Что такое квантовое превосходство?

Есть некоторые сложные математические проблемы, на решение которых даже самому мощному суперкомпьютеру в мире потребуются тысячи лет. Теоретически, квантовый компьютер может решить эти проблемы за считанные минуты.

Это умение решить проблему, которая на первый взгляд кажется невозможной для величайшего суперкомпьютера, называется квантовым превосходством.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер — это такой компьютер, который функционирует на основе законов квантовой механики. Вычислительные устройства, от вашего смартфона до суперкомпьютера размером с большую комнату, выполняют основную функцию хранения и обработки данных.

Традиционно компьютеры хранят информацию в форме битов, которые существуют в двоичном состоянии, равном 1 или 0. Все манипуляции с информацией в основном являются модификацией этих бесконечно малых битов из единиц и нулей.

С другой стороны, квантовые компьютеры имеют ту же основную функцию с одним критическим отличием; они хранят данные и манипулируют ими, используя квантово-механические свойства, такие как суперпозиция и запутывание.

В квантовых компьютерах данные хранятся в форме квантовых битов, обычно называемых кубитами. Кубиты отличаются от обычных битов, так как они могут быть 1 и 0 одновременно в силу суперпозиции.

Кроме того, кубиты могут запутываться друг с другом и вести себя как система;  два кубита могут быть сохранены на противоположных концах вселенной и все еще будут иметь сильную корреляцию друг с другом.

Что такое суперпозиция?

Вообразите каждый бит как монету. Монета может иметь значение орел или решка. Каждый бит будет хранить значение орел (1) или решка (0). В противоположность этому, кубиты можно представить как монеты, которые постоянно вращаются, никогда не падая одной стороной.

В этом состоянии вращения вы никогда не сможете точно сказать, выпадет орел или решка. На самом деле, монета останется в обоих состояниях одновременно.

Следовательно, кубит может одновременно хранить значения и орел (1) и решка (0). По сути, это суперпозиция.

Что такое квантовая запутанность?

Теперь представьте, что две из этих монет всегда показывают коррелированный результат, либо одинаковый, либо с точностью до наоборот. Если монета A показывает орла, то монета B автоматически показывает тоже орла. Или, если они противоположно коррелированы, когда монета A показывает орла, монета B автоматически показывает решку.

Это свойство квантовых частиц «переплетаться» друг с другом и вести себя как сильная корреляционная система даже на межзвездных расстояниях называется квантовой запутанностью. Альберт Эйнштейн описал это свойство как «жуткое действие на расстоянии».

Эти и некоторые другие «пугающие» квантовые свойства используются для проведения одних из самых сложных вычислений на квантовых компьютерах. Итак, что же это за странные вычисления, которые, по-видимому, невозможно взломать даже самым мощным современным суперкомпьютерам?

Что такое квантовое превосходство?

Питер Шор, создатель «алгоритма Шора» предположил, что в далеком будущем люди смогут разработать компьютер, достаточно мощный для выполнения его алгоритма в разумные сроки. Значимость алгоритма заключается в том, что с его помощью становится возможным взлом криптографических систем с открытым ключом. 

В тот день, когда квантовый компьютер сможет выполнять сложные математические алгоритмы, подобные алгоритму Шора, которые практически невозможно решить с помощью современных компьютерных технологий, он достигнет квантового превосходства.

Сейчас, когда такие компании, как Google и IBM, выделяют большие ресурсы на разработку квантовых вычислений, успешный механизм взлома кодов может оказаться не таким уж далеким, как предполагал Шор.

Фактически, квантовый компьютер Google, как сообщалось, уже достиг квантового превосходства в прошлом месяце, взломав аналогичную, хотя и надуманную, сложную математическую задачу намного быстрее, чем самый быстрый классический суперкомпьютер. Проблема, на решение которой суперкомпьютеру понадобилось бы 10 000 лет, была решена квантовым компьютером Google за 3 минуты 21 секунду.

Достижение Google очень значимо —  впервые квантовый компьютер успешно решил то, что не смог классический компьютер. Тем не менее, машина Google была создана для решения этой конкретной сложной проблемы.

Значимость этого факта проста: решение этой проблемы не имеет практического применения. Оно просто служит доказательством концепции существования технологий, в ближайшем будущем способных решить такие сложные задачи, как алгоритм Шора и другие.