Что такое квантовый компьютер и сможет ли он заменить обычный

Квантовый мир очень далек от нашего, поэтому его законы часто кажутся нам странными и контринтуитивными. Однако важные новости из квантовой физики приходят буквально каждый день, так что иметь о них правильное представление сейчас необходимо — иначе работа физиков в наших глазах превращается из науки в магию и обрастает мифами. В прошлый раз мы говорили о квантовой телепортации, сегодня разберемся с тем, что такое квантовый компьютер. /источник

Поводом для этой темы стала новость о том, что физикам из MIT удалось впервые реализовать квантовый алгоритм Шора в масштабируемой системе. На наши вопросы о том, что это значит, отвечал сотрудник РКЦ, заведующий лабораторией сверхпроводящих материалов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и профессор Технологического института Карлсруэ Алексей Устинов.

Что такое квантовые вычисления и чем они отличаются от классических?

Отличаются представлением данных, в первую очередь, и методом обработки этих данных. Обычные вычисления работают с привычные нам «0» и «1», которые можно представить в виде двух сторон одной монеты, либо «орел», либо «решка». Квантовые вычисления работают с данными, которые представляются в виде многих состояний, даже бесконечного количества состояний. И вместо «орла» и «решки» можно представить себе шарик, который можно поворачивать разными сторонами, причем вокруг разных осей. Так как состояний у такого шарика бесконечное количество, данные совершенно по-другому выглядят. Необычность еще и в том, что если мы захотим измерить хранящееся в шарике состояние, то увидим лишь одно из значений. Например, что он повернут в какую-то одну сторону: на север или на юг. Но если мы проведем измерения многократно, что увидим определенное статистическое распределение между этими полюсами. Звучит сложно, но суть в том, что в квантовом компьютере сами данные представлены совсем в ином виде и это поэтому и операции с этими данными выглядят совершенно по-другому.

В квантовых алгоритмах используется обычная логика, которой пользуются люди со времен Аристотеля или какая-то своя, квантовая?

Логика Аристотеля — это область философии. А под компьютерной логикой имеются в виду довольно конкретные и специализированные правила обработки информации. Когда информация представлена в двоичном виде с ней работают одним образом, но в квантовых компьютерах информация не двоична, поэтому и вычислительная логика там иная.

Какие-то похожие на классическую вычислительную логику операции есть и в квантовой: например, операция «отрицание» переводит систему из одного состояния в другое. Есть операции, которые по названию схожи с классическими, но работают по-другому, так как оперируют совершенно другими данными. Например, есть типичные операции, связанные с изменением состояния двух кубитов, так называемые двух-кубитные гейты. Используются и операции, которых нет в классическом компьютере — «условное отрицание», когда состояние одного кубита меняется в зависимости от состояния другого.

Квантовый компьютер всегда быстрее обычного? Для каких задач квантовый компьютер непригоден и проще использовать обычный?

Например, для наибольшего числа привычных нам задач: сложение, умножение, деление. Это довольно простые задачи, которые быстро и эффективно решаются на обычном компьютере и нет необходимости что-либо усложнять. Сделать то же самое на квантовом компьютере можно, но не нужно. Все существующие сейчас реализации квантового компьютера имеют тактовую частоту намного меньше, чем обычные компьютеры. Будет ли когда-то в будущем реализовано что-то квантовое, что сравнимо по частоте – вопрос трудно прогнозируемый, тут можно только гадать.