yego.me
💡 Stop wasting time. Read Youtube instead of watch. Download Chrome Extension

Как работает квантовый компьютер? [Veritasium]


4m read
·Nov 3, 2024

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.

More Articles

View All
Surface area word problem example
Akira receives a prize at a science fair for having the most informative project. Her trophy is in the shape of a square pyramid and is covered in shiny gold foil. So this is what her trophy looks like: how much gold foil did it take to cover the trophy, …
This Spider Wears Its Victims Like a Hat | National Geographic
This massive ant colony maintains cohesion through constant chemical communication. This signaling method facilitates the collection of food, defense of the colony, and, very creepily, collection of their dead. However, chemical signatures can be minute. …
Gmail Creator Paul Buchheit On AGI, Open Source Models, Freedom
It seems like Google has all the ingredients to just be the dominant AI company in the world. Why isn’t it? Do you think OpenAI in 2016 was comparable to Google in 1999 when you joined it? Are you a believer that we are definitely going to get to AGI? Wha…
High Speed video of Canon DSLR Shutter - Smarter Every Day 40
Hey, it’s me Destin. Welcome to Smarter Every Day, and a blood vessel exploded in my eye. It’s pretty cool. It’s called a subconjunctival hemorrhage. I think it’s pretty neat. Anyway, so today I’m gonna show you a little experiment that I’m doing right b…
One-sided limits from graphs: asymptote | Limits and continuity | AP Calculus AB | Khan Academy
So over here we have the graph of y is equal to G of x. What I want to do is figure out the limit of G of x as x approaches positive 6 from values that are less than positive 6, or you could say from the left, from the negative direction. So what is this …
The 5 Things Successful People Do In Their 20’s
What’s up you guys? It’s Graham here. So your 20s are really such an important time. I honestly believe that it’s these early years that best form the foundation for everything else you do later in life. Much like it’s the easiest to learn a second langua…