Здравствуйте, читатель! Совсем недавно компания Microsoft создала квантовый чип Majorana 1 на топопроводниках, который способен вместить в себя до миллиона "кубит", делая его самым мощным квантовым процессором на данный момент.
Чтобы заинтересовать читателя в данной теме, сегодня мы поговорим о том, что такое квантовый компьютер, на каких принципах он основан и для чего может быть полезен.
Обычный компьютер
Перед тем, как разбираться в квантовых принципах, нужно сначала понять, как работает обычный, привычный нам компьютер.
Обычный компьютер оперирует с помощью электронов, используя двоичную систему счисления, состояющую из единицы и нуля. Такая система позволяет считывать, хранить и получать любую информацию без особых проблем. В первых уровнях абстракции, ток (1) либо его отсутствие (0) передвигается через транзисторы — маленькие "переключатели".
Логические ворота
Используя наборы транзисторов, выставленных в определённом порядке, инженеры создают логические ворота — компоненты, которые способны выполнять булевы операции. Примерами могут выступать ворота AND (И), OR (ИЛИ), NOT (НЕ) и прочие. Комбинации логических ворот позволяют создавать модули, способные к запоминанию информации, а также обработке более сложных алгоритмов.
Основываясь на физике электронов, дискретном токе и логических воротах, создаются электронно-вычислительные машины (компьютеры, телефоны и пр.), которые мы привыкли видеть в повседневном мире.
Давайте же теперь рассмотрим квантовые компьютеры.
Квантовый компьютер
Кванты вместо электронов
Компьютер называется квантовым, если он построен на принципах квантовой механики. Она оперирует совсем другими правилами, отличными от тех, которые встречаются нам в обычной физике. В соответствии с этой уникальностью, вместо электронов для компьютера используются новые частицы — кванты.
Что же делает их такими уникальными?
Суперпозиция
В предыдущей статье упоминались фотоны, у которых существует корпускулярно-волновой дуализм. Этим определением называют тот факт, что фотон одновременно проявляет и свойства волны, и свойства частицы.
Кванты же проявляют принцип суперпозиции, т.е. частица находится в двух состояниях одновременно. Пример этого явления будет приведён ниже.
Суперпозиция является стабильной до тех пор, пока с ней нет никакого взаимодействия. Если состояние кванта считывается детектором или он взаимодействует с окружающей средой и другими атомами, то суперпозиция "схлопывается" в одну из двух состояний с определённой вероятностью.
Именно суперпозиция является основным преимуществом единиц измерения квантовых компьютеров — кубит, о которых мы поговорим чуть позже.
Квантовая запутанность
Ещё одна ключевая особенность квантов заключается в следующем:
Представим, что перед наблюдателем стоит две закрытые коробки, связанные между собой. В каждой из них находится шар, который находится в суперпозиции: его цвет одновременно и синий, и красный. Пока коробки закрыты, шары в суперпозиции. Но стоит открыть одну из них и увидеть цвет, скажем, красный, то из-за того, что коробки связаны, другой шар тоже потеряет свою суперпозицию и станет синим. Этот принцип и называется квантовой запутанностью.
Этот феномен "магического" взаимодействия распространяется на связанные частицы или группы частиц на неограниченном расстоянии. Это делает запутанность уникальным способом мгновенной передачи информации в квантовых компьютерах.
Кубит
Классические системы (компьютеры) оперируют битами, значения которых можно представить в виде состояний 0 и 1. Кубит в свою очередь даёт определение как ∣ψ⟩ (кет-пси) = α∣0⟩ + β∣1⟩.
Давайте разбираться.
Кет-пси — это бра и кет обозначение какого-либо кубита, который может иметь состояния 0 и 1, также заключённые в "кет", умноженные на α и β - вероятности их возникновения, выраженные в виде комплексных чисел.
Таким образом, кубит можно представить как частицу в суперпозиции, имеющую вероятность α, чтобы стать 0 и вероятность β, чтобы стать 1.
Т.к. α и β выступают комплексными числами, то любой кубит может хранить в себе бесконечное количество информации, т.к. для наиболее точного описания комплексного числа необходимо затратить бесконечное количество бит.
Из этого следует, что для описания квантового состояния n кубит, требуется 2^n комплексных чисел. Кубиты, находящиеся в суперпозиции, хранят в себе все комбинации 2^n количества бит. Например, система из двух кубит даёт следующие комбинации:
∣00⟩ = [1 0 0 0], ∣01⟩ = [0 1 0 0], ..., ∣11⟩ = [0 0 0 1],
где в квадратных скобках находится вертикальная матрица из одного столбца, хранящая в себе состояния битов. При добавлении к системе ещё одного кубита матрица расширяется до 8 элементов, с ещё одним — до 16 и т.д.
Отсюда и вытекает формула информация n кубит = информация 2^n бит.
Важно!
В условиях реальной жизни кубит не может хранить в себе бесконечное количество информации, т.к. память компьютеров конечна. Однако даже с таким ограничением кубиты способны хранить в себе намного больше информации, чем биты.
Квантовые системы
Основное преимущество квантовых компьютеров в том, что они могут решать некоторые алгоритмы быстрее, чем даже самые быстрые суперкомпьютеры. В качестве таких алгоритмов могут выступать задачи, которые решаются методом перебора. Квантовые компьютеры ввиду своей уникальности могут справиться с подобной задачей намного быстрее. Больше про квантовые алгоритмы можно почитать здесь.
Проблема же квантовых компьютеров в том, что кубиты — очень чувствительные частицы. Чтобы они оставались в суперпозиции, они должны находиться в "закрытой коробке" без посторонних глаз, датчиков и частиц, ведь столкновение с последними тоже влияет на суперпозицию.
На данный момент существует два стабильных способа хранения и манипуляции кубитов:
Компьютер, основанный на сверхпроводниках. Данное устройство оперирует квантами, которые находятся в состоянии сверхпроводимости. В этом состоянии кубиты имеют бесконечную проводимость и нулевое сопротивление. Это важнейший критерий для стабильной работы компьютера, ведь тепло может нарушать суперпозицию передаваемой информации. Большинство квантовых процессоров, которые производили в последнее время, основаны именно на этом принципе.
Компьютер, основанный на ионных ловушках. В таких компьютерах в качестве кубитов выступают заряженные ионы, которые удерживаются в электромагнитных ловушках для изоляции от внешнего мира. Для того, чтобы замерить состояние кубита, в таких компьютерах используют лазер, который поднимает энергетический уровень кубита и схлопывает суперпозицию. В одном состоянии кубит начинает излучать фотоны, которые впоследствии ловятся, и состояние засчитывается как "1". В другом же состоянии фотоны не излучаются, что засчитывается как "0".
Заключение
Квантовый компьютер — это уникальный аппарат, который подчинил себе законы, ещё до конца неизвестные человеку. С прогрессом эти компьютеры будут только расти в мощности, как это показал чип Majorana 1. Он способен хранить вплоть до миллиона кубит, в то время как текущие квантовые компьютеры способны лишь на сотни.