Раскрываю секрет квантовых вычислений в одной большой статье. Как это работает физически?

Квантовые вычисления… Я полагаю, что вы не в первый раз слышите это загадочное словосочетание. Оно сразу ассоциируется с чем-то из мира квантовых компьютеров, квантовой физики и вызывает невольно вопрос — а что такое интересное происходит при этих вычислениях, что они вдруг становятся «квантовые»? Чем они лучше или хуже, чем самые обычные вычисления и чем отличаются?

Что же, давайте об этом и поговорим. Уверен, что будет интересно, но для полного понимания проблемы обязательно нужно прочитать статью до конца.

Итак, начнём с самых азов. Вы точно уже слышали про квантовые компьютеры. Чем они интересны? Хм, ну тем, что они работают на совершенно других принципах и используют квантовые вычисления. Легенда гласит, что так можно реализовывать самые сложные расчёты и делать это быстрее.

Логично полагать, что квантовые вычисления основываются на каких-то знаниях, полученных из мира квантовой физики. Что же. Так оно и есть. Сразу скажу, что мы не полезем в анатомию самого квантового компьютера. Акцентируем внимание именно на методике квантового вычисления.

Вспоминаем базовые эффекты квантовой физики

Для начала — всё, что связано с квантами, подразумевает работу с частицами определённого размерного диапазона и типа. Есть некоторый барьер, после которого частицы начинают активно проявлять квантовые свойства. Это значит, что для квантовых вычислений нужна определенная частица нужного размера в контролируемом состоянии. Тут можно много рассказать про охлаждение системы и сложность сохранения равновесия суперпозиции, но это уже скорее про морфологию квантового компьютера, а не о принципах вычисления и мы решили об этом тут не говорить.

На практике квантовая частица — это так называемый кубит. Физически кубит — это и есть квантовый объект (например, электрон. Тут есть разные подходы). Эта частица должна находиться в состоянии квантовой суперпозиции. Более того, очень полезно иметь группу запутанных частиц.

Ещё вся квантовая кухня подразумевает вероятностную природу. Это означает, что нет ничего точного и детерминированного. Вместо конкретных однозначных состояний, как это есть у материальных тел нашего размерного диапазона, здесь вероятность. Например, положение частицы не определено, но есть некоторая вероятность того, что сейчас она в точке (9,10).

Конкретные положение, спин и прочие свойства проявляют себя только при взаимодействии с системой или измерением. Тогда из миллиона вариантов выбирается один.

Само собой, сейчас мы перечислили только самые основные понятия, которые ещё и излагаются иногда самым разным образом. Концепции сложные и даже спорные. Трактовок много. Однако, я полагаю, что изложенных данных достаточно для понимания сути нашей проблемы.

Как оно у людей?

Теперь на миг отвлечёмся от квантовой Вселенной и вспомним, как вообще происходят обычные вычисления. Это те самые вычисления, которые вы учили в школе. Как там у Буратино — некто взял у вас одно яблоко? Вот так оно и есть.

То, что мы привыкли описывать как вычисления, подразумевает, что мы считаем что-то физическое и детерминированное по выработанным методикам. Посчитать количество яблок на дереве, посчитать количество котят в корзине, посчитать кирпичи на дороге. Само собой, всё куда сложнее и есть самые разные задачи. Вы ведь помните всякие дискриминанты из школьного курса и прочее. Но логика всегда одинакова — мы работаем с тем, что можем потрогать и оно строго определено.

Но квантовый мир — он другой. Мы ведь не зря вспомнили выше, что у частиц нет конкретных состояний и они не определены до их измерения (читай как взаимодействия с миром). Поэтому, и как таковые «осязаемые» значения нам тут не доступны. Вся система вероятностная. Это очень важно прочувствовать и пропустить через своё сознание. Мы не можем считать всё также, как считали раньше.

У нас появляется не одно возможное значение, как это было с палочками для счёта, а сразу диапазон вероятных значений. Мы получаем не один конкретный параметр, а сразу вероятностный диапазон, который гласит, что в таких-то условиях и при таких параметрах системы не просто а=1, а переменная а попадает в диапазон значений, среди которых вероятность того, что а=1 — 90%, a=2 — 10%, a=10 — 0,5% и так далее.

Цифры вероятных значений в диапазоне берутся не с потолка. Хоть это и вероятностное значение, оно подразумевает соблюдение условий. Приведу простой, топорный и не совсем правильный, пример. Физики его раскритикуют, но начинающему изучать вопрос он прояснит ситуацию.

Идёт человек по улице и где-то на балконе над его головой от кладки потихоньку отрывается кирпич. Кирпич может упасть, а может не упасть и это вероятность. Параметры, которые на это повлияют — влажность, ветер и вероятность выхода кого-то на балкон. Сочетание всех этих параметров выделит из вероятности падения одно конкретное число, которое соответствует конкретной системе и ситуации. Примерно также и квантовые объекты с их вероятностью проявляются в нашем мире.

Но самый справедливый вопрос…А как таким образом можно хоть что-то посчитать и что нужно физически?

Измерение, квантовая суперпозиция и квантовая запутанность

В основе любого квантового вычисления лежат два базовых физических явления. Это квантовая запутанность и квантовая суперпозиция. И о том, и о другом физическом явлении я много раз рассказывал на канале, но тут нужно выделить главное. Давайте сделаем это и вновь заведомо упростим формулировку, стараясь сохранить смысл.

Квантовая запутанность — это странное физическое явление (которое пока не имеет полноценного исчерпывающего описания), подразумевающее, что несколько квантовых частиц (в случае компьютера — кубитов) оказываются в некоторой незримой синхронизации и изменение свойств одного объекта мгновенно вызывает изменение свойств запутанного с ним объекта. Например, если изменился спин электрона, то запутанный с ним электрон тоже меняет свой спин.

Квантовая суперпозиция — это состояние, которое является базой для всей квантовой физики. Оно подразумевает, что квантовая частица всегда находится сразу во всех возможных состояниях и обладает сразу всеми свойствами.

Ещё наверное стоило бы сказать тут и про эффект наблюдателя. Это тот самый легендарный опыт Юнга.

Идея в том, что система сохраняет вероятностное состояние до её измерения. Под измерением понимается нечто очень сложное, но самое простое тут — понимать это как взаимодействие квантовой системы с макромиром. Причём, таким взаимодействием может быть измерение частицы детектором, а может столкновение со стенкой. Во всех этих случаях из диапазона вероятностных значений выберется одно. И да, я понимаю, что такие фразы, как «выберется» подразумевают множество вопросов. Но они, к счастью, не относятся к механике квантовых вычислений.

Но как переложить всё это на реальность?

Хорошо, все эти явление — это всё отлично. Но как что-то посчитать?

Важно сразу отметить — квантовые вычисления подразумевают другой подход к построению алгоритма. Методика отличается от того, как мы считаем палочки. Здесь же отметим, что и далеко не все задачи могут решаться на квантовых системах. Группа задач вполне определённая. И хотя оно всё работает почти мгновенно, но не является волшебной палочкой. Хотя не новость, что квантовые системы значительно опережают стандартные, подходят они не для всего. Так что же там с механикой работы?

Для квантового вычисления нам нужна частица в квантовом состоянии суперпозиции. Это состояние должно быть стабильным и поддерживаться. Мы уже знаем, что оно подразумевает сразу все возможные варианты. Это кубит, который сразу во всех состояниях.

Алгоритм для квантового вычисления построен таким образом, что учитывает все эти возможные варианты и «перекладывает» их на квантовую частицу в суперпозиции. При данных условиях вероятен один вариант и он такой-то.

Определить этот вариант можно фактическим измерением частицы (или кубита, тут это синонимы). На частицы воздействуют детектором и происходит измерение. Это измерение отсекает все вероятностные варианты и выбирает один конкретный.

Сложность в том, что нужно использовать «правильный» алгоритм, который будет использовать измерение кубита или частицы как некоторую финальную отсечку, которая и укажет подходящий вариант среди вероятностных.

Но мы не зря вспомнили ещё и про запутанность. Во многих источниках отмечено, что это ускоряет вычисления. Я полагаю, что это не совсем правильное восприятие проблемы. Группа запутанных частиц нужна лишь для увеличения точности всего вычисления.

Проблема вероятностного характера системы оказывает влияние на точность конкретного значения, а потому лучше, чтобы сразу несколько запутанных частиц выбрали состояние при измерении. Это упростит обнаружение этого состояния.

Обработанный показатель и выдаёт искомое значение. Примерно так работают квантовые вычисления. Надеюсь, что было интересно!