• Julia Borisova

Квантовые компьютеры позволят выйти за грани возможного

Со времен появления первого полностью транзисторного компьютера в 1957 году прошло уже более 60 лет. За эти годы компьютеры претерпели существенные изменения. Изменились размеры, вес, интерфейс. Появились ноутбуки. Однако все эти компьютеры по-прежнему основаны на транзисторах.

Обычный персональный компьютер состоит из вполне понятных электронных компонентов и делает простые вещи. Если разобрать современный компьютер, то мы увидим ИС, которые состоят из модулей, модули в свою очередь состоят из логических элементов, а логические элементы – из транзисторов.

Каждый транзистор – это по сути электронная кнопка, которая позволяет либо пропускать электрический ток, либо нет. Управлять этой «кнопкой» можно с помощью подачи напряжения. Открытое и закрытое состояние транзистора соответствует значениям 0 и 1. Таким образом, каждый транзистор внутри компьютера играет роль минимальной логической единицы – бита. Бит принимает значения 0 и 1.

Группы транзисторов формируют логические элементы, которые выполняют простейшие задачи. Например, задача логическое «и» представляет собой такое соединение транзисторов, при котором на выходе будет логическая «единица» только если оба транзистора имеют значение «единица». В остальных случаях «0».

Логический элемент "и" для классических битов

Объединяя логические элементы в модули, можно выполнять сложные вычисления. Транзисторные элементы в компьютере работают как группа учеников в классе. Каждый из них решает свою простейшую задачу, являющуюся частью одной общей задачи. И такой подход позволяет решать практически любые уравнения начиная от астрофизики и заканчивая молекулярной биологией.

Однако, с уменьшением размеров транзисторов эта простая и удобная логика искажается. Типовой размер современных транзисторов составляет всего лишь 14 нм. Что примерно в 7 раз меньше, чем диаметр ВИЧ частиц, и в 3500 раз меньше, чем диаметр волоса человека.

Как только транзисторы уменьшились до размеров соизмеримых с размерами нескольких атомов, стали проявляться квантово-механические эффекты – переход электронов через энергетический барьер – или эффект квантового туннелирования. Этот эффект не позволяет дальше снижать размеры транзисторов, и значит, современные компьютеры находятся на пределе своих возможностей.

Чтобы решить эту проблему, ученые решили использовать квантовые эффекты в своих целях, создав квантовые компьютеры. В квантовых компьютерах, в отличие от классических, минимальной единицей являются не бит, а квантовый бит (кубит). Кубитом может быть любая частица квантового мира с двумя пограничными состояниями, например, отдельный электрон, ядро атома или фотон.

Кубит также может принимать два состояния - 0 и 1. Например, для фотона эти два состояния характеризуются поляризацией его спина (горизонтальной или вертикальной). В отличие от бита, он также может находится одновременно в двух состояниях. Это явление называется суперпозицией. Но как только вы пытаетесь измерить состояние фотона, он перестает быть в состоянии суперпозиции, принимая значение 0 или 1.

Таким образом, пока квантовый бит не измеряется, он может быть в любой комбинации своих двух состояний. Чтобы понять это, представим себе монету. У монеты две стороны: орел и решка. Пока она лежит на столе, она находится либо в состоянии орел, либо в состоянии решка. Но если мы подкинем монету в воздух, она начнет вращаться. При вращении монета может находиться одновременно в двух состояниях – орел и решка – с определенной долей вероятности. Это и есть состояние суперпозиции. Как только мы хотим определить состояние монеты, прихлопывая ее к столу, суперпозиция нарушается. Мы получаем точное значение орел или решка.

Вращающаяся монета находится в состоянии суперпозиции

Свойство суперпозиции существенно отличает квантовые вычисления от классических. Два бита могут в каждый момент времени принимать только одно из четырех возможных состояний – 00, 01, 10 и 11. Два кубита в каждый момент времени могут принимать все четыре этих состояния. А три кубита одновременно принимают 8 состояний, 4 кубита – 16 состояний и так далее. Это число растет экспоненциально. 20 кубитов одновременно могут принимать уже более миллиона состояний!

Кубит может одновременно принимать состояние 0 и 1

Другое важное свойство квантовых битов – это спутанность квантовых состояний. Находясь в состоянии спутанности кубиты меняют свои состояния мгновенно и одновременно, причем не важно, насколько далеко они друг от друга. Это означает, что зная состояние одного кубита, мы точно знаем состояние другого, спутанного с ним кубита.

Возвращаясь к примеру с монетой, можно представить себе две монеты, вращающиеся в воздухе. Монеты вращаются, сталкиваются друг с другом, каждое столкновение влечет за собой изменение вращения обеих монет.

Квантовая логика отличается от классической. В обычном компьютере логические элементы выполняют вполне понятные операции с битами, получая на выходе определенный результат. В квантовом компьютере логический элемент оперируя кубитами создает спутанное состояние между ними, и на выходе получается комбинация спутанных кубитов. Это означает, что с помощью квантового компьютера можно проводить все возможные вычисления одновременно. Такое свойство позволяет квантовым компьютерам решать задачи, которые не под силу обычным компьютерам. Или на решение которых у классических компьютеров ушло бы слишком много времени.

Поэтому так много ученых и исследователей по всему миру работает сейчас над созданием квантового компьютера, поэтому правительства многих стран вкладывают огромные средства в программу квантовых технологий, поэтому в некоторых вузах уже появились кафедры квантовых вычислений, и поэтому на нашем сайте много информации по теме квантовый компьютер.


Последние новости по теме квантовый компьютер доступны здесь.


#кубит

#квантовыетехнологии

#квантовыйкомпьютер


Подписаться на новости SCDAILY