Квантовые компьютеры, разработка которых весьма интенсивно ведется в последнее время, еще не скоро войдут в широкое употребление, этот момент от настоящего отделяют еще десятки лет. Несмотря на это некоторые группы ученых-теоретиков уже сейчас разрабатывают алгоритмы и программы, которые могут быть выполнены только квантовыми компьютерами. И одним из таких алгоритмов является алгоритм, моделирующий все возможные взаимодействия и эффекты, происходящие при столкновении двух элементарных частиц, то, для чего в настоящее время применяются огромные и невероятно дорогостоящие ускорители частиц, к примеру, пресловутый Большой адронный коллайдер (БАК).

Создание реальных квантовых компьютеров предполагает наличие в распоряжении людей технологий, которые пока еще не разработаны или находятся в стадии научных экспериментов. Но квантовые компьютеры, которые рано или поздно все-таки появятся, смогут обеспечить такой уровень вычислительной мощности, до которого очень далеко даже самым могучим современным суперкомпьютерам.

Основой работы квантовых компьютеров будут кубиты (квантовые биты) их процессора, которые будут работать с помощью законов квантовой механики, которые, в свою очередь, определяют поведение субатомных частиц. Эти законы позволят кубитам находиться одновременно в нескольких квантовых состояниях, что позволит с их помощью просчитывать сразу все возможные решения задачи. Эта способность, недоступная для традиционных компьютеров, позволит квантовым компьютерам быстро и эффективно решать ресурсоемкие вычислительные задачи, такие как взлом криптоустойчивых шифров и расчет невероятно сложных математических моделей.

Рис. 1.

«У нас имеется теоретическая модель будущего квантового компьютера. Зная ее, мы уже сейчас можем составить математическую модель, описывающую наиболее сложные процессы, происходящие в природе, которая будет рассчитываться только на квантовом компьютере с максимальной эффективностью» – рассказывает Стивен Джордан, ученый-теоретик и подразделения прикладной и вычислительной математики Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST). – «Прямо сейчас мы уже можем создать математические модели столкновений частиц, модель процессов Большого Взрыва и зарождения Вселенной. Но выполнить их расчеты и узнать то, что можно ожидать в дальнейшем, мы сможем только после создания настоящих квантовых компьютеров».

Используя теоретическую модель квантового компьютера, ученые создали алгоритм, который будет выполняться на любом будущем квантовом компьютере, независимо от его архитектуры и реализации. Универсальность алгоритма заключается в возможности создания модели ситуации столкновений и взаимодействий ядер большого количества химических элементов.

Нетрудно догадаться, что такое просто невозможно с использованием технологий, которыми владеет человечество в настоящее время. Для того, что бы реализовать такое на обычных компьютерах, потребовался бы компьютер с бесконечно большим объемом оперативной памяти, но ученые, разработавшие квантовый алгоритм, описали информацию в виде квантовых состояний множества квантовых битов, что позволило «вписать» поставленную задачу в разумные рамки.

«Математическое моделирование обладает рядом привлекательных возможностей. Вам не составит никакого труда, что бы увеличить сложность задачи, к примеру, увеличив энергию частиц и столкновений, то, для чего на Большом адронном коллайдере вскоре будет затеяна дорогостоящая модернизация. Используя разработанные нами методы предоставления информации и математических расчетов, можно будет создавать любые математические модели, вписывающиеся в законы Стандартной физической модели. Это означает, что квантовые компьютеры смогут сделать ненужными ускорители частиц и другие дорогостоящие научные инструменты и установки».