Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

Санджей Натараджан из Intel заявил: «Мы считаем, что выжали из этой архитектуры всё, что можно было выжать»ssss1.

Не исключено, что Кремниевая долина со временем станет новым «ржавым поясом».

Хотя и кажется сейчас, что все спокойно, рано или поздно это новое будущее наступит. Как утверждает Хартмут Невен, директор Лаборатории искусственного интеллекта Google: «Все выглядит так, будто ничего не происходит, ровным счетом ничего, а потом упс – и ты вдруг оказываешься в другом мире»ssss1.

Что делает квантовые компьютеры настолько мощными, что все страны мира спешат овладеть этой новой технологией?

В сущности, все современные компьютеры основываются на цифровой информации, которую можно представить в виде последовательности нулей и единиц. Минимальная единица информации – одна цифра – называется бит. Эту последовательность нулей и единиц скармливают цифровому процессору, который производит расчет и выдает результат на выход. К примеру, скорость вашего интернет-соединения может измеряться в битах в секунду (бит/с); так, один гигабит в секунду (1 Гбит/с) означает, что каждую секунду на ваш компьютер посылается один миллиард бит информации, что обеспечивает вам мгновенный доступ к фильмам, электронной почте, документам и тому подобному.

Однако нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 г. увидел и другой подход к цифровой информации. В пророческом новаторском выступлении «Внизу много места» и последовавших за ним статьях он задался вопросом: почему не заменить эту последовательность нулей и единиц состояниями атомов и не сделать атомный компьютер? Почему не заменить транзисторы самым маленьким возможным объектом, атомом?

Атомы подобны вращающимся волчкам. В магнитном поле ось их вращения может быть направлена либо вверх, либо вниз по отношению к магнитному полю, и эти два состояния атома можно соотнести с 0 и 1.

Мощность цифрового компьютера напрямую связана с числом состояний (нулей или единиц) в этом самом компьютере. Но по странным законам субатомного мира атомы способны также вращаться в любой комбинации двух описанных положений. К примеру, можно получить состояние, в котором ось вращения атома 10 % времени направлена вверх, а 90 % времени – вниз (для краткости можно говорить, что атом вращается вверх или вниз или просто о состояниях «вверх» и «вниз»). Или он вращается 65 % времени вверх, а 35 % – вниз. Мало того, число вариантов вращения атома бесконечно. Это многократно увеличивает число его возможных состояний. Так что атом может нести в себе гораздо больше информации – не бит, а кубит, то есть одномоментную смесь состояний «вверх» и «вниз». Цифровые биты способны нести лишь по одному биту информации в каждый момент времени, что ограничивает их возможности, но кубиты, или квантовые биты, обладают почти неограниченной мощностью. Тот факт, что на атомном уровне объекты могут существовать одновременно во множестве состояний, называется суперпозицией. (Это означает также, что привычные законы здравого смысла на атомном уровне постоянно нарушаются. В этом масштабе электроны, в частности, могут находиться в двух местах одновременно, чего у более крупных объектов не бывает.)