Презентация на тему «Квантовые компьютеры»

Слайд 1. Квантовые компьютеры

• Как устроен кубит, какие задачи он реально ускоряет и где проходит граница между наукой и рекламой

Доклад: Тема нашей презентации — квантовые компьютеры. Разберём, что такое кубит, чем квантовая машина принципиально отличается от привычного компьютера и какие задачи она действительно способна ускорить. Сразу договоримся смотреть на факты, а не на рекламные заголовки.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Бит и кубит: в чём разница
• Суперпозиция: состояние кубита
• Запутанность
• Чем квантовый компьютер отличается от классического
• Кто заложил основы
• Алгоритм Шора
• Алгоритм Гровера
• Где выигрыш есть, а где его нет
• Декогеренция: главная преграда
• Коррекция ошибок и логический кубит
• Порог ошибок наконец пройден
• Сверхпроводящие кубиты
• Другие физические платформы
• Хронология ключевых событий
• Почему спорят о квантовом превосходстве
• Рост числа кубитов у IBM
• Реальное положение дел
• Угроза криптографии
• Постквантовый переход
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Работа построена так: сначала физические основы — суперпозиция и запутанность, затем алгоритмы Шора и Гровера, после этого инженерия — декогеренция, коррекция ошибок и физические платформы. Завершим разговором о квантовом превосходстве и об угрозе современной криптографии.

Слайд 3. Введение

• Квантовые вычисления перешли из области теории в инженерию: работающие процессоры доступны через облако, а гонку ведут государства и крупнейшие корпорации.
• Вокруг темы много преувеличений: квантовый компьютер не «быстрее во всём», он даёт выигрыш лишь на узком классе задач с особой математической структурой.
• Отдельная причина интереса — криптография: алгоритм Шора угрожает шифрам, на которых держатся банковские платежи и защищённая связь.
• Цифры устаревают за месяцы, поэтому важно понимать не рекорды, а принципы: суперпозицию, запутанность, декогеренцию и коррекцию ошибок.

Доклад: Квантовые вычисления перестали быть чистой теорией: процессоры уже доступны через облако, а в гонку вложены миллиарды. При этом вокруг темы накопилось много преувеличений, и разделять достижения и обещания приходится очень аккуратно. Отдельный практический интерес связан с криптографией, поэтому тема касается каждого, кто пользуется банковскими сервисами.

Слайд 4. Бит и кубит: в чём разница

• Классический компьютер хранит информацию в битах, квантовый — в кубитах. Разница не в скорости отдельной операции, а в том, какие состояния носитель информации способен принимать между измерениями.
• Строго одно из двух значений: 0 или 1
• Состояние можно прочитать, не разрушив его
• Бит свободно копируется и дублируется
• Носитель — заряд конденсатора или намагниченность
• Суперпозиция: 0 и 1 одновременно с амплитудами
• Измерение обрушает состояние в один исход
• Копирование запрещено теоремой о неклонировании
• Носитель — спин, уровень энергии атома или поляризация фотона

Доклад: Классический бит принимает одно из двух значений и спокойно читается сколько угодно раз. Кубит же до измерения находится в суперпозиции обоих состояний, а само измерение необратимо обрушивает его в один исход. Ещё одно принципиальное ограничение — теорема о неклонировании: произвольное квантовое состояние скопировать невозможно, и это позже аукнется при коррекции ошибок.

Слайд 5. Суперпозиция: состояние кубита

• |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩
• α — амплитуда состояния «нуль», комплексное число
• β — амплитуда состояния «единица», комплексное число
• |α|² + |β|² = 1 — вероятности двух исходов измерения в сумме дают единицу
• n кубитов — описываются 2ⁿ амплитудами, но при измерении отдают лишь n битов

Доклад: Состояние кубита записывается как сумма двух базисных состояний с комплексными амплитудами альфа и бета. Квадраты их модулей дают вероятности получить нуль или единицу, а в сумме они всегда равны единице. Обратите внимание на последнюю строку: система из n кубитов описывается двумя в степени n амплитудами, но при измерении отдаёт всего n битов — именно поэтому «параллельный перебор всех вариантов» является упрощением, а не описанием реальности.

Слайд 6. Запутанность

• Запутанность — состояние двух и более кубитов, которое нельзя разложить на состояния отдельных частиц: описание целого богаче суммы описаний частей.
• В паре Белла исходы измерений жёстко связаны: узнав результат по одному кубиту, мы мгновенно знаем результат по второму, где бы он ни находился.
• Опыты по нарушению неравенств Белла доказали, что такие корреляции сильнее любых классических; за них присуждена Нобелевская премия по физике 2022 года.
• Передать информацию быстрее света запутанность не позволяет: сами исходы случайны, и смысл они обретают только при сверке по обычному каналу связи.

Доклад: Запутанность — второй столп квантовых вычислений. Состояние двух запутанных кубитов невозможно разложить на состояния каждого по отдельности: система целиком богаче суммы частей. Опыты по проверке неравенств Белла подтвердили, что такие корреляции сильнее любых классических, и в 2022 году эта работа отмечена Нобелевской премией. Но передавать информацию быстрее света запутанность не позволяет — исходы сами по себе случайны.

Слайд 7. Чем квантовый компьютер отличается от классического

• Отличие не в тактовой частоте: квантовые операции идут медленнее классических.
• Выигрыш даёт интерференция амплитуд — она гасит неверные ответы и усиливает верный.

Доклад: Таблица собирает отличия воедино. Важно понять главное: квантовые операции идут не быстрее классических, а зачастую медленнее. Выигрыш достигается интерференцией — алгоритм строят так, чтобы амплитуды неправильных ответов гасили друг друга, а правильного — складывались. Отсюда и вероятностный характер вычисления: схему приходится прогонять многократно.

Слайд 8. Кто заложил основы

• Ричард Фейнман, 1918–1988, Показал, что квантовые системы разумно моделировать только квантовой же машиной
• Дэвид Дойч, род. 1953, Ввёл понятие универсального квантового компьютера и квантовой машины Тьюринга
• Питер Шор, род. 1959, В 1994 году нашёл квантовый алгоритм разложения чисел на множители

Доклад: У квантовых вычислений есть конкретные авторы. Ричард Фейнман в начале восьмидесятых заметил, что моделировать квантовую систему разумно только другой квантовой системой. Дэвид Дойч перевёл идею на язык теории вычислений и описал универсальный квантовый компьютер. А Питер Шор в 1994 году показал, зачем такая машина нужна практически, — и с этого момента область получила серьёзное финансирование.

Слайд 9. Алгоритм Шора

• Опубликован Питером Шором в 1994 году и стал главным доводом в пользу квантовых машин.
• Классические методы требуют времени, растущего почти экспоненциально с длиной числа.
• Алгоритм Шора справляется за полиномиальное время — это качественный, а не количественный скачок.
• Квантовой является лишь часть работы: поиск периода. Остальное считает обычный процессор.
• На реальном оборудовании пока раскладывали только крошечные числа вроде 15 и 21.
• Сведение к периоду — разложение числа на множители превращают в поиск периода вспомогательной функции
• Подготовка суперпозиции — регистр кубитов готовят сразу во всех значениях аргумента
• Квантовое преобразование Фурье — интерференция гасит всё, кроме частот, кратных периоду
• Измерение и цепная дробь — из полученного числа классически восстанавливают период
• Наибольший общий делитель — по периоду за секунды находят множители исходного числа

Доклад: Алгоритм Шора работает хитро: задачу разложения числа на множители он сводит к поиску периода вспомогательной функции. Регистр кубитов готовят в суперпозиции всех аргументов, затем квантовое преобразование Фурье гасит всё, кроме частот, кратных периоду. Дальше вступает обычный процессор: по измеренному числу восстанавливают период и находят делители. Квантовой здесь является лишь одна часть работы, а на реальном оборудовании пока раскладывали только крошечные числа.

Слайд 10. Алгоритм Гровера

• Предложен Ловом Гровером в 1996 году для поиска в неупорядоченном множестве.
• Ускорение квадратичное: миллион вариантов перебирается примерно за тысячу шагов.
• Это заметно скромнее, чем у алгоритма Шора, и доказано, что лучше квадратичного здесь не будет.
• Метод универсален: годится для перебора ключей, задач оптимизации и проверки условий.
• На практике выигрыш съедают накладные расходы: загрузка данных в квантовую память дороже самого поиска.
• √N — столько обращений к функции вместо N при слепом переборе

Доклад: Алгоритм Гровера решает более приземлённую задачу — поиск в неупорядоченном множестве. Вместо N проверок он требует порядка корня из N: миллион вариантов перебирается примерно за тысячу шагов. Ускорение квадратичное, а не экспоненциальное, и доказано, что лучше здесь не будет. На практике выигрыш часто съедает загрузка данных в квантовую память, которая сама по себе дорога.

Слайд 11. Где выигрыш есть, а где его нет

• Квантовый компьютер — не замена обычному, а сопроцессор для отдельных подзадач.
• Выигрыш возможен только там, где у задачи есть скрытая структура: периодичность, симметрия, квантовая природа.
• Ускорение доказано — разложение чисел на множители и дискретный логарифм; моделирование молекул, катализаторов и материалов; задачи перебора с квадратичным выигрышем; выборка из сложных вероятностных распределений
• Выигрыша нет — офисные программы, графика и видео; базы данных и веб-сервисы; обучение больших языковых моделей; любые задачи, где узкое место — ввод и вывод данных

Доклад: Этот слайд стоит запомнить лучше остальных. Доказанное ускорение существует для разложения чисел, дискретного логарифма, моделирования молекул и материалов, а также для перебора с квадратичным выигрышем. Зато офисные программы, графика, базы данных и обучение языковых моделей от квантового компьютера не выиграют ничего. Он не замена обычной машине, а узкоспециализированный сопроцессор.

Слайд 12. Декогеренция: главная преграда

• Кубит хранит состояние микроскопическое время: у сверхпроводников речь идёт о десятках и сотнях микросекунд.
• Чем длиннее алгоритм, тем выше шанс, что шум превратит результат в случайный набор битов.
• Поэтому борьба идёт не за число кубитов, а за качество каждой операции.
• Потеря когерентности
• Тепловой шум — остаточное тепло среды переворачивает состояния кубитов
• Электромагнитные наводки — посторонние поля и излучение сбивают фазу
• Дефекты материалов — двухуровневые дефекты в оксидах поглощают энергию
• Космические частицы — редкие попадания портят состояние целого чипа
• Погрешности управления — неточность импульсов накапливается за длинную схему

Доклад: Декогеренция — главный враг разработчика. Кубит удерживает состояние микроскопическое время: у сверхпроводников это десятки и сотни микросекунд. Причин много — тепловой шум, электромагнитные наводки, дефекты материалов, даже космические частицы, способные испортить целый чип. Чем длиннее алгоритм, тем выше шанс, что на выходе окажется случайный набор битов.

Слайд 13. Коррекция ошибок и логический кубит

• Скопировать кубит и сравнить копии нельзя — классическое резервирование не работает.
• Выход найден в 1990-е: информацию распределяют по множеству физических кубитов.
• Измеряют не сами данные, а признаки ошибки, поэтому суперпозиция уцелевает.
• Плата за надёжность огромна: накладные расходы измеряются сотнями кубитов на один логический.
• Именно эта плата, а не физика, определяет сегодня размер будущих машин.
• Логический кубит — устойчивая единица, из которой и собирается настоящий алгоритм
• Код коррекции — поверхностный или разреженный код, размазывающий информацию по многим носителям
• Синдромные измерения — постоянный опрос соседей, выявляющий ошибку и не разрушающий данные
• Физические кубиты — сотни и тысячи шумных носителей на один логический

Доклад: Классическое резервирование здесь не работает: скопировать кубит и сравнить копии запрещено физикой. Выход нашли в девяностые — информацию размазывают по множеству физических кубитов и измеряют не сами данные, а признаки ошибки. Так суперпозиция уцелевает, а сбой обнаруживается и исправляется. Плата огромна: на один логический кубит уходят сотни физических, и именно это определяет размеры будущих машин.

Слайд 14. Порог ошибок наконец пройден

• Ниже порога ошибок означает, что добавление кубитов теперь снижает, а не повышает частоту сбоев.
• 105 — кубитов в чипе Willow — Сверхпроводящий процессор, представлен в декабре 2024 года
• 2,14× — падение ошибки — Настолько снижается ошибка при росте кода коррекции на два шага
• 0,143% — ошибка за цикл — Логический кубит кода расстояния семь из 101 физического
• 13 000× — ускорение 2025 года — Алгоритм «Квантовое эхо» против классического суперкомпьютера

Доклад: В декабре 2024 года был пройден важный рубеж. На 105-кубитном чипе Willow показали работу ниже порога ошибок: при увеличении кода коррекции на два шага ошибка логического кубита падала в 2,14 раза, а не росла, как раньше. Логический кубит из 101 физического дал ошибку 0,143 процента за цикл. В 2025 году на той же платформе продемонстрировали алгоритм «Квантовое эхо» с ускорением около 13 тысяч раз, и главное его отличие — результат допускает независимую проверку.

Слайд 15. Сверхпроводящие кубиты

• Кубит — сверхпроводящий контур с джозефсоновским переходом; управляют им микроволновыми импульсами наносекундной длительности.
• Работает при температуре около 10 милликельвинов — это холоднее межзвёздного пространства, поэтому процессор живёт внутри многоступенчатого криостата.
• Сильные стороны — быстрые операции и привычная микроэлектронная литография; на этой платформе построены машины IBM и Google.
• Слабые стороны — короткое время когерентности и связь лишь с ближайшими соседями по чипу, из-за чего схемы приходится удлинять.

Доклад: Самая распространённая платформа — сверхпроводящие кубиты. Это микроскопические контуры с джозефсоновским переходом, которыми управляют микроволновыми импульсами. Работать они могут лишь при температуре около десяти милликельвинов, поэтому процессор помещают в многоступенчатый криостат — именно такую установку вы видите на снимке. Плюсы — скорость и привычная литография, минусы — короткая когерентность и связь только с ближайшими соседями.

Слайд 16. Другие физические платформы

• Сверхпроводники не единственный путь: параллельно развиваются три подхода, у каждого своя физика и свои ограничения.
• Ионы в вакууме
• Лазерное охлаждение
• Связь всех со всеми
• Рекордная точность
• Медленные операции
• Оптический пинцет
• Тысячи кубитов
• Атомы перемещаются
• Массивы вместо чипов
• Потери атомов
• Кубит — фотон
• Комнатная температура
• Готовые волноводы
• Вероятностные вентили
• Потери света

Доклад: Сверхпроводники не единственный путь. Ионные ловушки удерживают заряженные атомы в вакууме и охлаждают лазерами — там рекордная точность выше 99,9 процента и связь каждого кубита с каждым, но операции медленные. Нейтральные атомы удерживают оптическим пинцетом, их можно физически перемещать и собирать массивы в тысячи кубитов. Фотоника работает при комнатной температуре и дружит с оптоволоконной связью, но страдает от вероятностных вентилей и потерь света. Единого победителя нет: платформы сильны в разном, и отрасль сходится лишь в том, что качество операций важнее их количества.

Слайд 17. Хронология ключевых событий

• Идея родилась раньше техники: сорок лет теория опережала возможности инженеров.
• Каждый рекорд вызывал волну критики и уточнялся последующими работами.
• 1980 — Юрий Манин формулирует идею
• 1994 — Питер Шор находит алгоритм факторизации
• 1996 — Лов Гровер ускоряет перебор
• 2019 — Sycamore заявляет о превосходстве
• 2024 — чип Willow уходит ниже порога ошибок
• 2025 — проверяемое квантовое преимущество

Доклад: Хронология показывает, насколько теория опередила технику. Идея прозвучала ещё в 1980 году, алгоритм Шора появился в 1994-м, Гровера — в 1996-м, а первые серьёзные аппаратные заявки — только в 2019 году. Важно, что каждый рекорд вызывал волну критики и потом уточнялся: это нормальный ход науки, а не скандал.

Слайд 18. Почему спорят о квантовом превосходстве

• Квантовое превосходство — решение задачи, недоступной классическому суперкомпьютеру за разумное время. Заявка 2019 года о 200 секундах против 10 000 лет вызвала многолетнюю дискуссию.
• Разрыв в производительности измерим и воспроизводим
• Классические оценки пересчитываются, но отставание сохраняется
• Опыт 2025 года впервые допускает независимую проверку результата
• Классические алгоритмы на тензорных сетях сократили срок с 10 000 лет до дней
• Задача-тест не имеет практической пользы: это выборка случайных схем
• Проверить ответ на классической машине трудно, поэтому спор упирается в методику

Доклад: Квантовое превосходство — это решение задачи, недоступной классической машине за разумное время. Заявка 2019 года о 200 секундах против десяти тысяч лет породила долгий спор. Критики показали, что улучшенные классические алгоритмы на тензорных сетях сокращают срок до дней, а сама задача-тест практической пользы не имеет. Сторонники отвечают, что разрыв всё равно сохраняется, а опыт 2025 года впервые допускает независимую проверку результата.

Слайд 19. Рост числа кубитов у IBM

• Число физических кубитов росло стремительно, но само по себе оно ничего не решает.
• С 2024 года разработчики перешли от гонки за количеством к борьбе за качество операций.

Доклад: График показывает рост числа физических кубитов у одного производителя: от 27 в 2019 году до 1121 в 2023-м. Кривая впечатляет, но сама по себе она мало что значит — тысяча шумных кубитов не решает ни одной полезной задачи. Показательно, что после 2023 года разработчики сознательно замедлили гонку за количеством и переключились на качество операций и связность.

Слайд 20. Реальное положение дел

• Шумные машины — сегодняшние процессоры работают без полноценной коррекции ошибок, поэтому длина схем ограничена
• Ионы — в 2025 году показана машина на 98 кубитах с точностью двухкубитных операций 99,921%
• Атомы — собран массив из 6100 нейтральных атомов, но это пока массив кубитов, а не вычислитель
• Планы — отказоустойчивая система на 200 логических кубитов заявлена IBM на 2029 год
• Польза — коммерческой задачи, решённой квантовой машиной выгоднее классической, пока не предъявлено

Доклад: Что мы имеем на деле. Машины по-прежнему шумные, полноценной коррекции ошибок в них нет, поэтому длина схем ограничена. Лучшие показатели точности — у ионной системы на 98 кубитов, крупнейший массив — 6100 нейтральных атомов, но это именно массив, а не работающий вычислитель. Отказоустойчивая система на 200 логических кубитов заявлена на 2029 год, а коммерческой задачи, где квантовая машина выгоднее классической, пока не предъявлено.

Слайд 21. Угроза криптографии

• Шифрование с открытым ключом держится на сложности разложения чисел и дискретного логарифма — алгоритм Шора снимает обе опоры.
• Оценки требуемого оборудования быстро смягчаются: в 2019 году речь шла о 20 миллионах шумных кубитов и восьми часах, в 2025 году — менее чем о миллионе кубитов и неделе работы.
• Симметричные шифры страдают меньше: Гровер лишь вдвое сокращает эффективную длину ключа, поэтому переход на 256 бит снимает вопрос.
• Главная опасность — стратегия «перехватить сейчас, расшифровать позже»: записанный сегодня трафик вскроют, когда машина появится.
• Ответ уже стандартизован: в августе 2024 года утверждены алгоритмы ML-KEM, ML-DSA и SLH-DSA, в марте 2025 года добавлен резервный HQC.

Доклад: Криптография — самая понятная точка приложения. Шифрование с открытым ключом держится на сложности разложения чисел и дискретного логарифма, и алгоритм Шора снимает обе опоры. Оценки нужного оборудования быстро смягчаются: с двадцати миллионов кубитов в 2019 году до менее чем миллиона в 2025-м. Симметричные шифры пострадают меньше, а главная опасность уже сегодня — стратегия «перехватить сейчас, расшифровать позже».

Слайд 22. Постквантовый переход

• Инвентаризация криптографии
• Оценка рисков по срокам хранения данных
• Гибридный обмен ключами
• Замена подписей и сертификатов
• Контроль сроков 2030–2035 годов

Доклад: Поэтому переход начинают заранее. Сначала инвентаризация: нужно понять, где и какая криптография используется. Затем оценка рисков по сроку, в течение которого данные остаются ценными. Дальше внедряют гибридный обмен ключами, меняют подписи и сертификаты и следят за нормативными сроками — ориентиры лежат в диапазоне с 2030 по 2035 год.

Слайд 23. Выводы

• Кубит выигрывает не скоростью, а интерференцией амплитуд — и только на задачах с подходящей структурой.
• Главное препятствие — декогеренция; ключ к практической пользе лежит через коррекцию ошибок и логические кубиты.
• Порог отказоустойчивости пройден в опытах, но универсальной полезной машины пока не существует.
• Ни одна платформа не победила: сверхпроводники, ионы, атомы и фотоны сильны в разном.
• Криптографию менять нужно уже сейчас — из-за стратегии «перехватить сейчас, расшифровать позже».

Доклад: Подведём итог. Квантовый компьютер выигрывает не скоростью, а интерференцией амплитуд, и только на задачах особой структуры. Главная преграда — декогеренция, а путь к практической пользе лежит через коррекцию ошибок. Порог отказоустойчивости в опытах пройден, но универсальной полезной машины ещё нет. Единственное, что нужно менять уже сейчас, — это криптографию.

Слайд 24. Список литературы

• Валиев, К. А. Квантовые компьютеры и квантовые вычисления / К. А. Валиев, А. А. Кокин. — Москва ; Ижевск : РХД, 2001. — 352 с.
• Китаев, А. Классические и квантовые вычисления / А. Китаев, А. Шень, М. Вялый. — Москва : МЦНМО, 1999. — 192 с.
• Манин, Ю. И. Вычислимое и невычислимое / Ю. И. Манин. — Москва : Советское радио, 1980. — 128 с.
• Нильсен, М. Квантовые вычисления и квантовая информация / М. Нильсен, И. Чанг. — Москва : Мир, 2006. — 824 с.
• Холево, А. С. Квантовые системы, каналы, информация : учебное пособие / А. С. Холево. — Москва : МЦНМО, 2010. — 327 с.

Доклад: В списке литературы — классические работы: книга Манина, где идея прозвучала впервые, учебник Китаева, Шеня и Вялого, монография Валиева и Кокина, переведённый на русский язык фундаментальный труд Нильсена и Чанга, а также пособие Холево по квантовым каналам и информации.

Слайд 25. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад закончен. Главная мысль: квантовые компьютеры — не волшебная замена обычным, а инструмент для узкого круга задач, который пока находится в стадии инженерной отладки. Спасибо за внимание, готов ответить на вопросы.