Квантовые вычисления для начинающих: что это такое и чем они не являются

Что такое квантовые вычисления?

Квантовые вычисления — область информатики и инженерии, которая использует законы квантовой механики для обработки информации и нацелена на задачи, которые классические компьютеры решить не могут или не могут решить достаточно быстро ^[1]. Вместо обычных битов в ней используются кубиты (квантовые биты) — базовая единица квантовой информации ^[1].

Отличие от обычных вычислений объясняют четыре идеи, в кратком изложении IBM ^[1]:

• Суперпозиция: кубит может находиться в комбинации состояний 0 и 1, а не только в одном из них, а группы кубитов могут одновременно представлять комбинации множества конфигураций ^[1].
• Запутанность: кубиты можно связать так, что их состояния будут коррелированы; измерение одного кое-что сообщает о других ^[1].
• Интерференция: возможные исходы ведут себя как волны, которые могут усиливать или гасить друг друга. Квантовый алгоритм строится так, чтобы неправильные ответы гасились, а правильный усиливался ^[1].
• Декогеренция: возмущения от измерения или окружающей среды переводят квантовое состояние в обычное, поэтому квантовые компьютеры должны сводить их к минимуму ^[1].

По состоянию на 3 ноября 2026 года область всё ещё развивается. IBM сообщает, что впервые продемонстрировала «квантовую полезность» — надёжные результаты на задачах, недоступных классическому моделированию методом полного перебора, — в 2023 году ^[1]. Квантовое превосходство компания определяет как решение, которое лучше, быстрее или дешевле всех известных классических методов, и ожидает первых таких преимуществ к концу 2026 года ^[1].

Как на самом деле работает квантовый компьютер?

Распространённое заблуждение — будто квантовый компьютер просто перебирает все ответы сразу и выбирает лучший. Измерение схлопывает суперпозицию в единственный результат ^[1], так что само по себе это дало бы случайный ответ. Полезную работу выполняет интерференция: алгоритмы выстраивают вычисление так, чтобы вероятности правильных исходов накапливались, а неправильных — взаимно гасились ещё до измерения кубитов ^[1]. IBM называет интерференцию двигателем квантовых вычислений ^[1].

Главная инженерная проблема — шум. Кубиты хрупки, а декогеренция разрушает квантовое состояние ^[1]. Решение, к которому стремятся исследователи, — квантовая коррекция ошибок: кодирование информации в массивах физических кубитов так, чтобы ошибки исправлялись быстрее, чем они разрушают вычисление ^[2]. Хорошо скорректированная группа кубитов ведёт себя как один более надёжный логический кубит ^[2].

Что показал чип Google Willow?

9 декабря 2024 года Google представила Willow — чип со 105 кубитами. Когда Google увеличивала закодированную решётку кубитов с 3x3 до 5x5 и до 7x7, частота ошибок на каждом шаге снижалась вдвое — экспоненциальное снижение, которое в отрасли называют работой «ниже порога» ^[2]. Это важно, потому что результат показал: увеличение числа кубитов снижало ошибки, а не умножало их, а массивы кубитов «жили» дольше отдельных физических кубитов; Google назвала это самым убедительным на сегодня прототипом масштабируемого логического кубита ^[2].

Большим машинам понадобится много физических кубитов на каждый логический. Например, в дорожной карте IBM описана будущая система Starling с 200 логическими кубитами ^[4], тогда как у самого Willow всего 105 кубитов ^[2].

Что квантовые компьютеры могут, а чего не могут?

Квантовые компьютеры не являются универсальной заменой ноутбукам, телефонам или серверам центров обработки данных. IBM говорит, что для большинства задач классические компьютеры, как ожидается, останутся лучшим решением и что квантовые вычисления подходят не для всех и даже не для большинства задач ^[1]. Вместо этого IBM описывает будущее, в котором классические суперкомпьютеры используют квантовые схемы для решения задач ^[1].

У перспективных задач есть общая структура, с которой квантовая механика справляется естественным образом. IBM выделяет моделирование физических систем, таких как молекулы и материалы, — поэтому интерес проявляют химия и материаловедение ^[1]. Самый известный алгоритм появился раньше: в 1994 году Питер Шор (Peter Shor) показал, как квантовый компьютер может раскладывать большие целые числа на множители, что, как отмечает IBM, потенциально позволяло взломать самые передовые криптосистемы того времени ^[1].

Как читать заголовки об ускорении?

Google сообщила, что Willow выполнил задачу выборки случайных схем менее чем за пять минут, тогда как суперкомпьютеру Frontier, по её оценке, понадобилось бы 10 септиллионов лет, но при этом Google признаёт, что у этого теста нет известного практического коммерческого применения ^[2]. В октябре 2025 года Google сообщила, что её алгоритм Quantum Echoes работал на Willow в 13000 раз быстрее лучшего классического алгоритма на одном из самых быстрых суперкомпьютеров мира, и назвала это «первым в истории проверяемым квантовым превосходством» — проверяемым потому, что результат можно повторить и перепроверить на другом квантовом компьютере сопоставимого качества ^[3]. Его применение к молекулам, выполненное совместно с UC Berkeley на молекулах из 15 и 28 атомов, было экспериментом для подтверждения принципа ^[3]. Каждое заявление сравнивает одну задачу с одним классическим подходом; ни одно из них не означает общего ускорения.

Взломают ли квантовые компьютеры современное шифрование?

Не сегодня, но риск воспринимается всерьёз. Машину, достаточно большую и надёжную для атаки на современную криптографию с открытым ключом, называют криптографически значимым квантовым компьютером (CRQC) ^[6]. Британский Национальный центр кибербезопасности (NCSC) утверждает, что большинство традиционных алгоритмов с открытым ключом, включая RSA и схемы на основе дискретного логарифма, такие как ECDH, ECDSA и EdDSA, будут уязвимы для такой машины ^[6]. С симметричной криптографией иначе: по словам NCSC, она существенно не затрагивается, и такие алгоритмы, как AES с ключами длиной не менее 128 бит, можно продолжать использовать ^[6].

Насколько большой должна быть такая машина?

В препринте мая 2025 года (это не рецензируемая статья) исследователь Крейг Гидни (Craig Gidney) оценил, что 2048-битный ключ RSA можно разложить на множители менее чем за неделю на квантовом компьютере с менее чем миллионом зашумлённых кубитов — против его оценки 2019 года (совместно с Экерой, Ekerå) в 20 млн зашумлённых кубитов, работающих восемь часов ^[8]. Оценка предполагает частоту ошибок вентилей 0,1%, цикл коррекции ошибок 1 мкс и время реакции управления 10 мкс ^[8]. Для сравнения: у Willow 105 кубитов ^[2]. Оценка снижает планку, но не означает, что такая машина существует.

Зачем действовать до появления такой машины?

NCSC предупреждает, что злоумышленник может собирать и хранить зашифрованные данные сегодня, чтобы расшифровать их в будущем ^[6]. Именно поэтому NIST 13 августа 2024 года выпустил первые три окончательных постквантовых стандарта и призвал администраторов начать переход как можно скорее; NIST отмечает, что, по прогнозам некоторых экспертов, квантовое устройство, способное взламывать шифры, может появиться в течение десяти лет ^[5]. График NCSC предусматривает, что организации завершат инвентаризацию и планирование к 2028 году, выполнят самые приоритетные миграции к 2031 году и полностью переведут все системы к 2035 году ^[7].

На каком этапе находятся квантовые вычисления в 2026 году?

В таблице ниже подтверждённые достижения приведены отдельно от дорожных карт компаний. Дорожные карты — это планы, и их сроки могут сдвигаться.

10 июня 2025 года IBM объявила о планах построить к 2029 году Starling — крупный отказоустойчивый квантовый компьютер — в новом центре обработки данных в Покипси (Poughkeepsie), штат Нью-Йорк; он должен выполнять 100 млн квантовых операций на 200 логических кубитах, а его преемник Blue Jay описывается как способный выполнять 1 млрд операций на 2000 логических кубитов ^[4]. Google сообщает, что её следующая цель после Quantum Echoes — долгоживущий логический кубит, третья веха её дорожной карты ^[3].

Собственный обзор IBM, обновлённый в апреле 2026 года, по-прежнему представляет квантовое превосходство над всеми известными классическими методами как цель: в нём говорится, что IBM рассчитывает достичь первых квантовых преимуществ к концу 2026 года при условии совместной работы сообществ квантовых и высокопроизводительных вычислений ^[1].

К каким заявлениям о квантовых вычислениях стоит относиться с осторожностью?

Область развивается быстро, и пресс-релизы могут опережать рецензируемые доказательства. Наглядный пример — пресс-релиз Microsoft 2025 года о Majorana 1, чипе, который, по словам компании, содержит восемь топологических кубитов ^[9]. Сопровождающая статья в Nature не заявляла о создании топологического кубита, а в материалах рецензирования редакция Nature написала, что результаты не являются доказательством наличия майорановских нулевых мод в устройствах ^[9]. Физик, которого цитировал журнал Американского физического общества Physics, сказал, что в статье нет доказательства топологических кубитов, тогда как пресс-релиз утверждал иное ^[9].

При чтении любого объявления помогают несколько вопросов:

• Полезна ли задача? Такие тесты, как выборка случайных схем, демонстрируют возможности оборудования, но не имеют известного практического коммерческого применения ^[2].
• С чем сравнивают? Ускорение относительно лучшего классического алгоритма на одном суперкомпьютере ^[3] — более узкое достижение, чем превосходство над всеми известными классическими методами, как определяет его IBM ^[1].
• Физические или логические кубиты? Число кубитов мало что говорит, если ошибки не исправляются; масштабирование зависит от того, снижается ли частота ошибок по мере роста систем ^[2].
• Рецензируемая статья или пресс-релиз? Проверьте, подтверждает ли статья заголовок ^[9].

Каковы преимущества и ограничения квантовых вычислений?

Возможные преимущества

• Моделирование молекул, материалов и химических реакций с возможным применением в разработке лекарств и исследованиях полупроводников ^[1].
• Новые измерительные инструменты: в эксперименте Google Quantum Echoes результаты совпали с традиционным ядерным магнитным резонансом (ЯМР) и выявили сведения, которые ЯМР обычно не даёт ^[3].
• Решение определённых задач гораздо быстрее классических машин, когда появятся крупные системы с коррекцией ошибок ^[1][4].

Ограничения и риски

• Мнения о том, достигнуто ли превосходство, расходятся: Google назвала Quantum Echoes проверяемым квантовым превосходством ^[3], а в обзоре IBM, обновлённом в апреле 2026 года, превосходство над всеми известными классическими методами по-прежнему ожидается к концу 2026 года ^[1].
• Кубиты хрупки, а декогеренция и ошибки остаются главными препятствиями ^[1][2].
• Будущая крупная машина будет угрожать широко используемому шифрованию с открытым ключом ^[6], поэтому переход на новые стандарты уже начался ^[5][7].
• Риск ажиотажа: объявления могут преувеличивать то, что показывают доказательства ^[9].

Что будет дальше?

Стоит следить за тремя рубежами. Во-первых, появятся ли к концу 2026 года первые независимо подтверждённые квантовые преимущества, как ожидает IBM ^[1]. Во-вторых, цель IBM — отказоустойчивая система Starling к 2029 году ^[4] — наряду со стремлением Google создать долгоживущий логический кубит ^[3]. В-третьих, сроки перехода в области безопасности: вехи NCSC 2028, 2031 и 2035 годов ^[7] и дальнейшее внедрение стандартов NIST ^[5].

Для начинающего взвешенный взгляд таков: квантовые вычисления — это реальная физика и реальная инженерия с устойчивым измеримым прогрессом ^[2], но полезных крупномасштабных машин пока нет, а обычные компьютеры и дальше будут выполнять почти всё, для чего люди используют компьютеры ^[1].