Класичний комп’ютер оперує бітами, кожен з яких дорівнює нулю або одиниці. Квантовий використовує кубіти, які завдяки явищу суперпозиції можуть перебувати в поєднанні обох станів одночасно, а завдяки заплутаності взаємопов’язані так, що стан одного залежить від стану іншого. Це не означає, що квантовий комп’ютер просто швидший за звичайний у всьому. Він ефективний лише для певних класів задач, для яких існують спеціальні алгоритми.
Найвідоміші приклади таких задач — розкладання великих чисел на множники, де алгоритм Шора теоретично дозволяє швидко ламати поширені схеми шифрування, та моделювання квантових систем: молекул, матеріалів, хімічних реакцій. Для хімії та фармацевтики це особливо цікаво, адже точно розрахувати поведінку складної молекули на класичних машинах надзвичайно важко. Обіцяють також прискорення в окремих задачах оптимізації та машинного навчання, хоча тут оцінки значно обережніші.
Головна технічна перешкода — крихкість кубітів. Вони дуже чутливі до шумів, температури й електромагнітних завад, і втрачають свій стан за мізерні проміжки часу. Тому потрібне складне охолодження, часто до температур, близьких до абсолютного нуля, та методи виправлення помилок, які вимагають десятків, а то й тисяч фізичних кубітів для створення одного надійного логічного. Існують різні підходи до реалізації: надпровідні схеми, іони в пастках, нейтральні атоми, фотони, кремнієві спінові кубіти. Жоден із них ще остаточно не перемагає.
На сьогодні пристрої мають від кількох десятків до кількох тисяч кубітів, але вони залишаються шумними, і корисні обчислення на них обмежені. Компанії та лабораторії періодично повідомляють про квантову перевагу, тобто виконання задачі, яку класичний комп’ютер вирішив би надто довго, проте такі задачі зазвичай мають штучний характер і не мають практичного значення. Сам термін викликає суперечки, а критики нагадують, що класичні алгоритми теж вдосконалюються й часто наздоганяють заявлені результати.
Уже зараз реальну практичну дію має інша сторона теми — безпека. Якщо досить потужні квантові комп’ютери з’являться, нинішні асиметричні криптосистеми стануть вразливими. Дані, зашифровані сьогодні, можуть бути зібрані й розшифровані згодом, і цей сценарій називають принципом «зберегти зараз, розшифрувати потім». Тому стандартизувальні організації, зокрема американський інститут NIST, вже обрали постквантові алгоритми, стійкі до таких атак, а великі компанії й державні установи починають поступовий перехід.
Практичні застосування, ймовірно, з’являться спочатку у вузьких галузях: моделювання матеріалів, хімії, фінансових розрахунків, і працюватимуть у зв’язці з класичними суперкомп’ютерами через хмарні сервіси. Терміни залишаються невизначеними, а оцінки фахівців коливаються від кількох років до кількох десятиліть. Найчесніша відповідь на запитання, коли квантові комп’ютери змінять світ, полягає в тому, що повної ясності немає, але готуватися до змін у криптографії доцільно вже тепер.