Полный выпуск подкаста «Горизонты событий» с Мариной Петраковой о кубитах, сверхпроводниках, криостатах, шуме, квантовой химии и реальных ограничениях квантовых компьютеров.
Про кубит часто говорят так: обычный бит — это 0 или 1, а кубит — 0 и 1 одновременно. Для первого знакомства это звучит эффектно, но легко уводит в сторону. Кубит — не волшебный бит, а квантовая система, состояние которой можно подготовить, изменить и измерить по законам квантовой механики.
Если совсем коротко: кубит — минимальная единица квантовой информации. Но в реальном квантовом компьютере за этим словом стоит физический объект: сверхпроводниковая схема, ион в ловушке, фотон, спин электрона, нейтральный атом или другая система.
Почему обычной монетки мало
В выпуске Марина Петракова использует понятную аналогию с монеткой. Классическая монета после броска оказывается орлом или решкой. Квантовую монетку можно представить как очень быстро вращающуюся: до измерения она описывается не одним готовым ответом, а вероятностями получить разные результаты.
Но здесь важно не остановиться на картинке. Настоящий кубит описывается амплитудами вероятности. При измерении мы всё равно получаем конкретный результат: 0 или 1. Поэтому один запуск квантовой схемы редко даёт «ответ из ниоткуда». Обычно схему запускают много раз и смотрят статистику.
Если после тысячи запусков состояние 0 выпало в 30% случаев, а состояние 1 — в 70%, это не значит, что компьютер «ошибался». Это значит, что квантовая система была подготовлена так, что измерения дали такое распределение.
Суперпозиция — только начало
Суперпозиция сама по себе ещё не делает квантовый компьютер мощным. Иначе любой аналоговый прибор можно было бы объявить революцией вычислений. В квантовых вычислениях важна комбинация нескольких эффектов: суперпозиции, запутанности, интерференции и управляемых квантовых операций.
Запутанность означает, что состояние нескольких кубитов нельзя описать как независимые состояния каждого по отдельности. В разговорном языке это звучит так, будто один кубит «знает» о состоянии другого. Физически корректнее говорить о сильных квантовых корреляциях между частями системы.
Именно запутанный регистр из многих кубитов даёт пространство состояний, которое растёт как 2^n. Но и это не означает, что квантовый компьютер автоматически проверяет все варианты и печатает правильный ответ. Алгоритм должен быть построен так, чтобы интерференция усиливала нужные результаты и ослабляла ненужные.
Кубит в железе
В сверхпроводниковой платформе кубит — это микроскопическая электрическая схема с джозефсоновским переходом. Джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводников, разделённых тонким изолятором. Такая схема ведёт себя как искусственный атом: у неё есть дискретные энергетические уровни.
Два нижних уровня можно использовать как логические 0 и 1. Управляя микроволновыми импульсами, экспериментаторы переводят систему между состояниями и выполняют квантовые операции.
Но физическая система богаче идеальной модели. У неё есть не только два нужных уровня, но и более высокие уровни, куда состояние может «утекать». Есть шумы, ошибки управления, дефекты материалов, тепловые флуктуации. Поэтому реальный кубит — это не идеальный математический символ, а очень тонко настроенная физическая машина.
Почему один кубит почти бесполезен
Один кубит можно использовать для демонстраций, калибровки и обучения. Но вычислительная сила появляется только при работе с множеством кубитов и операциями между ними. Нужны связи, двухкубитные операции, запутанные состояния и возможность запускать схему достаточно много раз, чтобы статистика была осмысленной.
Поэтому в новостях все говорят о числе кубитов. Но число — только часть истории. Два процессора с одинаковым количеством кубитов могут радикально отличаться по качеству: точности операций, связности, времени когерентности и уровню ошибок.
Хорошая бытовая формула такая: кубит — это не «бит будущего», а управляемая квантовая система, из которой можно собрать новый тип вычислительной машины. И чем точнее мы понимаем это, тем меньше вокруг квантовых компьютеров лишней мистики.
Какая аналогия с кубитом вам кажется наиболее понятной: монетка, волна, музыкальный аккорд или что-то другое?
Съёмка выпуска проходила в студии CastPoint.ru. Благодарим за предоставленное помещение.