|
|
||
Квантовый компьютер (в отличие от обычного) оперирует не битами (способными принимать значение либо 0, либо 1), а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Кубиты могут иметь запутанность между собой, что может интерпретироваться как заполненный квантовый регистр. Теоретически, это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, достигая существенного превосходства над обычными компьютерами в ряде алгоритмов.
Что такое кубиты? Для начала придется рассмотреть логику квантовой механики.
Если в классической механике основное уравнение - это уравнения Ньютона, то в квантовой механике основное уравнение - это уравнение Шредингера.
Откуда это уравнение берется? Ниоткуда. Его нельзя откуда-то логически вывести. За 90 лет были попытки его вывести, но официально они не были признаны. Подобно тому, как уравнение Ньютона не может быть получено теоретически, а представляет собой обобщение опытных фактов, уравнение Шредингера также нельзя вывести из каких-либо ранее известных законов. Сам Шредингер никогда и ничего не объяснял. Физический смысл неизвестен. С чисто математической точки зрения это уравнение дает нелокальную динамику частицы (похожее на дальнодействие).
Как можно было использовать уравнение с неизвестным физическим смыслом? Никак. Оно просто появилось в подходящий момент и всем понравилось. Оно удобно встроилось в тогдашнюю модель атома. Полностью согласуется с матричной механикой Гейзенберга.
Поскольку физический смысл неизвестен возможны разные интерпретации. Основой квантовой механики является копенгагенская интерпретация. Это когда волновая функция дает полное описание квантовой системы. Квадрат модуля волновой функции - это вероятность обнаружить частицу (правило Борна) (квадрат потому что в уравнении есть мнимая единица).
Именно - ОБНАРУЖИТЬ. Не предполагается, что частица движется в физическом пространстве. У частицы нет траектории. Частица проявляет себя только в момент обнаружения. И квантовая механика описывает лишь результат наших измерений.
Квантовая механика полностью согласуется с теорией относительности (что-то типа дальнодействия, заложенного в уравнение, считается чисто квантомеханической особенностью и называется нелокальностью).
Итак, частица не движется в физическом пространстве, её обнаружение - это акт истиной случайности, он не обусловлен никакой причинно-следственной цепочкой. Таким образом квантовая механика отрицает детерминизм (само по себе уравнение Шредингера детерминистично). Кстати, вероятности квантовой механики несколько отличаются от их понимания в классической теории вероятностей.
Что представляет собой частица, которая не движется в физическом пространстве? Её состояние описывается как квантовая суперпозиция (когерентная суперпозиция), т.е. смешение всех возможных альтернативных состояний, в которых может находится частица. При измерении частицы фиксируется одно её состояние и при это фиксируются её прошлые состояния. То есть наблюдатель реально влияет на саму частицу.
Что такое квантовая запутанность? Согласно уравнению Шредингера динамика сложной системы, при определённых условиях, представляет собой единое целое. Если мы выделим две подсистемы, то даже при отсутствии взаимодействия между ними, динамика сложной системы не распадается в две независимые динамики. Связь как бы сохраняется. В строгом соответствии с теорией относительности передача информации таким способом невозможна (потому что она изначально как бы сверхсветовая получается). И в итоге, таким способом можно получить запутанные квантовые частицы.
Как такое возможно, что уравнение не распадается на два независимых? Можно, примерно, сказать так - волновая функция для сложной системы 'живёт' в многомерном пространстве. Её невозможно определить только в трех координатах. Сам Шредингер с этим не справился, многомерное пространство он не рассматривал (трехкоординатное пространство было для него 'свято').
Еще раз о логике квантовой механики. Один автомобиль движется в одном городе, другой в другом. Первый автомобиль останавливается и второй немедленно тоже останавливается. Проведя много опытов, обнаруживаем, что эти события коррелируют друг с другом. Если первый шофер созванивается со вторым - то это означает локальность события. Однако, если мы не может обнаружить связь между шоферами (например, время между остановками равно нулю)- это будет нелокальность. При нуле времени нельзя даже сказать какой автомобиль тормозит первым. В копенгагенской интерпретации проблема нелокальности стоит не так остро, потому что автомобили не движутся в физическом пространстве и измеряем мы только сам факт остановки. И сама остановка событие случайное - в итоге мы имеет просто два случайных события. Просто они происходят одновременно. Одно и то же случайное событие проявляет себя в двух точках, разделенных значительным расстоянием. Это объяснение полностью противоречит здравому смыслу, но оно неизбежно.
Кстати, не все были согласны с копенгагенской интерпретацией. Эйнштейн и другие предлагали, что у частиц есть траектории и мы их просто не видим (так называемые скрытые параметры). Квантовая механика просто описывает статистику и должна быть дополнена теорией описания траекторий частиц. Дальнодействия уравнения Шредингера нет, оно ограничивается другими уравнениями. Это предложение не прошло так как не объясняло интерференцию. (То есть траектории частиц предлагалось описывать с помощью статистической физики как молекулы газа, статистическая теория не объясняет интерференцию. В последнее время появились такие математические описания, когда чисто корпускулярные системы взаимодействуя с комплексом физических условий могут производить интерференцию. Это пример того, что математическое описание должно появляется вовремя, как например уравнение Шредингера)
Потом Эйнштейн предложил парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена, где в контексте говорил о 'жутком действии на расстоянии' и скрытых траекториях. Квантовая механика успешно отбилась от такого (в том числе и с помощью неравенств Белла).
Известны и другие интерпретации квантовой теории. Ортодоксальной является копенгагенская. Сейчас вторая по популярности - это многомировая интерпретация. Где траектории частиц есть, но находятся они в другом измерении. (В смысле, виртуальные измерения. Есть единая вселенная, которая из себя представляет одну волновую функцию. И соответственно в себя включает суперпозицию альтернативных вселенных)
Важной вехой в развитии квантовой теории (копенгагенской интерпретации) были неравенства Белла и эксперименты где это неравенство нарушается. "Белл ввёл математический формализм (вероятностная игра Белла), использующий скрытые траектории, которые могли бы объяснить вероятностную природу квантовых явлений. По его замыслу, полученные им неравенства должны были показать, может ли введение скрытых траекторий сделать описание квантовой механики не вероятностным, а детерминированным: в случае нарушения неравенств Белла такое детерминистическое описание с использованием скрытых траекторий невозможно". Это несколько расплывчатое описание. Белл, в отличии от Эйнштейна, был сторонником интерпретации Бома (можно назвать это нелокальным реализмом). Он считал, что у частиц есть траектории и также есть действие на расстоянии. То есть квантовая теория неполна, там есть скрытые траектории. Конечно, нелокальная, но классическая (с траекториями) теория противоречит теории относительности.
Итак, если в игре Белла неравенства не нарушаются, то имеют место скрытые траектории. Частицы заранее знают, как им двигаться. В проведённых экспериментах неравенства нарушаются, из этого возможно два вывода: 1) траекторий нет (тогда нелокальность объясняется истиной случайностью) или 2) траектории есть, но частицы реально обмениваются информацией (что не согласуется с теорией относительности). Как обычно, возможны разные трактовки, некоторые авторы говорят о некорректности эксперимента. К уравнению Шредингера это никаким боком не относится. Официально признано, что траекторий нет, нелокальность объясняется истиной случайностью.
В силу принципа суперпозиции кубиты одновременно могут находиться в двух состояниях 0 и 1. Структура из 3 таких кубитов будет содержать сразу 8 возможных вариантов. Если классический компьютер перебор делает последовательно, то кубиты сразу содержат ответ. И за счет квантового параллелизма достигается большая скорость работы. Но таким способом может быть реализован не каждый алгоритм. Известных квантовых алгоритмов не так много.
Что такое квантовый параллелизм? Точного определения нет. Кто-то говорит и о параллельных мирах, в которых и производятся вычисления, а потом они складываются в нашем мире.
Что дает большая скорость работы? Например, в криптографии. Стойкость банковского шифрования или шифрования криптовалюты на том и держатся, что невозможно подобрать ключ шифрования за разумное время. Квантовые компьютеры эту ситуацию изменят. Или могут изменить, в будущем.
Уже появились разработки квантово-устойчивых шифрований. В 2015 году Национальное агентство безопасности США заявило, что их первоначальный план по внедрению новых алгоритмов шифрования будет полностью изменён и все новые алгоритмы будут квантово-устойчивыми. А вот, блокчейн проекты имеют уникальную реализацию, которая во многом зависит от определённых алгоритмов, и это затруднят переход на новый тип шифрования. Какие-либо изменения могут уменьшить скорость транзакций настолько, что криптовалюты станут бесполезны. Но для дешифровки криптовалют нужны компьютеры с тысячами кубит (минимум 3000 кубит) (сейчас имеются компьютеры, примерно, на 53 кубита). Так что такая дешифровка предвидится еще не скоро. Могут ли квантовые компьютеры добывать криптовалюту? Сейчас разработано не так много алгоритмов для квантового компьютера. Грубо говоря, каждой задачи по компьютеру. Ведутся разработки и универсального квантового компьютера. Так что специально криптовалютами никто не занимается.
Продолжение следует...