Гордон Мур, основатель Fairchild Semiconductor и бывший генеральный директор Intel в своей статье 1965 года, описал, что число транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года, и это утверждение известно как закон Мура. 

Закон Мура был последовательным в течение последних 50 лет, но с текущими техническими достижениями он уже не действует. Начинает становиться физически невозможным уменьшение размеров транзисторов для дальнейшего увеличения вычислительной эффективности, и, следовательно, это требует альтернативных методов.

Одним из основных направлений исследований является разработка квантовых компьютеров. Квантовый компьютер использует квантовую механику для выполнения вычислительной задачи, которая подчиняется совершенно другим правилам и не должна быть ошибочно принята за обновление до современных классических компьютеров. Он обещает решить проблемы, которые в настоящее время нам недоступны..

Гонка за созданием первого квантового компьютера, который может помочь ученым найти лекарства от болезней, зашифровать данные с идеальной безопасностью и предсказать изменения климата Земли, уже началась. Квантовые компьютеры вполне могут стать следующей важной вещью в технологическом ландшафте, поскольку большинство лидеров отрасли вкладывают в нее значительные средства и не допускают тех же ошибок, которые были допущены при первом запуске компьютера. К ним относятся такие компании, как IonQ, Rigetti, IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel, которые тратят миллиарды долларов на разработку и исследование квантовых вычислений.

Наиболее фундаментальное различие между квантовым и классическим компьютером:

1. Классические компьютеры используют классический феномен электрических цепей (логических элементов), находящихся в одном состоянии в данный момент времени, либо ВКЛ, либо ВЫКЛ. Рассмотрим обычную монету, например, две стороны монеты представляют два состояния: орел представляет ON (бит 1), а решка - OFF (бит 0) или наоборот. Следовательно, в данный момент на ладони монета либо орел, либо решка, то есть один бит может хранить либо 1, либо 0.
2. Квантовые компьютеры  используют квантово-механические явления, в частности суперпозицию, которая является явлением, при котором возможно находиться в более чем одном состоянии одновременно. Рассмотрим ту же монету, при вращении монеты наблюдается, что монета находится в суперпозиции состояний, как орел, так и решка, то есть как 0, так и 1, а при остановке монеты для измерения она равна 1 или 0. Поэтому квант биты (кубиты) могут существовать в нескольких состояниях одновременно, пока не будут измерены, и могут эффективно хранить 2 бита данных. 

Потребность в квантовых компьютерах

Поскольку кубит может эффективно хранить два бита данных, а не один, квантовые компьютеры имеет значительно увеличенную вычислительную мощность. Тем не менее, это может оказаться полезным только для определенных типов проблем, и основной интерес исследований заключается в выявлении этих проблем и разработке алгоритмов для них.

Классическим компьютерам трудно выполнять функции, которые имеют экспоненциальный рост, например, это Prime Factorization для больших чисел, на которые классическим компьютерам потребуется много лет, чтобы их разложить на множители. Напротив, с помощью алгоритма Шора, который основан на принципах квантовой механики, эта задача выполняется за считанные секунды.

Квантовые компьютеры будут иметь огромное влияние на безопасность данных. Даже если квантовые компьютеры легко взломают многие из современных методов шифрования, они создадут взломостойкие замены. Другие приложения, где квантовые вычисления могут оказать влияние - молекулярное моделирование, математическая оптимизация, машинное обучение и многое другое.

Недостатки

Существуют проблемы на каждом уровне квантовой вычислительной системы, от сборки кубитов до чтения и записи информации о них, до отправки данных туда и обратно без их исчезновения. Кубиты сложны в изготовлении и должны поддерживаться при температурах ниже, чем в космосе.

Декогеренция - это явление, которое превращает квантовую систему в классическую систему посредством взаимодействий с окружающей средой, которое разлагает и устраняет квантовое поведение частиц, и это является основным недостатком. Из-за декогеренции кубиты могут потерять свои квантовые свойства и суперпозицию с малейшими колебаниями соседних атомов, что делает их очень чувствительным. Излучение, свет, звук, вибрации, тепло, магнитные поля или даже акт измерения кубита - все это примеры декогеренции.

Ну и конечно - стоимость, вряд ли он будет доступен каждому.

Квантовое превосходство

В квантовых вычислениях  квантовое превосходство является целью продемонстрировать, что программируемое квантовое устройство может решить проблему, которую классические компьютеры практически не могут.

Google объявил, что его 54-кубовый процессор Sycamore смог выполнить вычислительную задачу за 200 секунд, что самый мощный суперкомпьютер в мире делал бы 0000 лет. IBM, управляющая суперкомпьютером, который, по утверждениям Google, обыграл, оспаривает их претензии. В ответ IBM заявила, что проблема со случайными числами, решаемая квантовым компьютером, занимает на его суперкомпьютере менее трех дней, а не 10000 лет, и поэтому спорят о законности претензии.

Распространенное заблуждение о квантовых вычислениях состоит в том, что они собираются заменить классические вычисления. Квантовые компьютеры не полностью заменят классические. Они предложат принципиально иной способ выполнения вычислений и смогут выполнять задачи, на выполнение которых классическим компьютерам потребуются миллионы лет. Хотя это правда, что квантовые компьютеры имеют преимущество в конкретных задачах, таких как моделирование биологических молекул, факторизация больших количеств и т.д., они не способны эффективно работать с другими, главным образом потому, что ученые разработали лишь несколько квантовых алгоритмов.

Наиболее вероятный сценарий состоит в том, что как квантовые компьютеры, так и классические компьютеры будут существовать одновременно, а квантовая система будет дополнением для решения более сложных задач.

Квантовые компьютеры в настоящее время находятся на начальной стадии развития - ситуация очень похожа на то, как начинались, классические компьютеры, когда использовались в основном учеными и были не очень удобны для других. Потребовалось время и технологические достижения, чтобы улучшить удобство использования и научить людей пользоваться компьютерами. Квантовые компьютеры также пойдут по тому же пути и проложат путь к технологически более светлому будущему.