четырех стандартов NIST для постквантовой криптографии. Однако, несмотря на наличие решений, большинство компаний не готово к переходу. Согласно Индексу готовности к квантовой безопасности IBM, организации в среднем набирают всего 21 балл из 100, что говорит о необходимости срочных действий.
Также важно помнить, что квантовые вычисления не могут полностью заменить традиционные, и в этом нет смысла. Они идеально подходят для требовательных к ресурсам сценариев, характерных для перечисленных выше отраслей.
Вызовы и ограничения квантового ИИ
Несмотря на впечатляющие перспективы, квантовые вычисления сталкиваются с серьезными вызовами. Главная проблема — хрупкость кубитов, которые чрезвычайно чувствительны к шуму, теплу и любым внешним воздействиям, что приводит к ошибкам и декогеренции. Измерение состояния кубита также вызывает его коллапс, усложняя процесс вычислений. Кроме того, пока ощущается недостаток зрелых квантовых алгоритмов, способных использовать весь потенциал технологии. Вдобавок, высокая стоимость и необходимость в сложном специализированном оборудовании (например, криогенные системы) остаются серьезным барьером. По этой причине, несмотря на достижения, широкое внедрение, в том числе для крупномасштабных моделей квантового ИИ, может занять еще 15-20 лет.
Когда квантовые вычисления станут массовыми: технологии и игроки
Человечество сильно приблизилось к тому, чтобы решать сложные задачи с помощью квантовых вычислений.
Amazon Web Services
В AWS уже предлагают полностью управляемый сервис квантовых вычислений Amazon Braket. Он ориентирован в первую очередь на ученых, исследователей и R&D-лаборатории, которые могут экспериментировать с разными типами квантовых устройств, сравнивать результаты работы разных алгоритмов, тестировать гибридные (на стыке классических и квантовых) решения.
Компания еще несколько лет назад разработала собственный квантовый чип Sycamore, и недавно команде исследователей Google Research удалось подтвердить, что он превосходит по производительности классические мощные компьютеры.
Последние инновации Google Quantum AI связаны с чипом нового поколения Willow. Он стал большим шагом на пути к созданию квантового суперкомпьютера, способного выполнять сложные вычисления с коррекцией ошибок. Его особенность в том, что он экспоненциально сокращает ошибки по мере масштабирования, а это критически важно для создания надежных квантовых систем. По сути, Willow — это первый прототип масштабируемого логического кубита, работающего ниже порогового значения, что делает его ключевым элементом для квантовых вычислений с коррекцией ошибок.
Недавно чип Willow выполнил стандартный тест Random Circuit Sampling (RCS) менее чем за пять минут, тогда как у самого быстрого классического суперкомпьютера на это ушло бы примерно 10 септиллионов (10^25) лет. Это достижение показывает, что полезные, очень крупные квантовые компьютеры действительно могут быть построены и прокладывает путь к новым открытиям, а также практическому применению квантовых технологий.
IBM
Компания прямо сейчас работает над созданием крупномасштабного отказоустойчивого квантового компьютера IBM Quantum Starling и планирует представить его до 2029 года. Ожидается, что квантовый компьютер получит программное обеспечение Qiskit, которое позволит исследовать, демонстрировать и масштабировать преимущества квантовых вычислений. Вычислительная мощность будет основана на 100 миллионах квантовых вентилей (базовых элементах квантового компьютера) на 200 логических кубитах.
Основой для текущих квантовых систем IBM, таких как Quantum System Two, стал чип Heron. Уже доступна его последняя версия Heron 2, который представляет собой 156-кубитный процессор. Он обеспечил как минимум пятикратное сокращение ошибок по сравнению с предыдущими чипами IBM и доказал способность выполнять сложные квантовые схемы с 5000+ двухкубитовыми операциями.
Образовательные инициативы IBM, охватившие более 5,4 млн учащихся, играют ключевую роль в подготовке квалифицированных кадров для квантового направления. Разработанные экспертами IBM программы помогают устранить растущий дефицит специалистов и создают основу для будущих инноваций в квантовых вычислениях.
Microsoft
Здесь, в свою очередь, работают над созданием чипа Majorana 1, который, по словам представителей Microsoft, является первым в мире топопроводником. Он работает на новой архитектуре Topological Core, что открывает путь к размещению миллиона кубитов на одном чипе размером с ладонь. Главное преимущество Majorana 1 — это надежность, заложенная в саму его конструкцию, поскольку он включает отказоустойчивость на аппаратном уровне и поддерживает цифровое управление кубитами.
Эта прорывная технология позволит решать задачи, которые сегодня кажутся невыполнимыми. Например, создавать самовосстанавливающиеся материалы, расщеплять микропластик на безвредные компоненты или точно подсчитывать поведение ферментов в процессе разработки новых лекарств.
Pasqal
Компания Pasqal выделяется уникальным подходом, основанным на нейтральных атомах. Эта технология позволяет создавать системы со 100 и более кубитами, работающих при более высоких температурах, чем сверхпроводящие кубиты. Это упрощает конструкцию и делает кубиты более масштабируемыми.
В рамках своей стратегии Pasqal сосредоточилась на концепции «Троицы» для решения сложных задач, объединяя квантовые вычисления, высокопроизводительные классические вычисления (HPC) и искусственный интеллект (ИИ). Здесь квантовые вычисления предоставляют вычислительные мощности для специализированных задач, HPC обрабатывает большие данные от квантовых систем, а ИИ оптимизирует квантовые расчеты и отвечает за анализ данных. Последнее подчеркивает взаимосвязь «не только квант для ИИ, но и ИИ для кванта» — это не просто две отдельные технологии, а мощный симбиоз, где каждая технология усиливает другую.
Chief Operating Officer Colobridge, Андрей Михайленко:
«Когда квантовые вычисления в Украине станут реальностью? На это нет ответа. Но развитие квантовых вычислений однозначно стимулирует интерес к строительству новых дата-центров или расширение услуг в уже существующих — хотя бы потому, что абсолютное большинство компаний даже из Fortune Global 500 не сможет создать или приобрести собственный квантовый компьютер. А это значит, что скоро мы увидим, как в продуктовых портфелях дата-центров и поставщиков облачных услуг появятся квантовые сервисы. Крупнейший в ЕС оператор Equinix (по данным рейтинга Сloudscene), в одном из ДЦ находится часть вычислительных мощностей Colobridge, уже предлагает квантовые вычисления по сервисной модели (quantum compute-as-a-service, QCaaS). Почему это выгодно: даже если какая-то компания сможет найти ресурсы на разработку или покупку, а в дальнейшем содержание квантового компьютера, она будет привязана только к одному типу вычислений, на которые тот способен. И наоборот, «квантовые вычисления как сервис» обеспечат гибкость, так как позволят использовать разные IT-решения под конкретные задачи бизнеса».
Итоги: суть квантовых вычислений за 60 секунд
- Единица информации — кубиты, которые находятся в суперпозиции
- Обеспечивают экспоненциальное ускорение задач
- Идеальны для ML, фармацевтики, финансов и логистики
- Доступны как сервис (QCaaS) у ведущих дата-центров
- Массовое распространение — к 2026–2030
Узнайте больше о вычислительных возможностях технологической платформы Colobridge. Расскажите о ваших бизнес-задачах и требованиях, а наши специалисты предложат вам оптимальное по производительности, безопасности и гибкости IT-решение.
