Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой физики при решении задач. Изначально идея квантовых компьютеров была тесно связана с задачей моделирования квантовых систем [работы американского ученого физика Ричарда Фейнмана], т.е. систем при описании которых существенную роль играют квантовые эффекты. Оказывается, что точное моделирование возможно только для квантовых систем достаточно маленького масштаба, тогда как при увеличении размеров системы время, которое требуется для расчетов, растет очень быстро (экспоненциально). Так что одно из применений квантовых компьютеров — моделирование других квантовых систем [https://www.jstor.org/stable/2899535].
Почему это важно?
Моделирование квантовых систем играет важную роль при разработке материалов, анализе химических реакций, а также при разработке лекарств — оказываются, что в таких системах существенную роль играют квантово-механические эффекты. Для моделирования реальных материалов или химических соединений большого масштаба требуются достаточно мощные квантовые компьютеры, которые пока не созданы. Поэтому существующие квантовые вычислительные устройства используются либо для моделирования достаточно маленьких квантовых систем (например, таких как молекулы воды [https://arxiv.org/abs/1902.10171]) или для изучения общих свойств и закономерностей в таких система на качественном (но пока не на количественном) уровне.
По мере развития направления квантовых вычислений оказалось, что спектр их полезных применений может быть значительно шире. Квантовые компьютеры могут быть использованы для криптоанализа [https://arxiv.org/abs/quant-ph/9508027]— “взлома” криптографических алгоритмов с открытым ключом, которые используются для защиты большого количества данных. Следует отметить, однако, что существуют и методы, которые устойчивы от атак с квантовым компьютером, например, квантовая криптография и постквантовая криптография.
Квантовые компьютеры рассматриваются как инструмент для ускорения решения задач, связанных с обработкой больших данных (BigData), оптимизацией (например, логистической) и машинным обучением. Уже сегодня доступные прототипы квантовых компьютеров используются для прототипирования квантовых алгоритмов для решения таких задач. Причем, участниками таких исследований являются не только ученые и разработчики квантовых компьютеров, но и потенциальные потребители квантовых компьютеров: банки, производственные компании и др. Таким образом, квантовый компьютер может быть полезен как инструмент для ускорения при решении задач, с которыми классические компьютеры и суперкомпьютеры справляются плохо.
В 2019 и в 2020 гг было показано, что созданные прототипы квантовых компьютеров уже превосходят классические суперкомпьютеры при решении определенных (узкоспециализированных) задач. Следующий шаг в их развитии — показать превосходство над классическими суперкомпьютерами в полезных задачах. Для этого квантовому компьютеру необходим быть еще мощнее.