Объяснение квантового превосходства

В нашем повседневном опыте мир на 100% измерим, детерминирован и независим от наблюдателя. Стакан находится либо на столе в целом состоянии, либо на полу в разбитом состоянии, независимо от того, когда и даже измеряете ли вы его или наблюдаете. Три шарика в вашей сумке определенно окрашены в красный, зеленый и синий цвета, и независимо от того, как вы встряхиваете сумку и как долго, красный шарик остается красным, зеленый шарик остается зеленым, а синий шарик остается синим. И если вы посмотрите на ту четвертак, которая каким-то образом давным-давно упала на вашу тумбочку, она всегда будет вести себя так, как будто либо «орлом», либо «решкой» вверх, а не так, будто это полуорёл и полурешка, одновременно, одновременно. .

Но в квантовой Вселенной это не обязательно так. Радиоактивный атом, который остается незамеченным, будет существовать в суперпозиции «распавшегося» и «нераспавшегося» состояний до тех пор, пока не будет проведено критическое измерение. Все три валентных кварка, составляющие ваш протон, могут иметь определенный цвет в любое время, когда вы их измеряете, но тот цвет, который вы наблюдаете, гарантированно не будет постоянным во времени. И если вы выпускаете много электронов по одному через двойную щель и не измеряете, через какую щель они проходят, картина, которую вы видите, будет указывать на то, что каждый электрон прошел через обе щели одновременно.

Это различие между классической и квантовой системами привело как к научной, так и к технологической революции. Одна из областей, которая только сейчас появляется, — это квантовые вычисления, несущие с собой захватывающую идею квантового превосходства, но также порождающие большую серию сомнительных утверждений и дезинформации. Вот объяснение квантового превосходства и текущего состояния квантовых компьютеров, которое поможет вам отделить факты от вымысла.

Давайте начнем с идеи, с которой вы, вероятно, знакомы: с понятия обычного компьютера, также известного как классический компьютер. Хотя вычислительные машины и устройства существовали уже давно, задолго до 20-го века, именно Алан Тьюринг дал нам современную идею классического компьютера в форме того, что сейчас известно как машина Тьюринга.

Простая версия машины Тьюринга заключается в том, что вы можете кодировать любой тип информации в биты: или двоичные (только с двумя вариантами) компоненты, которые, например, могут быть представлены нулями и единицами. Затем вы можете применить к этим битам серию последовательных операций (например, таких операций, как «И», «ИЛИ», «НЕ» и многих других) в правильном порядке, чтобы выполнить любые произвольные вычисления, которые вы выполняли в разум.

Некоторые из этих вычислений будет легко закодировать и легко выполнить компьютеру: для их вычисления потребуется лишь небольшое количество битов, небольшое количество операций и очень короткое время. Другие будут сложными: их будет сложно кодировать, они будут дорогостоящими в вычислительном отношении для выполнения компьютером и потенциально потребуют большого количества битов, большого количества операций и длительного времени вычислений. Однако независимо от желаемого вычисления, если вы можете разработать алгоритм или метод для успешного выполнения любой вычислительной задачи, вы можете запрограммировать его в классический компьютер. В конце концов, если у вас будет достаточно времени, ваш компьютер завершит программу и предоставит вам результаты.

Однако существует фундаментальное различие между этим типом «классического компьютера» (который работает исключительно с классическими битами и классическими операциями), который мы только что описали, и «квантовым компьютером», где последний на протяжении многих десятилетий был чисто теоретической конструкцией. Вместо обычных битов, которые всегда находятся в состоянии, известном как «0» или «1» без каких-либо исключений, независимо от того, как и даже измеряете ли вы их или нет, квантовые компьютеры используют так называемые кубиты, или квантовые биты. аналог битов.

Хотя кубиты могут принимать те же значения, что и классические биты — в данном случае «0» или «1», — они также могут выполнять такие действия, как существование в промежуточном состоянии, которое представляет собой суперпозицию «0» и «1» одновременно. Они могут находиться на полпути между полностью 100% «0» и полностью 100% «1» в любой сумме, которая в сумме составляет 100%, а количество «0» и количество «1», которыми обладает кубит, могут изменяются как в результате операций, выполняемых над кубитом, так и в результате простой эволюции во времени.