Макар и днес на технологичния пазар вече да се предлагат т. нар. „квантови компютри“ (като например известния D-Wave), според учените първите истински пълнофункционални квантови машини ще се появят след около десетина години. А този факт ще е толкова значителен и важен, че според някои би трябвало да се отбелязва като истинска революция. Неслучайно наричат годината Y2Q – „Years to Quantum”.

Интересуващите се от темата вероятно знаят за невероятните възможности и гигантската изчислителна мощ на квантовата компютърна технология. И е почти сигурно, че в близко бъдеще, когато тя превземе информационния свят, онези, които първи я притежават, ще имат и огромни преимущества пред останалите – що се отнася до сигурността, финансите и дори политиката. Затова компании, като Amazon, Microsoft, Intel трескаво работят над внедряването на непревземаемата квантова криптография, обещаваща да сложи край на хакерството.

Докато все още има някакво време до деня Y2Q, ще бъде интересно да направим и някаква равносметка за това какво означава да притежаваш квантов компютър. Какви нови и невероятни възможности ще ни даде той и дали всъщност последните няма да са страховити и опасни.

Експоненциално увеличаване на изчислителната мощ

Устройството, на което в момента четете тази статия, разчита на една и съща фундаментална технология, на каквато всяко друго по света. Това е вездесъщата в момента двоична система за кодиране на информацията в битове (нули и единици), които могат да съществуват само в две крайни състояния (включено и изключено).

При квантовите компютри изчисленията разчитат на т. нар. кюбити, които от своя страна могат да съществуват практически в безкраен брой състояния във всеки един момент. И ако днешните компютри работят на принципа на битовете информация и трябва на всеки изчислителен цикъл да интерпретират възможните около 1 милиард комбинации за 32-битовите числа последователно (едно по едно за всичките възможности), то квантовият компютър може буквално да „види“ всички тези 1 милиард комбинации наведнъж! Осъзнавате ли разликата? Това драстично намалява времето за изчисления и повишава производителността буквално милиарди пъти.

На практика квантовите компютри ще бъдат способни да извършват само за секунди изчислителни операции, които биха отнели на днешните най-добри суперкомпютри хиляди години!

Откриване на нови и много по-ефективни лекарства

Картографирането на човешкия геном (ДНК) бе постигнато благодарение на увеличаването на компютърната мощ, точно както е било предвидено от закона на Мур. Но сега предстои да навлезем в една тотално нова ера на постижения в медицината, благодарение на квантовите компютри.

Докато на пазара днес има невероятно голям брой лекарства, скоростта, с която те се създават, както и ефективността им спрямо специфични болести, е изненадващо малка и ограничена. Дори нарастващата мощ на днешните компютри дава само малък процент ръст в тези области, точно заради ограниченията на самата технология.

В един невероятно сложен организъм, какъвто е човешкият, са възможни безброй различни начина, по които лекарството може да повлияе. Добавете към това и безкрайното генетично разнообразие на хората на молекулярно ниво и ще разберете, че потенциалните предимства на едно неспецифично лекарствено средство, разработено за конкретния човек, направо скачат нагоре милиони пъти.

Единствено квантовите компютри ще имат способността да изследват всички възможни сценарии, когато стане дума за влияние на лекарствата. И ще могат да избират най-добрия възможен план за действие според индивидуалните шансове за успех.

Безкрайна сигурност

За нея вече вероятно сте чували. Непробиваемата киберсигурност е мечта на всички големи компании, като тя ще е валидна и при предаване на информацията на разстояния.

В света на квантовата механика съществува феномен, наречен „квантово сплитане“ или "квантово свързване", при който два или повече електрона са свързани и връзката между тях не може да бъде нарушена, без значение какво е физическото разстояние между тях. При съществуващо квантово свързване, намеример ако при единия електрон се появи трептене, поради подаване на някаква информация към него, другият електрон от свързването също ще започне да трепти. Сигналът между тях не може да бъде засечен заради огромното разстояние между тях и именно заради липсата на такава осезаема среда, през която частиците комуникират, кодираните чрез тях сигнали е невъзможно да бъдат прихванати и подслушвани.

Научните методи, нужни за разработването на тази технология, все още са на много начални етапи, но създаването на такъв тип комуникация ще има невероятно отражение в личната и националната сигурност.

И… безкрайно бързо хакване

Заедно с голямата сила идва и голямата отговорност. Затова квантовата мощ, която ще може да създава безкрайно добро криптиране, ще позволява и обратното – хакерите да пробиват буквално мигновено компютри, базирани на по-стара технология.

Днешните водещи криптографски техники са базирани на невероятно сложни математически проблеми. И докато те са сериозни за изчисления за днешните компютри, то те лесно биха били решени от квантовите. Само за пример – ако в наши дни сте защитили компютъра си с някаква много сложна и дълга парола, то по метода brute force (или пробване на всички комбинации една по една) на съвременен суперкомпютър би отнело хиляди години, за да изпробва всички възможности и да я открие. Изчислителният капацитет на квантовите компютри обаче, по отношение на намирането на модели и шаблони, са огромни и всички възможни комбинации ще могат да бъдат проверени неимоверно по-бързо.

Само един фрапиращ пример. За един съвременен суперкомпютър, състоящ се от хиляди отделни мощни сървъра, работещи паралелно, са нужни грубо около две години, за да отключи само една парола, кодирана с RSA-768 алгоритъм (с дължина на ключа от 768 бита). Квантовият компютър ще може да извърши тези изчисления и да намери ключа за частица от секундата.

Хаос на финансовите пазари?

В свързания свят на финансите скоростта е от най-голямо значение. И не е много странно, че в тази сфера много проблеми остават нерешени именно заради недостига на изчислителна мощ.

Дори най-мощните традиционни компютри са неспособни дори грубо да предвиждат бъдещите финансови и икономически ситуации. И поради това са неспособни да решават и сложните проблеми, свързани с постоянно менящите се пазари.

Например много борсови операции изискват комплексни решения с много възможности, но следващи само един път. Опитът да се начертаят и проследят всички възможни пътища за действие е почти невъзможна и тежка задача за съвременните машини. Но благодарение на скоростта си и паралелен стил на работа, квантовите компютри теоретично биха могли да идентифицират множество от финансовите проблеми и да дават съвети на собственика си по най-добрия начин.

Тази мощ обаче лесно ще наруши още повече равновесието на пазарите, защото ще дава огромни преимущества на онези, които могат да си позволят технологията.

Разгадаване на работата на човешкия мозък

Въпреки всички революционни постижения в науката и неврологията през годините, учените до днес знаят доста малко за това как работи мозъкът и как се генерира човешкото съзнание. В едно нещо те са сигурни – човешкият мозък е едно от най-сложните образувания в цялата Вселена и че за да го разберем по-добре, ще е необходим изцяло нов подход към изчисленията.

Човешкият мозък се състои от около 86 милиарда неврона – клетки, които комуникират чрез малки порции информация, предавани с електрически сигнали. И докато електрическите „схеми“ и работата на мозъка като цяло са добре разбираеми, то човешкото съзнание остава загадка.

Предизвикателството е как точно учените да разберат начина, по който от чисто физични закони свързаните клетки някак си трансформират всичко в нашия ментален свят, мислите, спомените и чувствата.

В опит да разберат съзнанието невролозите през годините правят симулации на работата на мозъка, които де факто наподобяват в голяма степен работата на компютрите. А кой би разбрал по-добре как работи един компютър от… друг компютър?

Задачата, която стои пред учените, е да опитат да презапишат (буквално да копират байт по байт) цялата информация от един човешки мозък така, че той да е пресъздаден виртуално. И ако това не е възможно и не е по силите на съвременните компютри, то ще бъде напълно в рамките на възможностите на квантовите.

Откриване на далечни планети и генетика

Две различни, но наистина много сложни и комплексни области. Не е изненада, че когато стане дума за изследване на далечни обекти в Космоса, квантовите компютри могат да бъдат изключително полезни заради анализа на огромно количество получавани данни. Дори днес в НАСА се съставят инженерни планове за използване на квантови процесори, охладени до 20 миликелвина (температура максимално близка до абсолютната нула), чрез които да се решават невероятно сложни задачи, свързани с милиарди пакети информация получавани в реално време от измервателните уреди.

Ако американските инженери успеят, те ще могат да се възползват от най-малките промени (флуктуации) в получаваните данни така, че да засичат дори малки разлики в топлината, излъчвана от най-далечните звезди и дори от черните дупки. Дори днес те използват общите принципи на квантовите компютри, за да симулират по-надеждни и ефективни начини на междузвездни пътешествия и изпращане на роботи до далечни планети. Плановете на агенцията са до десет години квантовите изчисления да помогнат за създаването на суперточни анализи на това какво ще се случи по време на мисиите. Така ще могат да се предвидят всички възможни сценарии и след това да се създадат планове за действия за всеки един поотделно чрез разработване на точни стратегии.

Що се отнася до генетиката, квантовите изчисления ще могат да ни дадат карти на белтъците по същия начин, по който днес имаме геномни карти. Ще разполагаме с модели на сложни молекулярни взаимодействия на атомно ниво, което ще е незаменимо полезно когато става дума за разработване на нови медицински техники и лекарства. Така учените ще могат да моделират около 20 000 протеина (белтъка) и да симулират техните реакции с безкраен брой лекарства. А нелечимите болести ще станат лечими.

И още. Безкрайно големите възможности за симулации ще разкрият всякакви типове мутации на ДНК, които днес се считат за случайни. Те повече просто няма да са случайни и непредвидими, защото… ще бъдат симулирани преди още да се случат. И ще знаем какво да очакваме.

Инженерни постижения

Мощните квантови компютри ще позволят използването на невероятно сложни инженерни модели, които ще започват още от молекулярно ниво – например асемблиране на нови материали молекула по молекула. Такива открития ще доведат до създаването на фантастични материали и структури по отношение на здравината им, запазването на енергия, контрол на замърсяването и др.

Когато днешните авиоинженери започнат да използват квантови компютри, те ще могат да симулират всичко, започвайки от ниво атоми и да изследват не само как новите материали ще се държат по време на натоварвания, но и как образуваните от тях механични структури ще влияят върху сигурността и свойствата на самолетите. Химиците и физиците пък ще забравят днешните опити с проба и грешка, защото ще правят милиони опити едновременно само за секунда. А това със сигурност ще означава създаване на съвършени суперпроводници, мощни магнити, по-добри източници на енергия и много много други.