В глубине холодильника, где температура чуть ли не достигает абсолютного нуля, в уединении от внешнего мира... скрывается квантовый компьютер. Многие уверены, что именно такое устройство представляет собой ключ к будущему, способное кардинально изменить нашу жизнь силой своих вычислений.
Прежде чем фантазировать о том, как они могут изменить наш мир, стоит глубже изучить физику, лежащую в основе квантовых вычислений. Это приглашение в загадочное измерение, где правила нашего мира не работают: мир квантовой механики.
В 1980-х выдающийся физик Ричард Фейнман искал ключ к пониманию квантового мира. Однако квантовые системы чрезвычайно сложны для понимания, и многие их секреты до сих пор остаются скрытыми от нас. Фейнман столкнулся с проблемой: он не мог наблюдать квантовые процессы напрямую и решил создать их модель.
Однако его текущий компьютер не справлялся с поставленной задачей. С увеличением числа частиц в модели, вычислительная нагрузка возрастала в разы. Он осознал: обычные компьютеры просто не могут развиваться достаточно быстро для квантовых вычислений.
Но потом у него произошло настоящее озарение. А если создать устройство на основе квантовых элементов? Такой инструмент, действующий по законам квантовой физики, был бы идеальным для исследования квантового мира. И так родилась идея квантового компьютера.
При этом Фейнман создал связь между квантовой физикой и миром информатики. Чтобы понимать принципы квантовых вычислений, нужно разобраться в их квантовой сущности. И вот здесь мы сталкиваемся с основой квантовой физики: амплитудами.
Представьте, что вы подбрасываете монету 20 раз и хотите узнать шансы выпадения "решки". Классическая вероятность просто складывает все возможные исходы для этого. Просто и логично, не так ли?
Однако в квантовом мире все иначе. Если представить субатомную частицу, то до ее измерения она существует как волновая вероятность в черном ящике — с бесчисленными возможными местами нахождения. Квантовая механика изменяет наше понимание вероятности. И в этом изменении кроется мощь квантовых вычислений. Амплитуды и вероятности тесно связаны, но это не одно и то же. Важное различие: вероятность всегда варьируется от 0 до 1.
Амплитуды — это не просто числа, это комплексные числа, и они играют по своим правилам. При определении общей амплитуды события, нужно учитывать амплитуды всех возможных путей его реализации. При этом интересный момент: частица может двигаться к точке с положительной амплитудой одним маршрутом и с отрицательной — другим. И если такое происходит, амплитуды могут "гасить" друг друга. В итоге — абсолютный ноль, и событие не реализуется. Эти амплитуды определяют вероятность наличия чего-то в конкретной точке пространства.
В сердце квантовой механики — понимание, что мир описывается через амплитуды. А изменения во времени? Это тоже об игре амплитуд, их линейном преобразовании.
Как квантовые машины используют амплитуды для работы с информацией? Основа их мира — кубит. Если представить классический компьютерный бит, который может быть либо 0, либо 1, то кубит — это его квантовый "брат".
Биты строго бинарные, в то время как кубиты, будучи субатомными частицами, работают по другим правилам: они могут быть 0, 1 или линейной комбинацией 0 и 1. Эта способность кубитов "смешивать" состояния является основой квантовых вычислений. Пока вы не измерили кубит, он находится в суперпозиции — состоянии между 0 и 1. Суперпозиция позволяет квантовым компьютерам хранить и обрабатывать данные гораздо эффективнее, чем их классические аналоги.
Когда несколько кубитов находятся в особенном состоянии, называемом суперпозиция, между ними возникает удивительное явление — квантовая запутанность. Это значит, что результаты их измерения взаимосвязаны сложным математическим образом.
Под "квантовой запутанностью" мы понимаем особые связи в квантовой системе, которые отличаются от обыденных связей нашего мира. Представьте книгу: страницы по отдельности не имеют смысла, информация скрыта в связях между ними. Чтобы "прочитать" такую книгу, нужно смотреть на несколько страниц одновременно.
Однако описание сильно запутанных состояний с помощью привычных нам битов — не простая задача. Допустим, у вас есть базовый 10-кубитный компьютер. Он способен одновременно обрабатывать 2^10 различных значений. Описать запутанное состояние на обычном компьютере — не простая задача. Для системы из 500 кубитов потребуется столько же данных, сколько атомов во всей известной Вселенной. Фейнман понимал это, указывая на ограниченность классических компьютеров в моделировании квантовых явлений.
Квантовый компьютер становится полезным лишь при получении данных от кубитов. Но есть проблема: при измерении квантовая система "схлопывается" в обыденное состояние. Это как спросить у кубита: "Ты 0 или 1?" — и заставить его определиться. Если эта информация утекает из компьютера, например, через излучение, это влияет на кубит так, как будто бы его измеряли. При наблюдении за системой, наши квантовые амплитуды превращаются в простые вероятности. Чтобы получить конкретный ответ от квантовой системы, который бы не был простой случайностью, нужно применять интерференцию.
Интерференция — явление, хорошо известное в классической физике. Как, например, волны в бассейне, одна из которых находится над поверхностью, а другая под, и они нейтрализуют друг друга. Интерференция проявляется, когда амплитуды складываются вместе.
Если событие может произойти с амплитудой половины в одном случае и с амплитудой минус половины в другом, то итоговая амплитуда будет равна нулю. Этот момент иллюстрируется в знаменитом эксперименте с двойным щелевым экраном. Вы закрываете один из путей, и внезапно событие, которое раньше было невозможным, начинает происходить. Это — квантовый алгоритм в действии. Ученые используют интерференцию, создавая последовательность ворот для кубитов. Эти кубитные ворота заставляют амплитуды складываться таким образом, что вероятность получения правильного ответа возрастает.
Как вы думаете, возможно ли прийти к правильному ответу, не зная его заранее? Квантовые алгоритмы — сложное направление, которое изучается уже десятилетиями. С 1994 года мир видел ряд прорывов в квантовых алгоритмах. Это может поменять всю отрасль кибербезопасности и оптимизации поиска.
Эксперты утверждают, что истинное предназначение квантовых компьютеров — помочь нам понять глубокую структуру Вселенной. Эта новая эра в физике захватывающе интересна! Принесут ли квантовые технологии прибыль или революционизируют наш мир в ближайшие годы? Ответ еще впереди. Но одно ясно: будущее квантовых компьютеров полно неизведанных возможностей.
Если вам понравилось это глубокое погружение в мир квантовой реальности, не забудьте подписаться на наш канал! Жмите на лайк, если хотите увидеть больше такого контента, и делитесь этой статьей с друзьями, которые тоже заинтересованы в науке. Спасибо за прочтение!