Квантовый компьютер: что ты такое?

Доброе утро и всех с прощедшим праздником!

Что мы знаем о квантовых? Немного. По крайней мере пока. Мы знаем, что в основе работы квантового компьютера лежат принципы квантовой запутанности и суперпозиции квантовых состояний. Но как это поможет делать вычисления на практике? Давайте разбираться в вопросе, начиная с самых основ.

Внешний вид квантового компьютера — об этом стоит поговорить отдельно. Если вы вдруг еще не знаете, то вот он:

Да, это не люстра, а компьютер. Вернее, только его часть. Ведь кроме вычислительной части, о которой мы еще поговорим, нужна еще большая и сложная махина для охлаждения. Потому что работает он при температуре 20 милликельвин. Всего на 0,02 градуса выше абсолютного нуля, который равен -273,15 градусов по Цельсию.

При температурах близких к абсолютному нулю классическая физика ломается и становится похожей на чудеса. 

Если без сложных формул и объяснений, то при сверхнизких температурах достаточно большое число бозонов вещества оказывается в минимально возможных квантовых состояниях. Из-за чего эффекты квантовой физики проявляются на макроскопическом уровне. Да так проявляются, что их можно использовать в вычислениях.

квантовая суперпозиция

Обычный компьютер оперирует битами — наименьшей частицей информации, у которой есть два значения: 0 и 1. Других вариантов нет. Собственно, любое вычисление на обычном компьютере — это тонны нулей и единиц. Квантовый компьютер работает иначе. У квантовых компьютеров другая минимальная единица информации — кубит. И чтобы в полной мере понять, как он работает, нужно хотя бы примерно понимать принципы квантовой суперпозиции.

Стандартный бит, то есть транзистор на аппаратном уровне, который принимает значения 1 или 0, тут ещё получил возможность находиться между нулем и единицей. Это звучит как "может быть".

То есть имеем значения да, нет и может быть. Такая ячейка называется уже не бит, а кубит. Причем по умолчанию исходим из того, что все кубиты в состоянии "может быть". Ну а состояния кубита измеряются вероятностью, значит количество значений там гигантское. Вероятно, что значение кубита сейчас 1 - 70%, а 0 - 30%. А может быть 50% на 50%.

На аппаратном уровне кубит это - один атом, который связан квантовой запутанностью с другим атомом.

Квантовая запутанность - тут самый важный и очень сложный момент. Простыми словами это означает, что пока одна частица находится в одном состоянии, то другая частица, связанная с ней, повторяет её состояние вне зависимости от расстояния между ними. Это явление давно обнаружено и описано, но полноценного физического объяснения пока не получило.

Запутав частицы друг с другом, можно реализовывать их взаимодействия без обсчёта всей связанной цепи транзисторов и подачи тока, а мгновенно! Мгновенно можно выстроить все связанные друг с другом частицы в состояние 1 или 0. Использовать для идентификации состояния можно спин частицы. 3 бита информации могут дать одну из восьми комбинаций нулей и единиц: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Только одну. 3 кубита оперируют сразу восемью возможными комбинациями, вычисляя вероятности, а не четкие значения. Причем с каждым кубитом отрыв по вычислительной мощности от обычного процессора увеличивается в геометрической прогрессии. 10 кубитов могут одновременно оперировать 1024 комбинациями, а 30 — уже больше 1 млрд.

Сам кубит принято визуализировать в виде сферы Блоха:

Любая точка на сфере показывает амплитуду вероятностей кубита. Вот и получается, что кубит получает значение 0 или 1 только в момент измерения. Но вне измерения он оперирует вероятностями, что меняет саму базовую логику вычисления. 

Что с железом?

Любое внешнее воздействие может сказаться на существовании такой связи или возможности её идентифицировать. Значит, и вся логическая схема может так рухнуть. Именно поэтому, системы подобного типа должны быть максимально изолированы от внешней среды, а прототипы работают в специальных камерах при абсолютном нуле.

Если запутанность вдруг нарушится, то  все кубиты станут битами и вместо миллионов комбинаций обеспечат всего лишь их сотню, работая как полупроводники.

Алгоритм квантового компьютера строится также.

Представьте, что у нас есть частицы (они же кубиты), увязанные квантовой запутанностью. Все частицы по принципу суперпозиции могут находиться во всех состояниях. Это принципиально отличает кубит от бита. Ведь у кубита сразу все состояния, а у бита только два, да ещё и железно прогнозируемых.

Такая частица (она же кубит) может находиться сразу во всех состояниях одновременно до тех пор, пока его не измерили. Компьютер мгновенно переберет все варианты построения цепи решения, ведь кубиты связаны между собой квантовой запутанностью. Сразу же строится большая цепочка.

Нужно помнить про возможность удерживать частицу в нужном состоянии посредством наблюдения (вспоминаем квантовый парадокс Зенона). Наблюдение (или измерение состояния) за каждой частицей - и есть инструмент управления таким алгоритмом.

Именно поэтому, существующие пока компьютеры такого типа хоть и работают мгновенно, но ориентированы на решение одного объемного алгоритма. Но зато решение известно сразу после внесения всех данных.

Такой подход к вопросу не только ломает железную логику построения компьютерного алгоритма, делая его из строго линейного относительный и вероятностный, но и в некоторой степени меняет мировоззрение нас с вами. Попробуйте-ка себе представить, оперируя только основными физическими знаниями, что частица находится сразу во всех состояниях.

Прям тот кот, который не жив, ни мёртв.