4 главных вопроса о квантовых компьютерах

Новые задачи требуют все более сложных вычислений, в то время как многие вычислительные алгоритмы несовершенны. Например, при подготовке алгоритмов искусственного интеллекта, большая часть информации теряется из-за вычислительных ограничений, что делает их менее эффективными. Квантовые компьютеры позволят нам справиться со сложными задачами.

1. Что такое квантовый компьютер и зачем он нужен

Обычные компьютеры работают по принципу вычислительных машин Тьюринга – с битами, которые находятся в одном из двух состояний: 0 или 1. У квантовых компьютеров таких ограничений нет: информация в них зашифрована в квантовых битах (кубитах), которые могут содержать суперпозиции обоих состояний. Например, 20% – 1, 80% –0. Благодаря этому свойству, квантовый компьютер может выполнять несколько вычислений одновременно, в то время как машина Тьюринга – только одно. 300 обычных битов дает 600 (2*300) возможных состояний, в то время как 300 кубитов – 2300. Носителями информации выступают элементарные частицы: атомы, ионы, фотоны или электроны, имеющие два квантовых состояния. Во время измерений эти состояния могут меняться непредсказуемым образом: мы можем получить как 0, так и 1. Необходимо провести десятки тысяч измерений, чтобы понять, что соотношение действительно 20% и 80%. Но квантовая механика знает способы обойти эти измерения и передать информацию сразу.

Квантовые системы нужны для работы с большими данными. Они могут упростить расчеты свойств отдельных молекул, а также поиск новых лекарств и материалов. Постепенно появляются квантовые нейросети. А физики из Российского квантового центра впервые запустили квантовый блокчейн — инструмент для создания распределенной базы данных, в которой практически невозможно подделать записи.

2. Как происходит передача информации

Используется явление квантовой запутанности. Две частицы, электрон или фотон, которые одновременно испускает один и тот же источник, находятся в так называемом запутанном (или сцепленном) состоянии. Они несут одновременно правую и левую поляризации, но в момент измерения они принимают определенную поляризацию – причем всегда будут противоположны друг другу. То есть, если мы смотрим на один фотон, и он принимает левую поляризацию, то у другого фотона будет правая поляризация – и наоборот. Предсказать, какую поляризацию примет та или иная частица, невозможно.

Альберт Эйнштейн считал квантовую запутанность нелепой выдумкой и называл ее «жутким действием на расстоянии». Он предложил разнести эти частицы на большое расстояние. Если мы наблюдаем за одним из фотонов, то второй фотон должен получить информацию о факте измерения, чтобы сменить свою поляризацию. В теории относительности это происходит не сразу, а по прошествии некоторого времени, иначе нарушится главное правило — скорость передачи информации превысит скорость света. Но в квантовой механике второй фотон должен получить информацию моментально — иначе в какой-то момент поляризация частиц будет одинакова. Это противоречие назвали парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Физики долго спорили, как его разрешить. В итоге решили, что смена поляризации — это случайный процесс, и никакой передачи информации не происходит, поэтому принципы относительности формально не нарушаются.

В 1993 году в IBM Research был проведен эксперимент, известный как квантовая телепортация. Ученые из IBM показали, что квантовая запутанность не только является реальным явлением, но и может быть превращена во что-то гораздо более полезное, чем кто-либо осмеливался предположить. Для передачи информации приходится измерять состояние частиц — но по законам квантовой физики измерение разрушает это состояние, и восстановить его невозможно. Телепортация использует явление квантовой запутанности и дает возможность перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем — не «заглядывая» в него и тем самым не нарушая его.

Допустим, нам нужно передать состояние фотона А получателю — то есть сделать так, чтобы у получателя оказалась в распоряжении частица B в том же самом состоянии. Как это сделать Рождаются два «запутанных» фотона, В и С. Один (С) направляется к передатчику, а другой (В) — к приемнику. Напомним, состояние фотонов не определено, и наблюдаемое значение действительно только в момент измерения. У передатчика, таким образом, есть система частиц А и С. Измеряя эту систему, он может получить один из четырех возможных исходов.

Мы помним, что при измерении состояние фотонов меняется. И, когда мы получили данные о частицах А и С, мы изменили состояние всей системы — ведь B была «спутана» с С. Таким образом, состояние B связывается с А — но получатель пока не знает, что конкретно произошло. Как это выяснить Дело в том, что в квантовой телепортации используются два канала связи, классический и квантовый. Квантовый связывает частицы A и B, между которыми идет передача информации. А с помощью

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *