Random Science: Квантовый компьютер – как он работает?

Квантовые компьютеры... возможно кто-то из нас знаком с тем, что же это такое, другие приблизительно понимают в чем их суть, а для кого-то это вообще Мерлинова магия. Это не типичная технология вычислений построенная на процессорах состоящих из миллиардов миниатюрных транзисторов производящих нужные нам вычисления. На самом деле квантовые компьютеры, это действительно что-то из раздела черной магии, для понимания которой необходимо продать душу дьяволу. Даже многие ученые до сих пор не могут полностью обернуть свое сознание в суть квантовых вычислений – настолько они сложны, и, порой, абсурдны. 

На днях наткнулся на отличный ролик, где пара физиков-теоретиков описывают то, что такое квантовый мир, и как он может привести к созданию действительно поразительных вычислительных машин. К сожалению ролик на английском, однако я постараюсь кратко объяснить суть этой проклятой магии.

Дело в том, что квантовая механика работает совсем по другим законам, отличным от тех, к которым привыкли мы в нашем повседневном мире. При этом, так как мир квантовой механики столь странный, то и информация в этом мире представлена в ином виде, нежели в классическом. Традиционная информация цифрового века может быть реализована в виде битов – нулей и единиц, которые составляют полную картину. Квантовая информация полагается на внутреннюю случайность, принцип неопределенности и запутывание, при этом информация может быть представлена в виде кубита – квантового бита. Последний, в отличие от традиционного 0 или 1, может быть одновременно и тем и другим – до тех пор, пока мы не взглянем на этот самый кубит. Он нигде не записан, так как он существует одновременно в обоих состояниях. 

Однако не стоит путать суперпозицию состояния как случайность. Если подбросить монету и накрыть ее рукой, то мы так же не будем знать какой стороной она легла. Это может быть решка или орел. Суть в том, что монета уже приняла определенную позицию. Данную позицию можно описать теорией вероятности, тогда как квантовая монета, пока на нее не взглянешь, будет одновременно и решкой и орлом, при этом на нее не действует теория вероятности.

Что же нам дает этот кубит?

Он находится в состоянии внутренней случайности, что позволяет нам смотреть на него двумя разными способами, тогда как обычный бит имеет лишь один способ. Если взять две обычные монеты, то подбросив их мы получим одну из 8 комбинаций, тогда как квантовые монеты будут иметь уже 18 комбинаций. И чем больше таких квантовых монет, тем значительно больше у нас будет вариантов просчета данных. Даже если взять 200 кубитов, то благодаря своей квантовой суперпозиции количество корелляций между кубитами в виде традиционных битов, то их количество цифр превысит количество атомов во всей видимой вселенной.

 Отлично, у нас есть супер-компьютер, который может делать то, что ни один обычный компьютер не сможет сделать никогда, но для эффективной работы у нас должна быть возможность изучать, наблюдать и развивать квантовое состояние, иначе такой компьютер будет бесполезен. И тут мы упираемся в серьезную проблему.

Главная проблема квантовых вычислений в том, что протекание процесса этих вычислений должно быть под замком – никто и ничто не может видеть то, как происходит заданная операция. Фактически, мы должны закрыть вычисления от всего внешнего мира.

Если мы посмотрим на процесс решения задачи в классическом компьютере, то все будет в порядке. Процесс продолжит идти и мы продолжим получать корректные данные. Если же мы даже просто взглянем на процесс квантовых вычислений, то это уничтожит всю магию суперпозиции. Лишь в самом конце, когда компьютер готов выдать нам информацию, мы можем провести измерение. 

Даже сам компьютер, если спросить его – что ты сделал, чтобы получить ответ, скажет "Я не помню." Так как он не оставляет записей в процессе вычислений. 

Именно поэтому создание квантового компьютера так сложно.

Вокруг нас, на безумном масштабе, происходит целый мир чего-то странного, чего-то не ясного. И лишь в последние десятилетия наши технологии дошли до того уровня, когда мы можем слегка коснуться этой магии, изучать ее и манипулировать ей.