Мироздание может не дать нам полного доступа к странностям квантовой механики.
Прошлой весной одна из ведущих экспертов в области квантовых вычислений выступала на конференции с обзорным докладом о состоянии дел в этой области. Ей задали вопрос, как скоро у нас появятся работающие, практические квантовые компьютеры. Она серьезно посмотрела и ответила: “Еще очень нескоро”.
Ее быстрый ответ был удивителен, учитывая то, что нам говорят о прогрессе в этой области. Судя по сообщениям СМИ, складывается впечатление, что квантовые вычислительные машины уже совсем не за горами. Оказывается, это вообще не так. Здесь мы попытаемся объяснить, почему миллиардные инвестиции в квантовые вычисления могут не принести результатов в течение многих лет.
Содержание
Что такое квантовый компьютер?
Прежде чем мы начнем, выясним, что же такое квантовый компьютер и чем он отличается от обычного, которым мы пользуемся ежедневно? Ответ можно сформулировать одним словом: состояние.
Обычные, или “классические”, компьютеры выполняют логические операции с помощью двоичных цифр или битов (механически это частицы электроники, которые могут находиться либо во включенном, либо в выключенном состоянии – считайте, что это “0” или “1”). Манипулируя миллиардами этих битовых состояний на высоких скоростях, классические электронные компьютеры проявляют чудеса математики и логики, выполняя программы и делая такие крутые вещи, как возможность осуществлять банковские операции с помощью электронных средств или, что еще лучше, играть в видеоигры. Квантовый же компьютер будет опираться на странности квантовых состояний.
Благодаря странностям квантовой физики квантовая система может одновременно находиться в двух взаимно несовместимых состояниях. Например, представьте, что электрон помещен в ящик, разделенный на две секции. Классически “состоянием” этой системы может быть только электрон, занимающий то одну, то другую секцию ящика. Однако квантово-механические состояния могут “накладываться друг на друга” (суперпозиция), то есть электрон может находиться в обеих секциях ящика одновременно. Только когда электрон измеряется (т.е. на него смотрят), наложенное состояние “схлопывается”, и он наблюдается то в одной, то в другой секции ящика. Система, состоящая из электрона и двух секций, называется квантовым битом или “кубитом”.
Несколько десятилетий назад было показано, что если объединить кубиты так же, как объединяются электронные биты, то может произойти нечто удивительное. В принципе, можно использовать странную природу кубитов “в двух местах одновременно” для выполнения некоторых видов сложных вычислений безумно быстрее, чем классический компьютер. Поскольку первое применение квантовых алгоритмов было направлено на взлом криптографических протоколов, на которых работает Интернет, люди очень быстро заинтересовались квантовыми вычислениями.
Где мой квантовый компьютер?
Прошло несколько десятилетий, так почему же квантовые компьютеры не лежат у нас в карманах вместо мобильных телефонов? Ответ кроется в этих наложенных друг на друга квантовых состояниях. Оказывается, кубиты очень хрупкие.
Если атомы могут находиться в состоянии суперпозиции, то почему вы не можете? Почему макроскопические объекты, такие как ваше тело, не могут находиться в двух местах одновременно, например, на кухне и в спальне? Ответ заключается в том, что суперпозиции легко нарушаются. Даже легкого столкновения с другой пролетающей мимо частицей достаточно, чтобы суперпозиция электронов разрушилась. Ученые называют это явление декогеренцией. Ваше тело не может существовать в суперпозиции, поскольку все его атомы постоянно взаимодействуют со всеми атомами окружающего мира. Любая попытка привести ваши миллионы миллиардов атомов в когерентное суперпозиционное состояние будет мгновенно пресечена даже одним столкновением с частицей воздуха.
Декогеренция – это то, что убивает квантовые вычисления. Для выполнения вычислений, имеющих значение для реальных приложений, необходимо, чтобы множество кубитов удерживалось в идеально наложенных друг на друга состояниях, даже если они соединены вместе и взаимодействуют с другими частями компьютера. А добиться этого, как оказалось, очень и очень непросто.
Первоначально надеялись, что удастся собрать сотни или даже тысячи кубитов и затем использовать так называемые шумовые квантовые технологии среднего масштаба (NISQ). Это своего рода метод квантовой коррекции ошибок, который позволяет большинству кубитов рассыпаться, но таким образом, чтобы сохранить целостность небольшой горстки, с которой вы хотите производить вычисления. Несмотря на то, что в области NISQ был достигнут действительно значительный прогресс, мы еще даже не приблизились к тому моменту, когда можно будет построить полезную работающую машину для реального мира.
Помимо NISQ есть и другие интересные альтернативы. Один из методов предполагает создание другого типа кубитов из так называемых топологических состояний, которые представляют собой коллекции более фундаментальных частиц, расположенных в особом порядке. Это очень интересная физика, но никто не знает, будет ли она работать так, как нам нужно, чтобы квантовые вычисления оправдали свои надежды.
Очень хочется, чтобы это обещание было выполнено. В этих квантовых суперпозициях действительно скрываются удивительные возможности. Но может случиться и так, что природа просто не позволит нам в ближайшее время получить к ним доступ.
Читайте также: Смелое решение квантовой загадки: всё вокруг лишь “игра” между наблюдателем и мирозданием?