Фахівці передбачають, що незабаром на зміну звичайним комп'ютерам прийдуть квантові, які за потужністю перевершують сучасні обчислювальні системи в кілька разів.

Квантовий комп'ютер - це обчислювальний пристрій, що працює за принципами квантової механіки, яку можна назвати найскладнішим розділом фізики. Квантова механіка зародилася на початку 20-го століття, і вивчає поведінку квантових систем і її елементів. Квантова частка може перебувати в кількох місцях і станах одночасно, тому за визначенням квантова механіка повністю суперечить загальній теорії відносності.

На початку століття з'ясувалося, що використання електричних схем для створення обчислювальних пристроїв має свої межі, і всі вони практично були досягнуті. Зараз же перед людством постають все нові і нові завдання, для вирішення яких класичних комп'ютерів буде недостатньо. Найпростіший приклад такого завдання - це розкладання великих чисел на множники. Для цієї мети було побудовано більшість криптографічних систем. Це здасться банальним але, якби комусь вдалося швидко розкласти велике число на прості множники, то для нього стали доступні транзакції у всіх банках світу.

Інше, не менш важливе завдання, з яким сучасні комп'ютери ніколи не зможуть впоратися - це моделювання квантових систем і молекул ДНК. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що створення квантових комп'ютерів - вельми перспективне рішення, яке дозволить вирішити ці та багато інших проблем.

Класичний комп'ютер працює на основі транзисторів і кремнієвих чіпів, які використовують для обробки інформації бінарний код, що складається з нулів і одиниць. Біт, як мінімальна одиниця інформації, має два базових стани: 1 і 0. Зміни цих станів можна легко контролювати: об'єкти можуть або знаходитися в конкретному місці, або -  не знаходиться. Робота ж квантового комп'ютера буде грунтуватися на принципі суперпозиції, а замість бітів будуть використовуватися кубіти (квантові біти), які одночасно можуть перебувати у обох станах (в 1 і 0 одночасно).

Як працює квантовий комп'ютер

Теоретично квантовий комп’ютер буде здатний в одну мить проводити мільйон обчислень, в той час як класичний — тільки одне, тобто потенційна обчислювальна потужність квантового комп’ютера перевищує потужність класичних комп’ютерів приблизно в 10 у 80-му ступені разів. Зараз вже описані десятки алгоритмів роботи квантового комп'ютера, навіть розробляються особливі мови програмування.

В лютому 2007 року канадська компанія D-Wave заявила про створення зразка квантового комп'ютера, що складається з 16 кубіт (пристрій одержав назву Orion). Інформація про цей пристрій не відповідала вимогам достовірного наукового повідомлення, тому новина не отримала наукового визнання. Більше того, подальші плани компанії - створити вже в найближчому майбутньому 1024-кубітні комп'ютер - викликали скепсис у членів експертної спільноти.

Елементи квантового комп'ютера D-Wave Orion:
a) квантовий процесор в зборі; b) кремнієвий квантовий чіп з 16 кубітами; c) електронні модулі для зв'язку з квантовим чіпом.

У листопаді 2007 року та ж компанія D-Wave продемонструвала роботу зразка 128-кубітного комп'ютера (пристрій отримав назву Leda) онлайн на конференції, присвяченій суперкомп'ютерам. Дана демонстрація також викликала скепсис.

11 травня 2011 представлений комп'ютер D-Wave One, створений на базі 128-кубітного процесора, який коштує $11 млн. Пізніше компанія випустила  D-Wave Two з 512-кубітним чіпом. На цьому D-Wave вирішила на зупинятися. У вересні 2016 році у продаж надійшов комп'ютер D-Wave 2000Q з процесором на 2000 кубіт за ціною 15 млн. доларів.

Його робоча температура становить приблизно -273 °C, комп'ютер ретельно екранований від зовнішніх електричних і магнітних полів.

Квантовий комп'ютер D-Wave D-Wave 2000Q  з 2000-кубітним процесором

Слід зауважити, що область квантових обчислень є в нинішній час досить спірною областю. Деякі з відомих учених, зокрема, фізик Маттіас Тройер, стверджують, що квантові комп'ютери на їх сучасному рівні реалізації не можуть виграти по продуктивності у звичайних комп'ютерів, вирішуючи ряд важких обчислювальних задач певного роду. Ця заява була оскаржена групою дослідників, яку очолює Джон Мартініс, які провели цілу серію різних тестів. Але всі ці зусилля так і не дали однозначного результату, тому питання про перевагу квантових комп'ютерів так і знаходиться в підвішеному стані.

Виправлення помилок - основна проблема квантових комп'ютерів. Помилки в квантових комп'ютерах можна розділити на два основних рівня. Помилки першого рівня притаманні всім комп'ютерам, в тому числі і класичним. До таких помилок відноситься мимовільна зміна кубітів через зовнішній шум (наприклад: космічні променів або радіація). З цією проблемою недавно вдалося впоратися фахівцям з компанії Google. Для вирішення цієї проблеми команда вчених на чолі з Джуліаном Келлі створила особливу квантову схему з дев'яти кубітів, які шукають помилки в системі. Решта кубіти відповідають за збереження інформації, таким чином, зберігаючи її довше, ніж з використанням одиничного кубіта. Однак основна проблема нікуди не поділася, залишається другий рівень помилок.

Кубіти спочатку за своєю природою нестабільні, вони миттєво забувають інформацію, яку ви хочете зберегти на квантовий комп'ютер. Під впливом на кубіт навколишнього середовища порушується зв'язок всередині квантової системи. Щоб позбутися цього, квантовий процесор потрібно максимально ізолювати від впливу зовнішніх факторів. Як це зробити? - Поки залишається загадкою. За словами експертів, 99% потужності такого комп'ютера піде на виправлення помилок, і лише 1% залишиться для вирішення будь-яких завдань. Звичайно, від помилок не вдасться позбутися повністю, але якщо мінімізувати їх до певного рівня, квантовий комп'ютер зможе працювати.

За прогнозом компанії з дослідників Cisco Systems, повноцінний робочий квантовий комп'ютер з'явиться до середини наступного десятиліття, і за потужністю його можна буде порівняти з людським мозком. У будь-якому випадку, проблема розробки нових досконалих комп'ютерів буде актуальна доти, поки людство не навчиться виправляти квантові помилки другого рівня. Якщо це колись станеться, то до створення робочого квантового комп'ютера залишиться лише кілька років.