Ваш компьютер, как и любой ноутбук или смартфон, управляет электричеством в своих кремниевых микросхемах. Крошечные «порции» тока поступают или их поступление блокируется, что этот незамысловатый процесс представляет собой логические сигналы «истина/ложь» или двойную комбинацию единица/ноль.
Однако квантовые компьютеры манипулируют отдельными квантовыми элементами, такими как электроны или фотоны, которые называются кубитами. Странные квантовые свойства этих элементарных частиц придают квантовым компьютерам невероятную мощность, к которой классические компьютерные устройства не способны даже приблизиться.
Квантовые преимущества
Например, из-за своего «спина» — собственный момент импульса элементарных частиц — электроны могут одновременно двигаться вверх или вниз, а фотоны — занимать вертикальное и горизонтальное положение. Эта «квантовая суперпозиция» обеспечивает кубитам возможность находиться в двух состояниях одновременно, но это продолжается до тех пор, пока на них не оказывают влияние какие-то внешние факторы, которые позволяют конкретизировать их состояние — любая незначительная вибрация или возмущение электромагнитного поля способны привести к коллапсу кубитов.
Фактически, элементарные частицы, у которых отсутствует наблюдатель, способны находиться в нескольких местах одновременно. Людям, привыкшим к большей конкретики, это просто выносит мозг! Но квантовый мир живет по своими правилам, которые стоит просто принять.
Чтобы предотвратить такую квантовую декогеренцию, инженеры пытаются удерживать хрупкие суперпозиционные состояния кубитов как можно дольше, размещая их в вакуумных камерах, в которых температура ниже, чем в открытом космосе. Кубиты также полагаются на странное свойство, известное как запутанность, когда свойство одной частицы переплетается с другой.
Сложности квантового мира
Если мы возьмем две запутанные частицы с общим спином, равным нулю, и состояние одной частицы коллапсирует так, что ее спин будет вращаться по часовой стрелке, то состояние другой частицы будет ориентировано против часовой стрелки — даже если две частицы находятся на огромном расстоянии друг от друга.
Все это означает, что запутанные кубиты могут использоваться для одновременного представления огромного количества возможных числовых комбинаций. Например, квантовый процессор Google Sycamore имеет 54 кубита, которые могут одновременно представлять более 10 квадриллионов комбинаций. Это позволило Sycamore в 2019 году выполнить серию сложнейших вычислений всего за 200 секунд, тогда как обычному компьютеру потребовалось бы более 10 000 лет!
Квантовый компьютер может выполнять вычисления, недоступные для обычных компьютеров, и эта отличительная особенность называется квантовым превосходством. Но из-за крайне нестандартных и сложных условий хранения (вакуум, низкая температура и прочее) нам еще предстоит пройти очень долгий путь, прежде чем у нас появятся квантовые процессоры, которыми будет начинена наша техника.
Читайте также: Физики создают квантовый компьютер «на основе» черных дыр.
