У світі високих технологій, де класичні комп’ютери вже давно стали невіддільною частиною нашого життя, квантові комп’ютери обіцяють революцію, яка змінить наше розуміння обчислювальних можливостей. У центрі цієї революції стоїть кубіт — елементарна одиниця квантової інформації. На відміну від класичного біта, обмеженого значеннями 0 і 1, кубіт володіє унікальними квантовими властивостями, що дозволяють йому перебувати в стані суперпозиції, поєднуючи одночасно обидва значення. Ця дивовижна особливість робить кубіт ключовим компонентом квантових комп’ютерів, які можуть виконувати неймовірно складні обчислення значно швидше за свої класичні аналоги. Розуміння природи та потенціалу кубітів відкриває двері в майбутнє, де квантові технології можуть подолати поточні обмеження і привести до нових наукових та технологічних досягнень.
Що таке кубіт?
Малюнок наведений нижче зображає дві елементарні одиниці вимірювання інформації: біт, застосовуваний у роботі звичайних комп’ютерів, і кубіт, на властивостях якого засновані квантові комп’ютери.
Класичний біт приймає два значення, тобто його фізичний носій може перебувати тільки у двох певних станах. Наприклад, якщо транзистор у процесорі пропускає електричний струм, то він приймає значення 1, якщо не пропускає — 0. Біт перебуває у суворо певному стані, проміжних значень між 0 і 1 для нього не існує.
Кубіт (від англ. q-bit, quantum bit) також може приймати значення 0 і 1, але, на відміну від простого біта, він ними не обмежений. Якщо кубіт може перебувати в якихось двох базисних станах, то він може перебувати й в суперпозиції цих станів, тобто приймати величезну кількість проміжних значень. Простір станів кубіта зручно уявляти у вигляді сфери Блоха. На північному полюсі сфери значення 0, на південному — 1. Але є ще й уся інша поверхня, яка являє собою всі можливі стани.
Створити кубіт можна з будь-яких квантових об’єктів, які мають два базисні стани. Наприклад, електрон зі спіном ½ може перебувати у двох станах: спін вгору і спін вниз. Будь-яка частинка з такою властивістю, хай то фотон, нейтральний атом або іон, може виступати як кубіт.
Проте на цей час найбільш технологічно досконалі квантові комп’ютери працюють на надпровідних кубітах — мікросхемах із надпровідників з нанорозмірними розривами (джозефсонівськими переходами). Ключова перевага надпровідних кубітів — це можливість виготовляти їх за допомогою налагоджених процесів, застосовуваних під час створення мікроелектроніки.
Чим це цікаво для науки?
Основна проблема, що стоїть на шляху розробки квантових комп’ютерів, — це втрата кубітами когерентності. Будь-яка квантова система неминуче буде взаємодіяти з оточенням, унаслідок чого відбуваються неконтрольовані зміни станів кубітів. В результаті цього значно підвищується ймовірність виникнення помилок у розрахунках. Крім того, низька когерентність кубіта в цілому сильно обмежує кількість операцій, які може здійснити квантовий комп’ютер.
Це ключове обмеження кубітів вчені намагаються вирішити за допомогою створення «складних» логічних кубітів, які складатимуться з декількох фізичних. Якщо кілька з них втратить когерентність, то решта все одно продовжить виконання завдання. Якщо такі складні системи вдасться отримати, тоді з розвитком технологій з’явиться шанс отримати безпомилкові квантові комп’ютери, здатні на необмежену кількість операцій.
Чому це важливо знати?
Завдяки тому, що кубіти перебувають у суперпозиції, квантові комп’ютери можуть у багато разів швидше виконувати деякі завдання шляхом паралельного виконання кількох операцій. Наочний приклад користі від розпаралелювання — пошук шляху в лабіринті. Звичайний комп’ютер послідовно перебирає всі можливі варіанти, натрапляючи на тупики й повертаючись, а квантовий комп’ютер може перевірити всі можливі ходи за один раз.
Ефективність квантових комп’ютерів у розв’язанні завдань такого типу настільки велика, що отримала назву квантової переваги. Для розв’язання певних завдань з перебору квантовому комп’ютеру може знадобитися кілька хвилин, тоді як найпотужнішому класичному суперкомп’ютеру — понад рік. Найбільш корисною ця перевага може виявитися для моделювання хімічних і фізичних властивостей частинок, оптимізації побудови складних графів, створення просунутих способів шифрування і дешифрування.
БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО: