Квантовые компьютеры работают совсем не так, как классические. Квантовые биты или кубиты могут быть одновременно и нулем и единицей по принципу суперпозиции. Это означает, что пара электронов может находиться в четырех состояниях, поэтому для идентификации состояния требуется четыре числа. Таким образом, объем информации, хранящейся в N-кубитах равно двум в степени N-классических бит.
Скрытый текст
Veritasium: Обычный компьютер выполняет операции, используя биты, выражаемые либо нулем, либо единицей. А вот в квантовом компьютере за это отвечают квантовые биты — или кубиты, — которые могут быть одновременно и нулем, и единицей. Именно поэтому квантовый компьютер обладает огромной вычислительной мощностью.
Veritasium: Лишь несколько физических объектов можно использовать в качестве кубита. Фотон, ядро или электрон. Я встретился с учеными, которые сделали кубит из электрона с внешней орбиты атома фосфора. Но как это работает? Все электроны имеют магнитное поле, поэтому они похожи на крошечные магниты. Это свойство называется спином. Попав в магнитное поле, электроны поворачиваются вдоль силовых линий — так, например, делает стрелка компаса.
Veritasium: Это низшее энергетическое, или нулевое состояние, в случае электронов — спин «вниз». Можно оставить её так или же направить спин «вверх», но это потребует энергии.
Andrea Morello : Убрав стекло компаса, можно повернуть стрелку в другую сторону, но это требует усилий. Нужно ее толкнуть, чтобы она провернулась.
Andrea Morello : Это и есть высшее энергетическое состояние. Если очень постараться и установить стрелку точно против магнитного поля, она останется там.
Veritasium: Пока кубит похож на классический бит. Положение спина — вверх и вниз, похоже на единицу и ноль. Но самое забавное, что квантовые объекты могут находиться в двух состояниях одновременно. До того, как вы определите, направлен спин вверх или вниз, электрон способен находиться в квантовой суперпозиции, где эти коэффициенты указывают относительную вероятность нахождения электрона в одном из состояний.
Veritasium: Чтобы лучше понять, как это создает невероятную вычислительную мощность квантовых компьютеров, рассмотрим взаимодействие двух кубит.
Veritasium (двойник): Привет!
Veritasium: Привет!
Veritasium: Теперь у двух электронов есть четыре возможных состояния.
Andrea Morello : Вы скажете “ну это как два бита в обычном компьютере”. Если у вас два бита, их можно записать: ноль, ноль; ноль, один; один, ноль; один, один. Это четыре цифры.
Andrea Morello : Но всего лишь два бита информации.
Чтобы определить, какая из четырех цифр есть в этом компьютерном коде, нужно знать значение первого и второго бита. Однако, квантовая механика позволяет войти в суперпозицию каждому из этих четырех бит. И следующее квантово-механическое состояние совершенно законно: альфа, помноженная на это (коэффициенты) плюс бетта, помноженная на это, плюс гамма, помноженная на это, плюс дельта, помноженная на это.
Andrea Morello : Чтобы определить состояние системы из двух спинов, нужно знать четыре цифры, четыре коэффициента, тогда как в классическом примере из двух бит, всего лишь два. Таким образом, становится понятно, почему два кубита содержат четыре бита информации.
Нужны четыре цифры, чтобы узнать о состоянии этой системы, а здесь нужны лишь две.
Теперь берем три спина, и получатся восемь разных состояний, что дает восемь разных цифр для определения состояния этих трех спинов, тогда как в классическом варианте всего лишь три бита. Из чего можно сделать вывод, что эквивалентный объем информации, содержащейся в Эн кубитах, будет равняться двум в степени Эн обычных бит.
И, как понимаете, при экспоненциальном росте, если у нас есть триста кубитов в состоянии так называемой квантовой запутанности, и мы можем вызывать эти безумные состояния суперпозиций всех трех сотен кубитов: одновременно в первом состоянии, втором, третьем и так далее, то мы получим два в трехсотой степени обычных бит — столько же, сколько частиц в нашей Вселенной.
Veritasium: Несмотря на то, что кубиты могут существовать в любой комбинации состояний, при измерении они обязательно находятся в одном из базовых. А вся информация об их состоянии до измерения теряется.
Andrea Morello : Конечным результатом квантового вычисления не должно быть очень сложное суперпозиционное состояние, так как измерить суперпозицию невозможно. Вы можете измерить только одно из базовых состояний.
Veritasium: Вниз, вниз, вверх, вверх?
Andrea Morello : Да. Итак, перед нами стоит задача разработать такие логические операции, чтобы получаемый конечный (результат вычислений) можно было измерить. То есть определенное состояние.
Veritasium: А это непросто.
Andrea Morello : Да. И на самом деле, — в какой-то степени — это и есть та причина, по которой квантовые компьютеры не заменят классических компьютеров.
Veritasium: Нет?
Andrea Morello : Нет. Они быстрее, но не во всём. Это касается только специальных типов вычислений, где необходимо использовать состояния суперпозиции доступные одновременно, чтобы сделать какой-то вычислительный параллелизм. Если просто смотреть видео в высоком разрешении, или сидеть в интернете, или работать с документами, то вы не добьетесь какой-то большей скорости, для этого используется классический алгоритм.
Andrea Morello : Есть заблуждение, что в квантовом компьютере операции выполняются быстрее. Однако скорее всего каждая операция будет выполняться медленнее, чем на обычном компьютере. Отличие здесь в том, что количество операций, необходимых для достижения результата, экспоненциально мало. Поэтому преимущество здесь не в скорости отдельной операции.
Оно в общем количестве операций, необходимых для достижения результата. Но это относится только к конкретным типам вычислений, конкретным алгоритмам. Это не касается всех функций. Поэтому он не является заменой обычному компьютеру.
