Принцип суперпозиции является одним из самых загадочных в квантовой физике. Согласно ему микрообъект может находиться сразу во всех своих состояниях одновременно, а не раздельно, как это происходит с макрообъектами. Это напоминает блондинку за рулём, которая хочет ехать и влево, и вправо в тоже самое время. Конечно, такое невозможно проделать с автомобилем, но, как ни удивительно, это характерно для поведения квантового объекта.
Двойственная природа света, проявляющаяся в виде волн и частиц, установлена уже более ста лет назад и известна из эксперимента с двумя щелями. Когда свет проходит через них, на экране возникает интерференционная картина: полосы света, чередующиеся с темнотой, что демонстрирует его волновую природу. В случае одной щели картина имеет иной характер и представляет собой узкую полосу света, характеризующую уже не свойства волн, а свойства частиц. В экспериментах, проводимых столетия спустя, исследователи позаботились о том, чтобы направлять на экран всего лишь один фотон. При этом интерференционная картина сохранялась, как-будто фотон интерферировал сам с собой. Ещё более странная картина возникает, если поместить у одной из щелей детектор, чтобы узнать через какую щель проходит частица – интерференционная картина исчезает, и на экране образуются две линии света, именно то, что следовало бы ожидать в случае, когда наблюдаются частицы, а не волны.
Согласно принципу суперпозиции частицы могут находиться во множестве состояний и множественной пространственной локализации. В двухщелевом эксперименте частица должна проходить через обе щели одновременно, чтобы возникала интерференционная картина.
Квантовая механика рассматривает микрообъекты, как своего рода амплитуды вероятности, характеризующие их состояния. При двухщелевом эксперименте, находясь в суперпозиции, частица, проходя через две щели в классическом описании, представляет сумму амплитуд вероятностей при прохождении каждой из двух щелей, как это следует из решения волнового уравнения. Между тем было высказано предположение, что для более точного решения необходимо уточнение, заключающееся в использовании поправочного критерия. Американским физиком Рафаэлем Соркиным был введён соответствующий показатель, получивший название «параметра Соркина».
Рафаэль Соркин, выпускник Гарвардского университета, получил докторскую степень в Калифорнийском технологическом институте. Круг его интересов достаточно обширен, включая квантовую гравитацию и квантовую механику, их переформулировку в терминах дискретной структуры пространства-времени.
Ранее считалось, что «параметр Соркина» пренебрежительно мал и поэтому практически не учитывался при измерениях. Между тем исследования, проведённые под руководством Урбаси Синха с трёхщелевой экспериментальной установкой, показали, что этот параметр является индикатором взаимодействия между щелями и имеет вполне определённую величину, что соответствует принципу классической суперпозиции в СВЧ-области.
Эксперимент с тремя щелями показал, что фотон может находиться сразу в трёх состояниях, в отличие от двух в классическом эксперименте. Это практически подтвердило принцип суперпозиции о множественности состояний микрообъекта, что открыло возможность к наращиванию архитектуры квантовых компьютеров, перейдя от кубитов, имеющих два базисных состояния, к кутритам с тремя состояниями и к кудитам множественности состояний логических элементов.
В квантовых компьютерах для увеличения скорости вычислений используется принцип суперпозиции. Если в обычном компьютере логический элемент (бит) может принимать лишь одно значение, то в квантовой машине используется в качестве логического элемента кубит, в котором реализуется сразу два состояния. Из этого возникает выигрыш в скорости вычислений квантовых компьютеров по сравнению с классическими. Он составляет 2 в степени l, где l количество кубитов. Наращивая количество кубитов, можно увеличивать скорость вычислений.
Очевидно, что их должно быть не два, а достаточно большое число. В идеале количество кубитов может исчисляться сотнями и даже тысячами. В действительности удержать суперпозицию во многих кубитах становится проблематичным, поскольку, чем больше их количество, тем больше они подвержены потери когеренции и утрачивают свои квантовые способности. Использование кутритов (трёх базовых состояний) позволяет сократить их количество при тех же возможностях квантовых вычислений. Поэтому многие учёные идут по пути создания многомерности информационных состояний внутри одной логической ячейки. И совсем недавно российские и канадские физики создали кремниевый чип, воплощающий многомерные кубиты, что позволит реализовать новую архитектуру квантовых компьютеров. В настоящий момент им удалось в двухфотонной системе реализовать 100 состояний.
За рубежом Марандотти со своими коллегами смогли радикально решить проблему многомерности квантовых состояний. Ими был создан чип, позволяющий практически неограниченно воплощать количество квантовых данных в пару запутанных фотонов и считывать эти состояния. Результаты экспериментов с многомерными запутанными фотонами показали, что такими системами можно управлять с помощью стандартных телекоммуникационных аппаратных средств.
Вернёмся к эксперименту физиков России и Канады. Им удалось управлять двухфотонной системой, каждый фотон из которой способен находиться в суперпозиции с другим фотоном с десятью частотами. Отсюда количество состояний двухфотонной системы составляет 10 в степени 2, где 2 количество кудитов. А теперь экстраполируем это на модель, в которой находится 50 кудитов, каждый из которых может пребывать в 10 различных состояниях, связанных с другими суперпозицией. Следует отметить, что 50-кубитовые компьютеры созданы и успешно функционируют.
Так, компания Google сообщила, что достигла рубежа в 54 кубита и реализовала вычисления на 54-кубитовом процессоре. Это уже сегодняшняя реальность. Если использовать вместо кубитов кудиты с 10 различными состояниями, то при их количестве в 50 можно получить 10 в 50 степени состояний. Это и есть выигрыш вычислительной мощности компьютеров с многомерной метрикой по сравнению с классическими компьютерами фон неймановской архитектуры, совершаемый за один такт работы. 10 в 50 степени является просто фантастической величиной. Достаточно констатировать, что количество протонов в нашей Вселенной составляет 10 в 80 степени. Наращивание кутритов (многомерных логических элементов) в новой архитектуре квантовых компьютеров откроет фантастические возможности для человеческой цивилизации. Возможно, это позволит создать модели и информационные оценки параллельных вселенных. Так, согласно одной из физических теорий их насчитывается 10 в 500 степени, и трудно даже представить, что будет с нами в случае успешной реализации проекта многомерной архитектуры квантовых компьютеров.
Также материалы по теме:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.