Квантовый бит, или кубит, является основной единицей данных в квантовых вычислениях. Как и бинарный бит в классических компьютерах, он может хранить информацию, но ведет себя совершенно иначе благодаря квантовой механике.
Квантовые компьютеры обычно в качестве кубитов используют субатомные частицы, такие как фотоны (пакеты света) или электроны. В кубитах такие свойства, как заряд, фотонная поляризация или спин, представляют собой 1 и 0 в бинарных вычислениях. Однако кубиты также подвержены таким явлениям, как суперпозиция и запутанность, что связано с их квантовой природой, и именно здесь начинается нечто необычное.
Биты и кубиты: в чём разница?
Будучи равными 0 или 1, как и бит, кубиты могут находиться в обоих состояниях одновременно — или в суперпозиции 1 и 0. Кубит будет оставаться в суперпозиции до тех пор, пока его непосредственно не наблюдают или не разрушают внешние факторы окружающей среды, такие как как тепло. Поскольку это квантовое состояние очень хрупкое, кубиты должны быть защищены от помех, что требует поддержания очень низких температур.
Суперпозиция позволяет кубитам квантового компьютера находиться в нескольких состояниях (0, 1 или оба одновременно), и количество возможных состояний растёт экспоненциально с увеличением числа кубитов. Например, если у вас есть два классических бита, они могут принимать значения 0, 0; 0, 1; 1, 0 или 1, 1.
С двумя кубитами вы можете закодировать данные во всех четырёх состояниях одновременно. Таким образом, квантовые компьютеры потенциально обладают гораздо большей вычислительной мощностью, чем традиционные компьютеры, использующие бинарные биты. Чем больше кубитов, тем больше вычислений можно обрабатывать параллельно, и этот рост происходит экспоненциально, если в систему добавлять новые кубиты. Однако для достижения экспоненциального роста вычислительной мощности необходимо также запутывать кубиты.
Как работает запутанность?
В квантовой запутанности состояния субатомных частиц связываются независимо от расстояния между ними. Получив информацию о кубите, вы автоматически получите информацию о его запутанной частице.
Запутанные частицы всегда находятся в коррелированном состоянии. Следовательно, если измерить какое-либо свойство (например, спин) одной частицы и таким образом вывести её из суперпозиции, то же самое мгновенно произойдёт и с запутанной частицей. Поскольку состояния двух запутанных частиц всегда коррелированы, зная состояние одной частицы, можно сделать вывод о состоянии другой.
Вместо того чтобы напрямую измерять кубит и тем самым выводить его из состояния суперпозиции, учёные исследуют возможность косвенно извлекать информацию о кубите через его взаимодействие с окружающей средой.
Запутанность кубитов также позволяет им взаимодействовать друг с другом одновременно, независимо от расстояния между ними. В сочетании с суперпозицией квантовая запутанность теоретически позволяет кубитам значительно повысить вычислительную мощность квантовых компьютеров, позволяя выполнять сложные вычисления, с которыми мощные бинарные компьютеры сталкиваются с трудностями.
В настоящее время это возможно в небольших масштабах, но задача состоит в том, чтобы увеличить масштабы. Например, на выполнение некоторых вычислений, таких как взлом алгоритмов шифрования, классическим компьютерам потребуются миллионы лет. Однако если бы мы могли построить квантовый компьютер с миллионами кубитов, те же самые алгоритмы можно было бы взломать за считанные секунды.
Почему кубиты такие хрупкие и подвержены декогеренции?
Так почему бы нам просто не накопить все больше и больше кубитов, чтобы построить такую машину? К сожалению, кубиты недолговечны, и суперпозиция может разрушиться при малейшем внешнем воздействии окружающей среды, например, при нагревании или движении. По этой причине они считаются «шумными» и подверженными ошибкам.
Многие кубиты необходимо охлаждать до близких к абсолютному нулю температур и поддерживать с помощью специализированного оборудования. У них также невероятно короткие «времена когерентности» — это мера того, как долго они сохраняют необходимое состояние для обработки квантовых вычислений. Время когерентности обычно составляет лишь доли секунды. (Мировой рекорд составляет 10 минут для одного кубита, но эксперты считают, что его вряд ли удастся перенести на настоящий квантовый компьютер.) Этот фактор также делает кубиты непригодными для долговременного хранения данных.
И хотя на сегодняшний день существует множество квантовых компьютеров, нам всё ещё необходимо применять методы «коррекции ошибок» к кубитам, чтобы доверять их результатам. Одним из основных методов исправления ошибок, изучаемых сегодня, является построение «логического кубита». На самом деле логический кубит представляет собой группу запутанных, подверженных ошибкам кубитов, которые хранят одну и ту же информацию в разных местах. Это распределяет возможные точки отказа во время расчёта, тем самым исправляя ошибки. Если кубиты будут достаточно стабилизированы с помощью суперпозиции и квантовой запутанности кубитов, квантовые компьютеры однажды смогут выполнять вычисления за долю времени, которое потребуется бинарному компьютеру, а также решать сложные уравнения, которые невозможны даже для самых мощных суперкомпьютеров сегодняшнего дня.
