Квантовая эра: тайны кубитов
В недавнем выпуске «Атомариума» доктор физико-математических наук Алексей Семихатов и директор Института физики и квантовой инженерии МИСИС Алексей Федоров рассказали о самом загадочном компьютере современности.
Как работает квантовый компьютер?
Представьте, что перед вами самый мощный суперкомпьютер на Земле. С задачей распределения трех человек в две машины он справится за секунду. А чтобы распределить сто человек в два автобуса, ему не хватит вечности, между тем как квантовый компьютер решит эту проблему вмиг.
Как разделить сто человек в два автобуса?
Дело в том, что в классическом компьютере единицами измерения являются биты. Они способны принимать одно из двух значений: 1 или О. Базовыми единицами информации квантовом компьютере становятся ужекубиты — квантовые биты, которые могут находиться в состоянии 0 и 1 одновременно. Так, компьютер, находясь в суперпозиции, может обработать все возможные комбинации О и 1 в задаче, потратив на вычисления меньше секунды.
Любопытной Варваре...
...на базаре нос оторвали, а в физической лаборатории запретили появляться. Дело в том, что до момента наблюдения квантовая система может находиться в суперпозиции, то есть в двух состояниях одновременно. При попытке подглядеть за кубитом, он «выберет» одно из состояний — 0 или 1 и станет обычным битом информации.
В то же время волновая функция, которая описывает состояние кубита, сообщит вам результат вычислений и при этом «умрет». Такое явление называют коллапсом волновой функции.
Для наглядного представления суперпозиции часто приводят в пример опыт Шредингера. В мысленном эксперименте австрийского физика кота запирают в коробке с радиоактивным атомом, который может с равной вероятностью распасться или не распасться, счетчиком Гейгера и колбой с ядовитым газом. Если атом распадается, срабатывает механизм, выпускающий ядовитый газ, и животное умирает.
В противном случае питомец остается жив. Пока коробка закрыта, кот находится в суперпозиции — он и жив, и мертв одновременно, но, как только мы откроем крышку, его состояние станет однозначным.
Квантовая запутанность носков
Две частицы, находящиеся во взаимодействии или образовавшиеся в результате квантового события, например радиоактивного распада, считаются «запутанными», или взаимосвязанными, независимо от расстояния между ними.То есть изменение состояния одной частицы будет влиять на состояние другой, даже если они находятся на разных концах Вселенной.
Ирландский физик Джон Белл придумал шуточную аллегорию «Носки Бертмана» как пример упрощенного понимания парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена. Коллега Джона Белла — доктор Бертлман — часто приходил на работу в носках разного цвета, предугадать палитру которых было невозможно. Однако стоило увидеть на левой ноге розовый носок, чтобы с уверенностью заключить: на правой — носок любого другого цвета. Метафора иллюстрирует, как два объекта влияют на состояния друг друга.
Конечно, эти примеры дают лишь упрощенное понимание квантового мира, тайны которого можно познать, изучая физику.
Фото: unsplash.com
