Как устроен квантовый компьютер

Случайно прочитал несколько интерпретаций того, как работают квантовые компьютеры. Кратко делюсь той, которую описывает Дэвид Дойч в книге «Структура реальности». Она нравится мне больше всего.

Квант и квантовые вычисления

С физическим пониманием кванта все относительно понятно. Простыми словами — это наименьшая частица рассматриваемой энергии. Квант электромагнитного поля это фотон, бозон Хиггса — квант поля Хиггса, кванты это электроны, нейтрино и так далее. Такими определениями кишит Википедия, и в целом, это вполне себе интуитивно понятные штуки. Но понимание кванта на физическом уровне невозможно спроецировать на принципы работы квантовых компьютеров, потому что в их основе — квантовые вычисления.

Квантовые вычисления основаны на системе квантовых объектов. Объекты должны обладать конечным набором свойств, их поведение не может быть описано с помощью классической физики, но оно отлично описывается законами квантовой механики.

1. Квантовые объекты находятся в суперпозиции (она находятся в нескольких состояниях одновременно и финальный результат наблюдатель может получить, только измерив его)
2. Входят в состояние запутанности друг с другом, то есть влияют друг на друга
3. Состояние квантовых объектов нельзя скопировать
4. Имеют состояние, которое принимает два граничных условия (как та же самая монета и две ее граничных стороны).

Разница между обычным и квантовым компьютером

Итог отработки одного и того же алгоритма на классическом компьютере предрешен — он всегда будет одинаковым, сколько бы раз мы ни запускали алгоритм, или меняли компьютеры для вычислений. Квантовые компьютеры работают на вероятностных принципах, и в качестве результата дают распределение конечных решений алгоритма.

1. Классические компьютеры которыми мы пользуемся каждый день — всего лишь различные технологические исполнения машины Тьюринга. Все существующие компьютеры имеют один и тот же репертуар вычислений, и по сути различаются только комплектующими: скоростью, объёмами памяти и устройствами ввода-вывода. Даже самый убитый домашний компьютер можно проапгрейдить и приспособить для решения самой объемной и сложной задачи, при наличии достаточного времени для вычисления (принцип универсальности вычислений).
2. Квантовые вычисления — это совершенно новый вид вычислений, основанный на эффекте квантовой запутанности и интерференции. Такие вычисления в принципе нельзя было бы выполнить на классических компьютерах. Это принципиально новый способ покорения природы, если рассматривать эволюцию инструментов человечества от собственных мускул, рычагов и колеса и до современных классических компьютеров.
3. Квантовый компьютер распределяет составляющие очень сложной задачи между множеством параллельных вселенных, где и происходят вычисления, а затем представляет результаты в каждой из них.

Последний пункт звучит как какая-то эзотерическая хрень, но это одно из самых убедительных объяснений, которое даёт нам современная физика.

Принцип интерференции

Ученые утверждают, что убедиться в том, что параллельные вселенные и правда существуют, можно прям в домашних условиях, используя интерференцию света. Это такое странное физическое явление, когда фотоны, каждый раз отражаясь от/проникая через поверхности на их пути, оказываются в состояниях, отличных от ожидаемых (например, двухщелевый эксперимент, про который рассказывали в школе). Перегородка со сложной картиной отверстий в нашей реальности отбрасывает тень совершенно другой формы, как будто бы через нее проходит что-то, препятствующее попаданию света. При этом то, что вызывает помехи, ведёт себя в точности как свет — оно всегда присутствует в лучше света, на отсутсвует вне его.

Мне вряд ли стоит сейчас досконально пересказывать всю суть экспериментов, это легко ищется в поисковиках. Но итог опытов с интерференцией, как утверждает квантовая теория, заключается в том, что при определенных условиях, частицы взаимодействуют со своими партнерами из параллельных вселенных, то есть интерферируют с ними, за счёт чего меняют ожидаемое состояние в нашей реальности.

Квантовые компьютеры будут работать с учётом этого же принципа. Они как будто бы перекладывают часть решения огромных задач на такие же квантовые компьютеры, находящиеся в параллельных вселенных. То есть как будто бы сообща работают над одной и той же задачей, и «распределяют нагрузку» с помощью интерференции.

Какие задачи смогут решать квантовые компьютеры

Основной вопрос теории вычислительной сложности — какие вычисления можно практически выполнить за определённое время. Эта же теория различает задачи на легко- и труднорешаемые.

Легкорешаемой считается та задача, при применении которой к большим числам, время вычисления увеличивается не слишком резко.

• Пример легкорешаемой задачи — умножение чисел. При умножении, например, восьмизначных чисел, для вычислений потребуется всего 64 микросекунды, и это лишь на 31% больше, чем при умножении семизначных.
• Пример труднорешаемой задачи — деление на множители. По сути, это процесс, обратный умножению. Самый очевидный метод разложения на множители — делить сводимое число на все возможные множители, начиная с 2 и продолжает каждым нечетным числом, до тех пор, пока введённое число не разделится без остатка. В этом случае, увеличение водимого числа на один разряд аж утроит время обработки.

Такие труднорешаемые для классических компьютеров задачи и будут решать квантовые компьютеры.

Как убедить ребят из параллельных вселенных начать работать над нашей задачей

Когда я разгребал все эти теории, я не мог понять — вот есть теория о параллельных Вселенных, там наши партнёры, как и мы, тоже строят квантовые компьютеры, так каким образом нам нужно убедить их работать над нашей задачей, чтобы квантовые компьютеры в их реальности выполняли вычисления для задачи из текущей вселенной? Неужели у них нет своих собственных задач, чтобы задействовать компьютеры? Но на самом деле нам и не нужно их убеждать.

Алгоритм Шора, который лежит в основе квантовых вычислений, действует только в наборе идентичных друг другу вселенных, и вызывает в них отличия только в пределах устройства разложения на множители. Потому когда мы укажем число, которое стоит разложить на множители, и будем ждать ответа — мы будем идентичны во всех задействованных, то есть интерферирующих вселенных.

В начале 2000х алгоритм Шора уже был экспериментально подтверждён с помощью компьютера с 7 кубитами, который сделали в IBM.

Конечно, существует огромное количество вселенных, где мы задали другие числа, или никогда не родились, а может быть уже умерли, но они отличаются от нашей слишком большим количеством переменных, поэтому интерферировать с нашей Вселенной они не смогут.

Читать: The Fabric of Reality: The Science of Parallel Universes and Its Implications, by David Deutsch