Что такое квантовые вычисления и как они работают

В 2019 году Google заявила о «квантовом превосходстве» своего процессора Sycamore — и с тех пор вокруг квантовых вычислений не утихают споры. Одни называют технологию угрозой для криптовалют и банковской тайны, другие — переоценённой лабораторной игрушкой, до практической пользы которой ещё десятилетия. Истина, как обычно, посередине: квантовые компьютеры уже решают отдельные узкие задачи быстрее классических, но взломать биткоин или Ethereum не может ни одна из существующих сегодня систем. Разбираемся, как устроены кубиты, кто лидирует в квантовой гонке и стоит ли инвестору уже сейчас беспокоиться о будущем шифровании.

Классический бит принимает одно из двух значений, кубит — суперпозицию состояний.

Кратко:

• Кубит, в отличие от обычного бита, может находиться в суперпозиции — это даёт преимущество лишь в узком классе задач, а не во всех вычислениях сразу.
• Действующие квантовые компьютеры пока физически не способны взломать биткоин, Ethereum или банковское шифрование.
• NIST уже утвердил стандарты постквантовой криптографии, и индустрия постепенно переходит на устойчивые к квантовым атакам алгоритмы.
• Лидеры отрасли — IBM, Google, Microsoft и IonQ — используют разные физические подходы к созданию кубитов, единого стандарта пока нет.
• Прямых квантовых ETF на Московской бирже нет, но акции связанных технологических компаний можно отслеживать через скринер.

Что такое квантовые вычисления простыми словами

Квантовые вычисления — это способ обработки информации, основанный на законах квантовой механики, а не на классической логике «включено/выключено». Обычный компьютер обрабатывает информацию в битах, каждый из которых принимает одно из двух значений — 0 или 1. Квантовый компьютер оперирует кубитами, которые благодаря суперпозиции могут находиться в состоянии, сочетающем оба значения одновременно.

Это не значит, что квантовый компьютер быстрее выполняет любые задачи — для большинства повседневных вычислений обычный процессор остаётся эффективнее. Преимущество квантовых систем проявляется в узком классе задач, где важно быстро перебрать огромное количество вариантов, например при моделировании молекул или оптимизации маршрутов.

Чем кубит отличается от обычного бита

Кроме суперпозиции, у кубитов есть ещё одно необычное свойство — квантовая запутанность, при которой состояние одного кубита оказывается связано с состоянием другого, даже если физически они разделены. Изменение одного кубита мгновенно отражается на связанном с ним, и это свойство квантовые инженеры используют для построения многокубитных схем.

• обычный бит — всегда 0 или 1, кубит — комбинация обоих значений до момента измерения
• кубиты можно запутывать между собой, обычные биты работают независимо друг от друга
• результат работы кубита вероятностный, а не детерминированный, поэтому вычисления повторяют многократно

Комбинация суперпозиции и запутанности позволяет квантовому компьютеру параллельно работать с огромным числом комбинаций значений, а не перебирать их по очереди, как классический процессор. Именно эта параллельность лежит в основе потенциального ускорения — но использовать её на практике оказалось куда сложнее, чем предсказывала теория.

Почему квантовые компьютеры ещё не заменили обычные

Кубиты крайне чувствительны к внешним воздействиям — вибрации, теплу, электромагнитным помехам. Любое случайное взаимодействие с окружающей средой разрушает квантовое состояние — это явление называют декогеренцией. Чтобы замедлить процесс, квантовые процессоры охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю, и изолируют сложными инженерными системами.

Из-за этого квантовые компьютеры пока остаются дорогими, громоздкими лабораторными установками, а не устройствами, которые можно установить в обычном дата-центре рядом с облачными серверами. Кроме того, чем больше кубитов в системе, тем сложнее удерживать их в согласованном состоянии без ошибок — это одна из главных инженерных проблем отрасли.

Кто лидирует в гонке квантовых технологий

Разработкой квантовых процессоров занимаются как технологические гиганты, так и специализированные стартапы, и каждый делает ставку на свой физический принцип построения кубита. Среди наиболее заметных игроков — IBM, которая развивает собственную линейку сверхпроводниковых процессоров и открывает доступ к ним через облако, и Google, чья исследовательская группа Quantum AI регулярно публикует результаты экспериментов.

Помимо них в развитии квантовых технологий участвуют Microsoft, которая развивает облачную платформу для доступа к квантовым и квантово-имитационным вычислениям, а также специализированные компании вроде IonQ и Quantinuum, сосредоточенные на альтернативном подходе с ионными ловушками. Такое разнообразие технических решений отражает то, что индустрия пока не определилась с единственно верным способом построения квантового процессора.

Где квантовые вычисления уже приносят пользу

Несмотря на раннюю стадию развития, квантовые алгоритмы уже тестируют в задачах, где классические компьютеры работают медленно или требуют огромных вычислительных ресурсов. Основные направления экспериментов:

• моделирование молекул для разработки новых лекарств и материалов
• оптимизация логистических маршрутов и цепочек поставок
• задачи финансового моделирования и управления рисками
• отдельные вспомогательные задачи в машинном обучении

Пока речь идёт о пилотных проектах и научных публикациях, а не о массовом коммерческом использовании. Компании чаще арендуют доступ к квантовым процессорам через облако для отдельных экспериментов, чем строят собственную инфраструктуру.

Может ли квантовый компьютер взломать биткоин и Ethereum

Нет, ни один из существующих сегодня квантовых компьютеров не способен взломать криптографию, на которой строится биткоин или Ethereum. Для этого потребовался бы квантовый компьютер с количеством стабильных, устойчивых к ошибкам кубитов, кратно превышающим возможности любой из представленных сегодня систем — а на такую задачу уйдёт ещё немало лет исследований и инженерной работы.

Тем не менее интерес к теме понятен: подпись транзакций в Ethereum и адреса в сети биткоина опираются на криптографию эллиптических кривых, а устойчивость таких схем к будущим квантовым атакам — предмет активных исследований. Это касается и инфраструктуры выпуска стейблкоинов вроде USDT, чья надёжность зависит от криптографической защиты используемых блокчейн-сетей и внутренних систем эмитента.

Что такое постквантовая криптография и зачем она нужна уже сейчас

Постквантовая криптография — это новое поколение алгоритмов шифрования, устойчивых к атакам будущих квантовых компьютеров. В августе 2024 года Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) утвердил первые официальные стандарты постквантовой криптографии, чтобы у индустрии было время перейти на них заранее, без потрясений для инфраструктуры.

Переход на постквантовые алгоритмы обычно называют «harvest now, decrypt later» проблемой: злоумышленники уже сегодня могут собирать зашифрованные данные, чтобы попытаться расшифровать их годы спустя, когда появятся более мощные квантовые компьютеры.

Именно поэтому банки, платёжные системы и криптобиржи следят за развитием квантовых вычислений заранее, а не откладывают вопрос до появления реальной угрозы.

Когда квантовые компьютеры станут массовыми

Оценки сроков появления по-настоящему мощных квантовых компьютеров сильно расходятся даже среди специалистов отрасли, и к конкретным прогнозам стоит относиться с осторожностью. Более вероятный сценарий на ближайшие годы — гибридные системы, где квантовый процессор решает узкую подзадачу, а основную часть вычислений по-прежнему выполняют классические машины.

Такой постепенный переход снижает риски и позволяет индустрии накапливать практический опыт, не дожидаясь появления идеального квантового процессора.

Частые вопросы

Стоит ли инвестору переживать из-за квантовых компьютеров прямо сейчас

Нет, в горизонте ближайших лет прямой угрозы для криптовалютных активов или банковской инфраструктуры квантовые компьютеры не представляют. Индустрия уже готовится к переходу на постквантовые стандарты заранее, поэтому резких изменений в защите активов ожидать не стоит.

Можно ли вложиться в квантовые технологии через биржу

Прямых квантовых ETF на Московской бирже нет, но часть компаний, развивающих квантовые технологии как одно из направлений бизнеса, торгуется на зарубежных площадках. Для отслеживания подобных технологических компаний удобно использовать скринер акций, а найденные идеи — сохранять в список наблюдения для дальнейшего мониторинга.

Чем квантовый компьютер отличается от суперкомпьютера

Суперкомпьютер — это классическая машина, которая ускоряет вычисления за счёт огромного количества обычных процессоров, работающих параллельно. Квантовый компьютер использует принципиально другой физический принцип — кубиты, суперпозицию и запутанность, — и превосходит суперкомпьютеры только в узком классе специфических задач.

Что делать дальше

Квантовые вычисления — не замена привычным компьютерам, а инструмент для узкого круга задач, где классические машины упираются в физические пределы. Путь от лабораторных экспериментов до практического применения займёт ещё немало времени, но направление уже определяет стратегию крупнейших технологических компаний.

• если интересуетесь темой как инвестор — начните с отслеживания технологических компаний через скринер, а не с попыток угадать конкретный тикер-победитель гонки
• если интересна техническая сторона — следите за официальными публикациями IBM Quantum и Google Quantum AI, а не за громкими заголовками СМИ

Добавляйте заинтересовавшие компании в watchlist, чтобы не терять их из виду, и следите за новостями сектора в разделе «Технологии». А если тема криптографии и защиты цифровых активов интересна шире — посмотрите, как устроен сам биткоин и на чём держится его безопасность.

Материал носит информационный характер и не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией.