Как работает квантовый компьютер? [Veritasium]

Вот сайт с шаурмой.

[Музыка].

Обычные компьютеры выполняют операции, используя биты, выражаемые либо нулем, либо единицей. А вот в квантовом компьютере за это отвечают квантовые биты, килобиты, которые одновременно могут быть и нулем, и единицей.

Именно поэтому квантовый компьютер обладает огромной вычислительной мощностью. Лишь несколько физических объектов можно использовать в качестве кубитов: фотон, ядро или электрон. Я встретился с учеными, которые сделали кубик из электронов внешней орбиты атома фосфора.

Но как это работает? Все электроны имеют магнитное поле, поэтому они похожи на крошечные магниты. Это свойство называется спином. Попав в магнитное поле, электроны поворачиваются вдоль силовых линий, так, например, делает стрелка компаса. Это низшее энергетическое или нулевое состояние. В случае электронов спин вниз можно оставить так и лежим, направить спин вверх, но это потребует энергии.

Убрав стекло компаса, можно повернуть стрелку в другую сторону, но это требует усилий. Нужно ее толкнуть, чтобы она провернулась. Это и есть высшее энергетическое состояние. Если очень постараться и установить стрелку точно против магнитного поля, она останется там.

Пока кубит похож на классический бит, положение спина вверх и вниз похоже на единицу и ноль. Но самое забавное, что квантовые объекты могут находиться в двух состояниях одновременно. До того, как вы определите, направлен спин вверх или вниз, электрон способен находиться в квантовой суперпозиции, где эти коэффициенты указывают относительную вероятность нахождения электрона в одном из состояний.

Чтобы лучше понять, как это создает невероятную вычислительную мощность квантовых компьютеров, рассмотрим взаимодействие двух кубитов.

Привет, привет. Теперь двух электронов. Есть 4 возможных состояния. Вы скажете: «Но это как два бита в обычном компьютере!» Если у вас 2 бита, их можно записать 00, 01, 10, 11. Это четыре цифры, но всего лишь два бита информации. Чтобы определить, какая 4 цифры есть в этом компьютерном коде, нужно знать значение первого и второго битов.

Однако квантовая механика позволяет войти в суперпозицию каждому из этих четырех. Без и следующие квантово-механическое состояние совершенно законно: альфа, помноженное на это, плюс b, тапом, нужно на это, плюс гамма, помноженное на это, плюс дельта, вам нужно на это. Чтобы определить состояние системы из двух спин-офф нужно знать четыре цифры — четыре коэффициента — тогда как в классическом примере из двух бит всего лишь два.

Таким образом, становится понятно, почему два кубита содержат четыре бита информации. Нужны четыре цифры, чтобы узнать о состоянии этой системы, а здесь нужны лишь 2.

Теперь берем три спина, и получается 8 разных состояний, что дает 8 разных цифр для определения состояния этих трех спин-офф, тогда как в классическом варианте всего лишь 3 бита. И чего можно сделать вывод, что эквивалентный объем информации, содержащейся в n кубитах, будет равняться двум в степени n обычных бит.

Как понимаете, при экспоненциальном росте, если у нас есть 3 стак кубита в состоянии так называемой квантовой запутанности, и мы можем вызывать эти безумные состояния суперпозиции всех трех сотен кубитов одновременно в первом состоянии, втором, третьем и так далее, то мы получим 2 в 300 степени обычных бит — столько же, сколько частиц в нашей вселенной.

Несмотря на то что кубиты могут существовать в любой комбинации состояний, при измерении они обязательно находятся в одном из базовых. А вся информация об их состоянии до измерения теряется.

Конечным результатом квантового вычисления не должно быть очень сложно. Суперпозиционное состояние так как измерить суперпозицию невозможно. Вы можете измерить только одно из базовых состояний: вниз-вниз, вверх-вверх.

Итак, перед нами стоит задача разработать такие логические операции, чтобы получаемый конечный результат вычислений можно было измерить, то есть определенное состояние. А это не просто, да.

И на самом деле в какой-то степени это и есть та причина, по которой квантовые компьютеры не заменят классических компьютеров. Нет, нет, они быстрее, но не во всем. Это касается только специальных типов вычислений, где необходимо использовать состояния суперпозиции, доступные одновременно, чтобы сделать какой-то вычислительный параллелизм.

Если просто смотреть видео в высоком разрешении, или сидеть в интернете, или работать с документами, вы не добьетесь какой-то большей скорости. Для этого используется классический алгоритм.

Есть заблуждение, что в квантовом компьютере операции выполняются быстрее. Однако, скорее всего, каждая операция будет выполняться медленнее, чем на обычном компьютере.

Отличие здесь в том, что количество операций, необходимых для достижения результата, экспоненциально мало. Поэтому преимущество здесь не в скорости отдельной операции, а в общем количестве операций, необходимых для достижения результата. Но это относится только к конкретным типам вычислений и конкретным алгоритмам, это не касается всех функций. Поэтому он не является заменой обычному компьютеру.

Переведено и озвучено студией Vert Diver.