Квантовый компьютер, некоторые особенности.

В 1936 году британский математик Алан Тьюринг сформулировал математическую модель некоего устройства, Машины Тьюринга. Это гипотетическое устройство из бесконечной ленты в две стороны с ячейками, в которых могут быть записаны некоторые символы некоего условного языка; и управляющего устройства, которое может передвигаться по ленте, считывать и записывать символы. Так же он разработал концепцию алгоритма необходимой машине для получения результата – т.е. программу. 

Современная машина Тьюринга – это микропроцессоры, представляющие собой маленькие тонкие пластинки кремния в которой находятся огромное число транзисторов, вплоть до нескольких миллиардов. Тот язык, который применяется в этих микрочипах, это бинарный код, состоящий из 0 и 1. Но как же могут обмениваться символами вполне вещественные устройства? В современных логических элементах логический 0 либо 1 выражается в виде различного напряжения, которое подается на процессор. Электрический ток, это движение электронов или других заряженных частиц, а процессоры выступают в роли запирающего устройства или шлюза.

Размеры технологии изготовления полупроводниковых схем современного процессора составляют 14нм (нанометров), это примерно в 500 раз меньше, чем эритроцит (красная клетка крови). Эмпирический закон Мура гласит что каждые два года количество транзисторов на процессоре удваивается. Проблема заключается в том, что когда транзисторы достигнут буквально размеров нескольких атомов, то они не смогут останавливать электричество. Это связано с квантовыми свойствами вещества. А конкретнее это связано с квантовым тунелированием. Некоторые считают, что решение данной проблемы - это квантовые компьютеры, но это не так. Подобные компьютеры превосходят обычные только в очень ограниченном круге задач. Давайте попытаемся разобраться в особенностях их работы.

В квантовом компьютере используются q-биты, они отличаются от обычных бит тем, что они находятся в суперпозиции, да еще и в запутанном состоянии. Пока остановимся на суперпозиции. Это значит, что на q-бит можно записать условно одновременно единицу и ноль. Но весь потенциал q-битов раскрывается только, когда их несколько. Между двумя или более q-битами образуется квантовая запутанность. Пример. Для простоты, предположим, что на один бит мы можем записать один символ, тогда для записи одного пятизначного телефонного номера потребуется, к примеру, условно пять бит. На пять q-бит же мы сможем записать тогда все номера из телефонной книги. Круто! Но есть и недостатки. При попытке извлечь информацию состояние суперпозиции разрушится и переписывать телефонную книгу придется заново. Фигня какая-то, да? Вторая проблема заключается в том, что при попытке извлечь информацию мы получим один совершенно случайный номер. Получилась одна большая лотерея телефонных номеров.))) Нужно оговорится, что благодаря квантовой запутанности это будет не 5 случайных цифр из разных номеров, а именно один случайный номер. А теперь самое интересное, предположим мы захотели все телефонные номера разделить на 2. Классический компьютер каждый номер делил бы на два и для этого понадобилось бы проделать достаточно много операций. Квантовый компьютер же просто разделит на два ту информацию, которая записана в пяти q-битах в одно действие. И хотя в ответе мы получим случайный номер, разделенный на 2, это свойство очень ценно. Из-за недостатков, область применения таких компьютеров сильно ограничена, однако есть несколько областей в которых он не заменим, например, разложение гигантских чисел на простые множители.