Что такое квантовая суперпозиция и почему она важна для компьютеров?

Наша повседневная жизнь подчиняется классическим законам физики… Если не приближаться к атомному уровню. Потому что миром мельчайших частиц правит квантовая механика. Портал livescience.com рассказал о важнейшем концепте в квантовой физике — суперпозиции.

В повседневной жизни многие вещи могут пребывать лишь в одном состоянии в каждый момент времени. Переключатель света либо включен, либо выключен, кошка либо мертва, либо жива. Но в квантовом мире это работает немного иначе. Любая частица, будь то электрон, фотон или даже мельчайший атом, может пребывать в множестве состояний одновременно, пока за ней не наблюдает человек. Именно это «подвешенное» состояние и называют квантовой суперпозицией.

Кот Шредингера — знаменитый мысленный эксперимент, который иллюстрирует, как работает квантовая суперпозиция. Представьте, что кошка сидит внутри коробки с механизмом, который может убить животное с вероятностью 50 на 50 в зависимости от того, превратится ли квантовая частица в определенный тип атома. До тех пор, пока кто-то не откроет коробку и не посмотрит внутрь, кот находится в суперпозиции — он одновременно и жив, и мертв. При наблюдении эта суперпозиция схлопывается в одно конкретное состояние, и судьба кота определена.

Ученые смогли задокументировать феномен квантовой суперпозиции в ряде случаев. Один известный пример — опыт Юнга, или двухщелевой эксперимент. Фотоны выстреливаются в барьер с двумя щелями, за которыми находится экран, записывающий, куда попадают частицы. Если отправить их через одну цель, то они расположатся на экране одной ровной полосой, но если открыть обе, то результат будет больше похож на волну. Опыт доказывает, что частицы и волны могут обладать свойствами друг друга.

Можно возразить, что, если выстреливать по одному фотону за раз, то он будет попадать в одну щель из двух — но практика показала, что он попадает в обе одновременно. Таким образом, он пребывает в состоянии суперпозиции, которая схлопывается при измерении результата. Помимо этого, физики наблюдали за суперпозициями ионов и более крупных молекул, а хлорофилл в листьях растений использует механизм квантовой суперпозиции для эффективного поглощения солнечного света.

По факту, суперпозиция — главная причина, по которой квантовые компьютеры могут быть такими мощными.

Обычный бинарный бит может находиться лишь в одном состоянии из двух: 0 или 1. Биты кодируются транзисторами, состоящими из кремния, германия или других полупроводников. Три бита формируют 8 потенциальных состояний: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. Для того, чтобы обработать их, традиционный компьютер проверяет каждое по отдельности.

А в квантовых компьютерах частицы, такие как электроны и фотоны, выполняют роль кубитов — квантовых битов, способных пребывать в суперпозиции 0 и 1. Три кубита образуют суперпозицию 8 возможных состояний одновременно, благодаря чему квантовые компьютеры способны обрабатывать гораздо большее количество вычислений в параллели

Подобная производительность означает, что в будущем квантовые компьютеры могут сыграть важную роль в фармацевтике, климатическом моделировании и на различном производстве. В теории, один квантовый компьютер может за считанные секунды произвести столько же операций, сколько мощнейшие суперкомпьютеры в мире могут выполнить за миллионы лет.