# Quanta Magazine объяснил принципы работы квантовых компьютеров через физику Источник: https://www.youtube.com/watch?v=jHoEjvuPoB8 Канал: Quanta Magazine Опубликовано: 08.06.2021 --- Внутри специализированных холодильников, функционирующих при температуре чуть выше абсолютного нуля, изолированно от остальной Вселенной работают квантовые компьютеры. В материале от научно-популярного канала Quanta Magazine подробно объясняется, почему эти устройства не являются просто улучшенной версией классических суперкомпьютеров. Их работа строится на совершенно иных физических принципах, заставляющих полностью переосмыслить законы теории вероятностей и обработки информации. ## 🧠 Тупик Фейнмана и рождение квантовой идеи [[JUMP:0:54]] История квантовых вычислений началась в 1980-х годах с серьезного препятствия, с которым столкнулся один из величайших физиков XX века Ричард Фейнман. Ученый отчаянно искал способ заглянуть в квантовую вселенную, однако моделирование квантовых систем на обычных компьютерах оказалось невыполнимой задачей. Квантовые системы по своей природе невероятно хрупки, а содержащаяся в них информация скрыта от прямых наблюдений. Главная проблема заключалась в том, что по мере добавления новых частиц в моделируемую систему вычислительная сложность росла экспоненциально. Фейнман пришел к выводу, что классические компьютеры физически не способны масштабироваться достаточно быстро, чтобы поспевать за ростом сложности квантовых расчетов. Тогда физика осенила гениальная идея: что если создать вычислительный инструмент, который сам будет состоять из квантовых элементов? Такая машина работала бы по естественным законам квантовой физики, идеально подходя для воссоздания тайн микромира. Так зародилась концепция квантового компьютера, перебросившая мост между фундаментальной физикой и компьютерными науками. ## 🎲 Амплитуды: новые правила вероятности [[JUMP:1:58]] Чтобы понять принципы работы квантового компьютера, необходимо разобраться в фундаменте квантовой физики — понятии «амплитуда». Квантовая механика в своей основе меняет привычные нам правила теории вероятностей, и именно в этом кроется колоссальная вычислительная мощность новых систем. В обычном макромире, если мы хотим узнать классическую вероятность события (например, что монета выпадет решкой ровно 10 раз из 20), мы просто складываем вероятности всех возможных путей достижения этого исхода. Это диктует здравый смысл, но в квантовой вселенной он не работает. До момента измерения субатомная частица ведет себя как «волна вероятности», запертая в своеобразном черном ящике. Амплитуды тесно связаны с вероятностями, но имеют ключевые отличия: * Классическая вероятность всегда выражается числом от 0 до 1. * Квантовые амплитуды представляют собой комплексные числа и подчиняются совершенно иным математическим законам. Когда физики рассчитывают полную амплитуду квантового события, они складывают амплитуды всех возможных сценариев. Здесь и возникает уникальный феномен: частица может достичь определенной точки одним путем с положительной амплитудой, а другим — с отрицательной. В таком случае амплитуды взаимно уничтожаются, а их сумма становится равной нулю. Это означает, что данное событие не произойдет никогда. С точки зрения квантовой механики, любое описание физической системы сводится к списку таких амплитуд, а изменения системы во времени представляют собой их линейное преобразование. ## 💠 Кубиты и магия суперпозиции [[JUMP:4:06]] Для хранения и обработки информации квантовые компьютеры используют базовую вычислительную единицу — кубит (квантовый бит). Кубиты выполняют ту же роль, что и биты в классическом компьютере, но обладают фундаментальным отличием. Обычный бит строго бинарен: он хранит информацию в виде цепочек нулей и единиц. Кубиты же, созданные на основе субатомных частиц, подчиняются микроскопической логике и могут находиться в состоянии нуля, единицы или их линейной комбинации. До момента измерения кубит пребывает в состоянии, называемом суперпозицией. Это можно представить как квантовую версию распределения вероятностей, где каждый кубит имеет определенную амплидуду быть нулем и определенную амплитуду быть единицей. Именно из-за суперпозиции для описания квантового состояния даже крошечного числа частиц требуется колоссальное количество классических битов. ## 📖 Квантовая запутанность: книга, которую нельзя читать по страницам [[JUMP:5:13]] Когда два или более кубита находятся в закрытом состоянии суперпозиции, между ними возникает связь через феномен квантовой запутанности. Это означает, что результаты их измерений оказываются математически взаимосвязанными. Квантовая запутанность характеризуется особыми корреляциями между частями квантовой системы, которые принципиально отличаются от любых корреляций в макромире. Для объяснения этого феномена спикеры используют наглядную аналогию с книгой: * Если читать страницы квантовой «книги» по отдельности, вы не найдете там осмысленной информации, а увидите лишь случайную путаницу букв. * Информация в квантовой системе закодирована не в самих элементах, а в корреляциях между ними. * Чтобы прочесть такую книгу, необходимо одновременно и коллективно исследовать множество страниц сразу. Описание сильно запутанных состояний с помощью обычных битов обходится невероятно дорого. Примитивный 10-кубитный компьютер способен параллельно хранить 2^10 значений. Чтобы описать такую конфигурацию на классическом компьютере, потребуется 2 килобайта (или 16 000 битов) памяти. Но если масштабировать систему до 500 запутанных кубитов, то для описания их состояния понадобится больше классических битов, чем атомов в известной нам Вселенной. Это наглядно подтверждает вывод Фейнмана о неспособности классических машин моделировать квантовую физику. ## 🌊 Интерференция и алгоритмы: как извлечь правильный ответ [[JUMP:6:42]] Главная сложность заключается в том, что для извлечения полезного результата квантовую систему необходимо измерить. Однако в момент измерения квантовая система мгновенно коллапсирует в классическое состояние. Любая посторонняя информация о состоянии кубита, просочившаяся во внешнюю среду, уничтожает суперпозицию. Чтобы итоговый ответ не превратился в случайный результат подбрасывания монетки, ученые используют интерференцию. Ее легко наблюдать на примере волн в бассейне, когда они гасят друг друга. Точно так же ведут себя квантовые амплитуды при сложении: если сценарий может пойти одним путем с амплитудой +1/2, а другим — с амплитудой -1/2, итоговая амплитуда события обнулится. Направлять этот процесс призваны квантовые алгоритмы. Ученые управляют интерференцией, создавая детерминированные последовательности квантовых вентилей (qubit gates). Эти вентили заставляют амплитуды складываться конструктивно, что математически гарантирует резкое повышение вероятности получения именно правильного ответа. Проектирование таких алгоритмов — чрезвычайно сложная задача, ведь разработчик должен сконцентрировать амплитуду на правильном ответе, не зная его заранее. С 1994 года произошли крупные прорывы в области квантовых алгоритмов, открывшие теоретические перспективы в кибербезопасности и оптимизации поиска. Тем не менее, по мнению большинства экспертов, квантовые компьютеры принесут наибольшую пользу именно в той сфере, для которой они создавались — в исследовании фундаментальной физики. При этом вопросы коммерциализации технологии и появления практических приложений в краткосрочной перспективе, как считают специалисты, все еще остаются открытыми. По словам спикеров, велика вероятность, что главное применение квантовых компьютеров на данный момент нам попросту неизвестно, и человечество откроет его только тогда, когда получит полноценные работающие машины для практических экспериментов.