Кубит: сердце квантового компьютера

Что лежит в основе квантовых вычислений
13.02.2021


Рисунок: Юлия Кузьмина

Что это?

Рисунок, на котором сопоставлены две элементарные единицы измерения информации: бит, применяемый в работе обычных компьютеров, и кубит, на свойствах которого основаны квантовые компьютеры.

Классический бит принимает два значения, то есть его физический носитель может находиться только в двух определенных состояниях. К примеру, если транзистор в процессоре пропускает электрический ток, то он принимает значение 1, если не пропускает - 0. Бит находится в строго определенном состоянии, промежуточных значений между 0 и 1 для него не существует.

Кубит (от англ. q-bit, quantum bit) также может принимать значения 0 и 1, но, в отличие от простого бита, он ими не ограничен. Если кубит может находиться в каких-то двух базисных состояниях, то он может находиться и в суперпозиции этих состояний, то есть принимать огромное множество промежуточных значений. Пространство состояний кубита удобно представлять в виде сферы Блоха. На северном полюсе сферы значение 0, на южном - 1. Но есть еще и вся остальная поверхность, которая представляет собой всевозможные состояния.

Создать кубит можно из любых квантовых объектов, которые имеют два базисных состояния. К примеру, электрон со спином ½ может пребывать в двух состояниях: спин вверх и спин вниз. Любая частица с таким свойством, будь то фотон, нейтральный атом или ион, может выступать в качестве кубита.Однако на данный момент времени наиболее технологически совершенные квантовые компьютеры работают на сверхпроводящих кубитах - микросхемах из сверхпроводников с наноразмерными разрывами (джозефсоновскими переходами). Ключевое преимущество сверхпроводящих кубитов - это возможность изготавливать их с помощью отлаженных процессов, применяемых при создании микроэлектроники.

Чем это интересно для науки?

Основная проблема, стоящая на пути разработки квантовых компьютеров, - это потеря кубитами когерентности. Любая квантовая система неизбежно будет взаимодействовать с окружением, вследствие чего происходят неконтролируемые изменения состояний кубитов. В результате этого серьезно повышается вероятность возникновения ошибок в расчетах. Кроме того, низкая когерентность кубита в целом сильно ограничивает число операций, которые может осуществить квантовый компьютер.

Это ключевое ограничение кубитов ученые стараются решить с помощью создания «сложных» логических кубитов, которые будут состоять из нескольких физических. Если несколько из них потеряет когерентность, то остальные все равно продолжат выполнение задачи. Если такие сложные системы удастся получить, то тогда по мере развития технологий появится шанс получить безошибочные квантовые компьютеры, способные на неограниченное количество операций.

Почему это важно знать?

Благодаря тому, что кубиты находятся в суперпозиции, квантовые компьютеры могут во много раз быстрее выполнять некоторые задачи за счет параллельного выполнения нескольких операций. Наглядный пример пользы от распараллеливания - поиск пути в лабиринте. Обычный компьютер последовательно перебирает все возможные варианты, упираясь в тупики и возвращаясь, а квантовый компьютер может проверить все возможные ходы за один раз.

Эффективность квантовых компьютеров в решении задач такого типа настолько велика, что получила название квантового превосходства. Для решения определенных задач по перебору квантовому компьютеру может потребоваться несколько минут, в то время как самому мощному классическому суперкомпьютеру - более года. Наиболее полезным это превосходство может оказаться для моделирования химических и физических свойств частиц, оптимизации построения сложных графов, создания продвинутых способов шифрования и дешифровки.

Источник: ПостНаука

Читайте другие наши материалы